TreeSet（单列集合）

TreeSet 是 Java 集合框架中的一种实现了 Set 接口的类，它通过一个红黑树（Red-Black Tree）来存储元素。由于使用了树结构，TreeSet 保证了元素的有序性，并且不允许重复元素。

1. TreeSet 的基本特性

• 有序性：TreeSet 保证元素的顺序。元素的顺序是根据元素的自然顺序（实现了 Comparable 接口）或者通过构造时提供的Comparator 来确定的。默认情况下，TreeSet 按照元素的自然顺序排列元素。
• 不允许重复元素：TreeSet 不允许存储重复的元素。它会根据元素的比较结果来确定是否添加元素，如果元素已存在，添加操作会失败。
• 性能：TreeSet 通过红黑树来维护元素，红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，提供对元素的排序操作。常见的操作（如插入、删除、查找）在 TreeSet 中的时间复杂度为 O(log n)，其中 n 是集合的元素数量。

2. TreeSet 的构造方法

TreeSet 提供了多种构造方法，可以根据需要来初始化集合。

2.1 默认构造方法：

创建一个空的 TreeSet，按自然顺序排序元素。

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>();

2.2 使用 Comparator 构造：

创建一个空的 TreeSet，根据指定的比较器对元素进行排序。

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>(Comparator.reverseOrder());

2.3 从另一个集合构造：

通过指定一个已有的集合来初始化 TreeSet。

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>(anotherSet);

2.4 指定初始容量和 Comparator：

可以指定初始容量和自定义的 Comparator。

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>(20, Comparator.naturalOrder());

3. TreeSet 的常用方法

TreeSet 继承自 AbstractSet，实现了 Set 接口，因此它包含 Set 接口定义的常用方法，同时也支持按顺序操作。

3.1 添加元素

add(E e)：将元素添加到集合中，如果集合中已经存在该元素，操作会返回 false。

TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>();
set.add(10);  // 返回 true，10 被添加
set.add(20);  // 返回 true，20 被添加
set.add(10);  // 返回 false，10 已经存在

3.2 删除元素

**remove(Object o)：**删除指定的元素。如果元素存在，返回 true，否则返回 false。

set.remove(10);  // 返回 true，10 被删除
set.remove(30);  // 返回 false，30 不存在

**clear()：**删除集合中的所有元素。

set.clear();  // 删除所有元素

3.3 查询元素

contains(Object o)：判断集合中是否包含指定元素。

boolean contains10 = set.contains(10);  // 返回 false，10 不在集合中

**isEmpty()：**判断集合是否为空。

boolean isEmpty = set.isEmpty();  // 返回 true，如果集合为空

**size()：**返回集合中元素的数量。

int size = set.size();  // 返回集合的大小

3.4 遍历元素

TreeSet 按照自然顺序或指定的顺序遍历集合中的元素：

使用增强的 for 循环遍历：

for (Integer num : set) {System.out.println(num);  // 按顺序打印元素
}

使用 Iterator 遍历：

Iterator<Integer> iterator = set.iterator();
while (iterator.hasNext()) {System.out.println(iterator.next());
}

3.6 其他方法

first()： 返回集合中的第一个元素。

Integer first = set.first();  // 返回最小的元素

**last()：**返回集合中的最后一个元素。

Integer last = set.last();  // 返回最大的元素

**pollFirst()：**移除并返回集合中的第一个元素。

Integer firstRemoved = set.pollFirst();  // 返回并删除最小的元素

**pollLast()：**移除并返回集合中的最后一个元素。

Integer lastRemoved = set.pollLast();  // 返回并删除最大的元素

**subSet(E fromElement, E toElement)：**返回集合中介于两个元素之间的子集，包含 fromElement，但不包含 toElement。

SortedSet<Integer> subset = set.subSet(10, 30);  // 返回 10 到 30 之间的元素

headSet(E toElement)： 返回集合中小于 toElement 的元素。

SortedSet<Integer> headSet = set.headSet(30);  // 返回小于 30 的元素

tailSet(E fromElement)：返回集合中大于或等于 fromElement 的元素。

SortedSet<Integer> tailSet = set.tailSet(10);  // 返回大于或等于 10 的元素

4. TreeSet 的性能特点

TreeSet 使用红黑树来存储元素，红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，保证树的高度是对数级别，从而保证了对元素的插入、删除、查询操作的时间复杂度为 O(log n)。

• 插入操作的时间复杂度：O(log n)
• 删除操作的时间复杂度：O(log n)
• 查找操作的时间复杂度：O(log n)
• 遍历操作的时间复杂度：O(n)

TreeSet 的性能比 HashSet 稍差，因为 HashSet 的查找、插入和删除操作是常数时间（O(1)），而 TreeSet 的这些操作是 O(log n)。

