Java集合之TreeMap源码解析上篇

上期回顾

上期我从树型结构谈到了红黑树的概念以及自平衡的各种变化（指路上期←戳），本期我将会对TreeMap结合红黑树理论进行解读。

首先，我们先来回忆一下红黑树的5条基本规则。

1.结点是红色或者黑色，

2.根结点为黑色，

3.每个叶子结点都是黑色的空结点，

4.每个红色结点的两个子结点都是黑色，

5.从任何一个结点到叶子结点的所有路径的黑色结点的个数相同。

TreeMap的基本结构

我们先来看一下TreeMap的成员属性，

1     private final Comparator<? super K> comparator;
2     private transient Entry<K,V> root;
3     private transient int size = 0;
4     private transient int modCount = 0;

第1行，比较器，主要是用来维持树结构的有序，可以为空，如果为空，那按照key的自然规则进行排序，

第2行，Entry的引用root，是树型结构的根，

第3行，记录map中数据元素的个数，

第4行，记录map中数据更新的次数，

Entry是TreeMap的一个静态内部类，一个Entry对应一个树型结构中的结点，下面我们来看一下Entry的成员属性和构造函数，

 1  static final class Entry<K,V> implements Map.Entry<K,V> {
 2         K key;
 3         V value;
 4         Entry<K,V> left;
 5         Entry<K,V> right;
 6         Entry<K,V> parent;
 7         boolean color = BLACK;
 8
 9         Entry(K key, V value, Entry<K,V> parent) {
10             this.key = key;
11             this.value = value;
12             this.parent = parent;
13         }

第2行，键

第3行，值

第4行，左结点的引用

第5行，右结点的引用

第6行，父结点的引用

第7行，当前结点默认为黑色结点

第9行，构造函数。初始化键、值、父结点引用

红黑树中的第1条规则是结点是红色或者黑色，在TreeMap中声明了两个常量表示

1 private static final boolean RED   = false;
2 private static final boolean BLACK = true;

false表示红色，true表示黑色，根结点是黑色，因此是true。

TreeMap的put方法解读

下面我们解读一下map在新增元素时发生哪些动作？我们以一个public修饰的静态方法，返回值为void，参数为String数组的main方法

作为程序的切入口，如下一段代码，

1 public static void main(String[] args) {
2         TreeMap<Integer, Integer> map = new TreeMap<Integer, Integer>();
3         map.put(50,3001);
4         map.put(30,3002);
5         map.put(70,3003);
6 }

第2行，new TreeMap<Integer, Integer>()，是一个无参的构造函数，初始化比较器为null，

第3行，新增一个键为50，值为3001的元素，

我们来跟一下put方法，源代码如下，

 1 public V put(K key, V value) {
 2         Entry<K,V> t = root;
 3         if (t == null) {
 4             compare(key, key); // type (and possibly null) check
 5
 6             root = new Entry<>(key, value, null);
 7             size = 1;
 8             modCount++;
 9             return null;
10         }
11         int cmp;
12         Entry<K,V> parent;
13         // split comparator and comparable paths
14         Comparator<? super K> cpr = comparator;
15         if (cpr != null) {
16             do {
17                 parent = t;
18                 cmp = cpr.compare(key, t.key);
19                 if (cmp < 0)
20                     t = t.left;
21                 else if (cmp > 0)
22                     t = t.right;
23                 else
24                     return t.setValue(value);
25             } while (t != null);
26         }
27         else {
28             if (key == null)
29                 throw new NullPointerException();
30             @SuppressWarnings("unchecked")
31                 Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;
32             do {
33                 parent = t;
34                 cmp = k.compareTo(t.key);
35                 if (cmp < 0)
36                     t = t.left;
37                 else if (cmp > 0)
38                     t = t.right;
39                 else
40                     return t.setValue(value);
41             } while (t != null);
42         }
43         Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);
44         if (cmp < 0)
45             parent.left = e;
46         else
47             parent.right = e;
48         fixAfterInsertion(e);
49         size++;
50         modCount++;
51         return null;
52 }

