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054_TreeMap / LinkedHashMap

news 2025/7/23 9:04:28

一、概述

TreeMap和LinkedHashMap均是Java集合框架中Map接口的重要实现类，在保留Map接口“键值对映射”核心特性的基础上，分别提供了排序能力和顺序保留能力，适用于不同的业务场景。

TreeMap：基于红黑树实现，支持键的排序（自然排序或定制排序），元素按键的顺序存储和访问。
LinkedHashMap：基于哈希表+双向链表实现，保留键值对的插入顺序或访问顺序，兼具哈希表的高效查询和链表的有序性。

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二、TreeMap详解

2.1 底层结构与核心原理

TreeMap底层基于红黑树（一种自平衡二叉搜索树） 实现，其核心原理是通过红黑树的特性保证键的有序性：

红黑树的每个节点存储一个键值对（Entry<K,V>），键的大小关系决定节点在树中的位置。
左子树的所有节点键值小于父节点键值，右子树的所有节点键值大于父节点键值（二叉搜索树特性）。
通过红黑树的自平衡机制（旋转和变色），保证树的高度始终为O(log n)，确保增删改查的高效性。

2.2 核心特性

特点	说明
有序性	元素按键的排序规则存储（非插入顺序），默认升序，可通过比较器定制排序方向。
键唯一性	依赖键的比较结果去重：若两键通过compareTo()（或compare()）返回0，则视为重复键，新值覆盖旧值。
键可比较性	键必须实现Comparable接口（自然排序）或通过构造器传入Comparator（定制排序），否则插入时抛出ClassCastException。
无null键	不允许存储null键（排序时无法比较null），但允许null值。
线程不安全	非同步实现，多线程并发修改需额外同步（如Collections.synchronizedMap()）。
性能	增删改查时间复杂度均为O(log n)（红黑树平衡操作开销）。

2.3 排序方式

自然排序（默认）
键所属类实现Comparable接口，重写compareTo(T o)方法定义排序规则：

// 自定义键类型（按年龄升序排序）
class User implements Comparable<User> {private String name;private int age;public User(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}// 按年龄升序排序，年龄相同则按姓名排序@Overridepublic int compareTo(User o) {if (this.age != o.age) {return this.age - o.age;}return this.name.compareTo(o.name);}
}

定制排序（外部比较器）
创建TreeMap时传入Comparator接口实现类，自定义排序规则（无需键类实现Comparable）：

// 定制排序：按User的年龄降序
Comparator<User> ageDescComparator = (u1, u2) -> u2.age - u1.age;
Map<User, String> treeMap = new TreeMap<>(ageDescComparator);

2.4 常用方法与示例

核心方法：

方法定义	功能说明
V put(K key, V value)	插入键值对，按排序规则存储，键重复则覆盖旧值。
V get(Object key)	获取指定键对应的值，不存在则返回null。
K firstKey()	返回最小的键（按排序规则）。
K lastKey()	返回最大的键（按排序规则）。
K ceilingKey(K key)	返回大于等于key的最小键，不存在则返回null。
K floorKey(K key)	返回小于等于key的最大键，不存在则返回null。
NavigableSet keySet()	返回键的有序集合，支持导航操作（如descendingSet()逆序遍历）。

示例代码：

import java.util.TreeMap;public class TreeMapDemo {public static void main(String[] args) {// 自然排序：按String的字典序（升序）TreeMap<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>();treeMap.put("Banana", 2);treeMap.put("Apple", 1);treeMap.put("Cherry", 3);// 遍历：按键的升序输出System.out.println("键有序遍历：" + treeMap.keySet()); // [Apple, Banana, Cherry]// 导航方法System.out.println("最小键：" + treeMap.firstKey()); // AppleSystem.out.println("大于等于'B'的最小键：" + treeMap.ceilingKey("B")); // BananaSystem.out.println("小于等于'B'的最大键：" + treeMap.floorKey("B")); // Banana}
}

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2.5 适用场景

需要按键排序的场景（如排行榜、字典序查询、区间统计）。
需导航操作的场景（如获取小于/大于指定键的元素、逆序遍历）。
键具有自然排序或可通过比较器定义排序规则的场景。

三、LinkedHashMap详解

3.1 底层结构与核心原理

LinkedHashMap底层基于哈希表（HashMap）+双向链表实现，继承自HashMap，在哈希表的基础上通过双向链表维护键值对的顺序，核心原理是：

哈希表：保证键的唯一性和高效查询（同HashMap，通过hashCode()和equals()去重）。
双向链表：每个节点包含before和after指针，记录节点的前驱和后继，维护键值对的顺序（插入顺序或访问顺序）。

LinkedHashMap通过accessOrder参数（默认false）控制顺序类型：

accessOrder = false（默认）：按插入顺序排序（插入早的节点在链表前）。
accessOrder = true：按访问顺序排序（最近访问的节点移至链表尾部，可实现LRU缓存）。