5. TreeSet 与 HashSet 的区别

顺序性：

• HashSet 不保证元素的顺序。
• TreeSet 保证元素的有序性，按自然顺序或自定义的顺序进行排序。

实现方式：

• HashSet 是基于哈希表实现的。
• TreeSet 是基于红黑树实现的。

性能：

• HashSet 的插入、删除和查询操作时间复杂度为 O(1)。
• TreeSet 的插入、删除和查询操作时间复杂度为 O(log n)。

6. TreeSet 的应用场景

TreeSet 适用于以下场景：

• 需要排序的集合：当你需要一个集合，其中的元素按照一定顺序排列时（例如，按自然顺序或自定义顺序），TreeSet 是一个理想的选择。
• 不允许重复元素的集合：如果你需要一个集合，不允许重复元素的同时又需要按顺序存储，TreeSet 非常适用。
• 区间查询：TreeSet 提供的 subSet、headSet 和 tailSet方法使得区间查询变得非常方便，可以快速获取指定范围内的元素。

7 自然排序Comparable的使用

• 案例需求

  • 存储学生对象并遍历，创建TreeSet集合使用无参构造方法
  • 要求：按照年龄从小到大排序，年龄相同时，按照姓名的字母顺序排序

• 实现步骤

  1. 使用空参构造创建TreeSet集合
     • 用TreeSet集合存储自定义对象，无参构造方法使用的是自然排序对元素进行排序的
  2. 自定义的Student类实现Comparable接口
     • 自然排序，就是让元素所属的类实现Comparable接口，重写compareTo(T o)方法
  3. 重写接口中的compareTo方法
     • 重写方法时，一定要注意排序规则必须按照要求的主要条件和次要条件来写

• 代码实现

public class Student implements Comparable<Student>{private String name;private int age;public Student() {}public Student(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public int getAge() {return age;}public void setAge(int age) {this.age = age;}@Overridepublic String toString() {return "Student{" +"name='" + name + '\'' +", age=" + age +'}';}@Overridepublic int compareTo(Student o) {//按照对象的年龄进行排序//主要判断条件: 按照年龄从小到大排序int result = this.age - o.age;//次要判断条件: 年龄相同时，按照姓名的字母顺序排序result = result == 0 ? this.name.compareTo(o.getName()) : result;return result;}
}

8 比较器排序Comparator的使用

• 案例需求

  • 存储老师对象并遍历，创建TreeSet集合使用带参构造方法
  • 要求：按照年龄从小到大排序，年龄相同时，按照姓名的字母顺序排序

• 实现步骤

  • 用TreeSet集合存储自定义对象，带参构造方法使用的是比较器排序对元素进行排序的
  • 比较器排序，就是让集合构造方法接收Comparator的实现类对象，重写compare(T o1,T o2)方法
  • 重写方法时，一定要注意排序规则必须按照要求的主要条件和次要条件来写

代码实现

public class Teacher {private String name;private int age;public Teacher() {}public Teacher(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}public String getName() {return name;}public void setName(String name) {this.name = name;}public int getAge() {return age;}public void setAge(int age) {this.age = age;}@Overridepublic String toString() {return "Teacher{" +"name='" + name + '\'' +", age=" + age +'}';}
}

测试类

public class MyTreeSet4 {public static void main(String[] args) {//创建集合对象TreeSet<Teacher> ts = new TreeSet<>(new Comparator<Teacher>() {@Overridepublic int compare(Teacher o1, Teacher o2) {//o1表示现在要存入的那个元素//o2表示已经存入到集合中的元素//主要条件int result = o1.getAge() - o2.getAge();//次要条件result = result == 0 ? o1.getName().compareTo(o2.getName()) : result;return result;}});//创建老师对象Teacher t1 = new Teacher("zhangsan",23);Teacher t2 = new Teacher("lisi",22);Teacher t3 = new Teacher("wangwu",24);Teacher t4 = new Teacher("zhaoliu",24);//把老师添加到集合ts.add(t1);ts.add(t2);ts.add(t3);ts.add(t4);//遍历集合for (Teacher teacher : ts) {System.out.println(teacher);}}
}

两种比较方式总结

• 两种比较方式小结
  • 自然排序: 自定义类实现Comparable接口,重写compareTo方法,根据返回值进行排序
  • 比较器排序: 创建TreeSet对象的时候传递Comparator的实现类对象,重写compare方法,根据返回值进行排序
  • 在使用的时候,默认使用自然排序,当自然排序不满足现在的需求时,必须使用比较器排序
• 两种方式中关于返回值的规则
  • 如果返回值为负数，表示当前存入的元素是较小值，存左边
  • 如果返回值为0，表示当前存入的元素跟集合中元素重复了，不存
  • 如果返回值为正数，表示当前存入的元素是较大值，存右边

9. 总结

• TreeSet 是一种基于红黑树实现的有序集合，能够保证元素的排序。
• 它不允许重复元素，插入、删除和查找的时间复杂度为 O(log n)。
• TreeSet 提供了多种用于获取子集、头部集合和尾部集合的方法，适合处理有序的集合数据。
• 如果需要元素按特定顺序排列并且不允许重复，TreeSet 是非常合适的选择。