第2行，把变量t指向根结点的引用，

第3行，判断根结点是否为空，如果为空说明，当前数据元素时首次新增，

第4行，调用自定义的比较器或者自然比较器，自身与自身做比较，旨在判断key是否是null，如果为空，则抛出NPE，

因此，TreeMap中的Key不允许为空。

第6-9行，把root引用指向当前元素，并且树结构的数量size更新为1，modCount自增，结束，返回值为null，

第11行，声明一个int类型的cmp，用来记录比较器的返回值

第12行，声明一个Entry类型的parent，用来记录待存储元素的父结点。上面Entry的构造函数中，其中一个数据项就是父结点，

第15行-26行，当比较器不为空时，找出待存储元素的父结点，下面我们来逐行阅读

第18行，根据我们自定义的比较规则，待存储元素的键和当前结点比较大小，

第19行，如果小于当前结点的键，那么下一个比较的目标应在在左子树上，

第21行，如果大于当前结点的键，那么下一个比较的目标应该在右子树上，

第24行，如果待存储的键等于当前结点的键，那么将新值更新，同时返回旧值。

第27行-42行，当比较器为空时，采用默认的自然比较规则，找出父结点上述基本相似，

注意：第28行，对key是否为空校验，因此：TreeMap中的Key不允许为空。

第43行，赋值，

第44行-47行，确定新增元素时父结点的左结点还是右结点。

第49行-50行，size和modCount分别自增，

接下来我们着来分析第48行，fixAfterInsertion(e)，跟一下代码，

 1 private void fixAfterInsertion(Entry<K,V> x) {
 2         x.color = RED;
 3
 4         while (x != null && x != root && x.parent.color == RED) {
 5             if (parentOf(x) == leftOf(parentOf(parentOf(x)))) {
 6                 Entry<K,V> y = rightOf(parentOf(parentOf(x)));
 7                 if (colorOf(y) == RED) {
 8                     setColor(parentOf(x), BLACK);
 9                     setColor(y, BLACK);
10                     setColor(parentOf(parentOf(x)), RED);
11                     x = parentOf(parentOf(x));
12                 } else {
13                     if (x == rightOf(parentOf(x))) {
14                         x = parentOf(x);
15                         rotateLeft(x);
16                     }
17                     setColor(parentOf(x), BLACK);
18                     setColor(parentOf(parentOf(x)), RED);
19                     rotateRight(parentOf(parentOf(x)));
20                 }
21             } else {
22                 Entry<K,V> y = leftOf(parentOf(parentOf(x)));
23                 if (colorOf(y) == RED) {
24                     setColor(parentOf(x), BLACK);
25                     setColor(y, BLACK);
26                     setColor(parentOf(parentOf(x)), RED);
27                     x = parentOf(parentOf(x));
28                 } else {
29                     if (x == leftOf(parentOf(x))) {
30                         x = parentOf(x);
31                         rotateRight(x);
32                     }
33                     setColor(parentOf(x), BLACK);
34                     setColor(parentOf(parentOf(x)), RED);
35                     rotateLeft(parentOf(parentOf(x)));
36                 }
37             }
38         }
39         root.color = BLACK;
40 }

fixAfterInsertion，方法名直译过来就是插入之后做调整之意，
第2行，将新元素的结点置为红色，
第4行-38行，调整的过程。
第39行，将调整后的树结构的根置为黑色

下面我们着重来分析第4-38行代码，
第5行→①x的父结点等于x的父结点的父结点的左结点 → x的父结点是 x父结点的父结点的左结点，

以上3张图都符合，x的父结点是a，a的父结点是b，所以parentOf(x) == leftOf(parentOf(parentOf(x)))

用一句话来描述就是，x的父结点a是a的父结点的左孩子。

第6行，rightOf(parentOf(parentOf(x)))，x的父结点的父结点的右结点，记作y，

第7行，如果y为红色，把y变成黑色，把a变成黑色，把b变为红色（如下图所示），同时把x引用指向x的父结点的父结点也就是b结点，本次循环结束，继续下一轮的循环调整。