3.2 核心特性

特点	说明
有序性	按插入顺序（默认）或访问顺序（accessOrder = true）存储和遍历。
键唯一性	同HashMap，依赖hashCode()和equals()保证键的唯一性。
查询性能	同哈希表特性，get()和containsKey()时间复杂度为O(1)（无哈希冲突时）。
允许null键/值	最多存储一个null键，可存储任意数量的null值。
线程不安全	非同步实现，多线程并发修改需额外同步（如Collections.synchronizedMap()）。
内存开销	比HashMap大（需存储双向链表的before和after指针）。

3.3 常用方法与示例

核心方法（继承自HashMap，新增顺序相关特性）：

方法定义	功能说明
LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor, boolean accessOrder)	构造器：指定初始容量、加载因子和顺序类型（accessOrder控制插入/访问顺序）。
void clear()	清空所有键值对，重写自HashMap，同时清空双向链表。
Set<Map.Entry<K,V>> entrySet()	返回键值对集合，遍历顺序为链表维护的顺序（插入或访问顺序）。

示例1：插入顺序维护

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;public class LinkedHashMapInsertOrderDemo {public static void main(String[] args) {// 默认accessOrder = false：按插入顺序排序Map<String, Integer> linkedMap = new LinkedHashMap<>();linkedMap.put("Apple", 1);linkedMap.put("Banana", 2);linkedMap.put("Cherry", 3);// 遍历：按插入顺序输出System.out.println("插入顺序遍历：");for (Map.Entry<String, Integer> entry : linkedMap.entrySet()) {System.out.println(entry.getKey() + " : " + entry.getValue());}// 输出：Apple : 1 → Banana : 2 → Cherry : 3（与插入顺序一致）}
}

示例2：访问顺序维护（LRU缓存基础）

import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.Map;// 按访问顺序排序（最近访问的元素在尾部）
public class LinkedHashMapAccessOrderDemo {public static void main(String[] args) {// accessOrder = true：按访问顺序排序Map<String, Integer> lruMap = new LinkedHashMap<>(16, 0.75f, true);lruMap.put("A", 1);lruMap.put("B", 2);lruMap.put("C", 3);lruMap.get("A"); // 访问"A"，触发顺序调整lruMap.get("B"); // 访问"B"，触发顺序调整// 遍历：最近访问的元素在尾部System.out.println("访问顺序遍历：");for (Map.Entry<String, Integer> entry : lruMap.entrySet()) {System.out.println(entry.getKey()); // 输出：C → A → B（B最近访问，在最后）}}
}

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3.4 适用场景

需保留插入顺序的场景（如日志记录、历史操作轨迹、配置项映射）。
LRU缓存实现（accessOrder = true，最近访问的元素保留，淘汰最久未访问元素）。
频繁遍历且需顺序一致的场景（迭代性能优于HashMap，无需遍历哈希表空桶）。

四、TreeMap与LinkedHashMap对比

维度	TreeMap	LinkedHashMap
底层结构	红黑树	哈希表+双向链表
有序性类型	键的排序顺序（自然/定制排序）	插入顺序或访问顺序
键要求	必须可比较（Comparable/Comparator）	无特殊要求（支持任意对象）
键唯一性依据	compareTo()/compare()返回0	hashCode()+equals()
null键支持	不允许（抛NullPointerException）	允许（最多1个null键）
核心操作性能	增删改查O(log n)（红黑树平衡）	增删改查O(1)（同HashMap，链表维护开销略高）
迭代性能	中（红黑树中序遍历）	高（链表顺序迭代，无空桶）
典型应用	排序映射、区间查询、导航操作	顺序保留、LRU缓存、日志记录

五、使用注意事项与最佳实践

5.1 TreeMap注意事项

键的比较一致性：排序规则（compareTo()/compare()）需与equals()逻辑一致（若compareTo()返回0，则equals()应返回true），否则可能出现“逻辑重复键”。
避免频繁修改排序规则：键的比较属性若被修改，可能导致红黑树结构混乱（建议使用不可变对象作为键）。
导航方法利用：充分使用ceilingKey()、floorKey()等导航方法，简化区间查询逻辑。

5.2 LinkedHashMap注意事项

初始容量设置：同HashMap，预估容量减少扩容次数（如new LinkedHashMap<>(100)）。

LRU缓存实现：重写removeEldestEntry(Map.Entry<K,V> eldest)方法，定义淘汰规则（如超过容量时删除最久未访问元素）：

// LRU缓存示例（容量为3）
Map<String, Integer> lruCache = new LinkedHashMap<>(3, 0.75f, true) {@Overrideprotected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<String, Integer> eldest) {return size() > 3; // 容量超过3时，删除最久未访问元素}
};