第7行，如果y是黑色，

如果x是结点的右结点，左旋转a（第13行-15行）此时x的引用指向了a，

第33行-35行，x（图中的a，因为x引用指向了a）的父结点（图中的x）变为黑色，x父结点(图中的a)的父结点变为红色，对x的父结点的父结点(图中的b)进行右旋

第7行，如果y是黑色，

如果x不是结点的右结点，【左旋转a（第13行-15行）此时x的引用指向了a】，把x的父结点变为黑色，把x的父结点的父结点变为红色，最后将x的父结点的父结点右旋

当前分支结束。

下面我们重新回到第5行，

第5行→②x的父结点不是 x父结点的父结点的左结点，换一句话说就是，

x的父结点是 x父结点的父结点的右结点，和上述情况比较类似，我们来看一组示意图，

以上3张图都符合，x的父结点是a，a的父结点是b，所以parentOf(x) == rightOf(parentOf(parentOf(x)))

用一句话来描述就是，x的父结点a是a的父结点的右孩子。

第22行，leftOf(parentOf(parentOf(x)))，x的父结点的父结点的左结点，记作y，

第23行，如果y为红色，把y变成黑色，把a变成黑色，把b变为红色（如下图所示），同时把x引用指向x的父结点的父结点也就是b结点，本次循环结束，继续下一轮的循环调整。

第23行，如果y是黑色，

如果x是结点的左结点，右旋转a（第29行-32行）此时x的引用指向了a，

当前分支结束，进入下一轮循环。

以上是对于TreeMap的put方法的解读，比较复杂。下面我简单总结一下fixAfterInsertion的过程

第1步，将新增的元素x置为红色，

第2步，判断新增元素x不为空，且不是root结点，且x的父结点是红色，如果满足，进入第3步，如果不满足跳到第16步，

第3步，判断x的父结点a是否是a的父结点的左结点，如果是，进入第4步，如果不是进入10步，

第4步，取出x父结点的父结点的右结点，记作y，

第5步，判断y的颜色是否为红色，如果是，进入第6步，如果不是进入7步，

第6步，x的父结点置为黑色，x父结点的父结点的右结点，即y置为黑色，x的父结点的父结点置为红色，x的引用指向x的父结点的父结点，跳到第2步，

第7步，判断x是否是x父结点的右结点，如果是，进入第8步，如果不是，进入第9步，

第8步，x的应用指向x的父结点，x左旋（注意，此时x指向的是原x的父结点）

第9步，x的父结点置为黑色，x的父结点的父结点置为红色，x的父结点的父结点右旋，跳到第2步，

第10步，取出x父结点的父结点的左结点，记作y，

第11步，判断y的颜色是否为红色，如果是，进入第12步，如果不是进入13步，

第12步，x的父结点置为黑色，x父结点的父结点的左结点，即y置为黑色，x的父结点的父结点置为红色，x的引用指向x的父结点的父结点，跳到第2步，

第13步，判断x是否是x父结点的左结点，如果是，进入第14步，如果不是，进入第15步，

第14步，x的引用指向x的父结点，x右旋（注意，此时x指向的是原x的父结点）

第15步，x的父结点置为黑色，x的父结点的父结点置为红色，x的父结点的父结点左旋，跳到第2步，

第16步，把根节点置为黑色。

由于内容较多，因此TreeMap源码解析分为上篇、中篇和下篇3部分，

下期预告

1 TreeMap<Integer, Integer> map = new TreeMap<Integer, Integer>();
2          map.put(50,3001);
3          map.put(30,3002);
4          map.put(70,3003);

本文提到的简单例子的树我们还没有建立起来，由于内容较多，所以打算，把这一部分也放在【java集合之TreeMap源码解析中篇】来讲解。谢谢关注。

转载于:https://www.cnblogs.com/sunshine798798/p/9118905.html

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