Java：TreeSet的使用

目录

一、概念

二、常用操作

2.1 初始化排序规则

2.2 CRUD

2.3 遍历

2.4 自定义对象排序

2.5 实际应用示例：学生成绩

三、与HashSet对比

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一、概念

TreeSet 实现了 Set 接口和 NavigableSet 接口（继承了 SortedSet 接口），基于 TreeMap 实现。TreeSet 中的元素是有序的，且不允许重复。

• Set：首先，它是一个 Set，这意味着它不允许重复元素。如果你尝试添加一个已经存在的元素，add() 方法会返回 false。

• SortedSet：其次，它是一个 SortedSet，这意味着它会自动对其中所有元素进行排序。

• NavigableSet：它进一步提供了丰富的导航方法，例如查找“小于等于”、“大于等于”某个元素的最近元素等。

核心特点：

• 有序性：元素按照自然顺序或指定的比较器进行排序

• 唯一性：不允许重复元素

• 基于红黑树：底层使用 TreeMap 实现，保证了高效的查找、插入和删除操作。红黑树是自平衡二叉查找树。

  • 二叉查找树 (BST)：在 BST 中，每个节点都大于其左子树中的任意节点，且小于其右子树中的任意节点。这使得查找、插入和删除操作的平均时间复杂度为 O(log n)。

  • 自平衡：普通的 BST 在插入有序数据时会退化成链表，操作复杂度变为 O(n)。红黑树通过一套复杂的旋转和变色规则来确保树始终保持大致平衡，从而保证了最坏情况下，查找、插入、删除的时间复杂度也是 O(log n)。

• 非线程安全：需要外部同步才能在多线程环境中使用

注意事项：

• 排序一致性：确保你的 Comparable 或 Comparator 实现与 equals() 逻辑一致，这是正确性的基础。

• null 值：尽量避免向 TreeSet 中添加 null，除非你的比较器能明确处理它。

二、常用操作

2.1 初始化排序规则

// 使用自然排序（元素必须实现 Comparable 接口）
TreeSet<String> treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add("Orange");
treeSet.add("Apple");
treeSet.add("Banana");
// 输出：[Apple, Banana, Orange]
System.out.println(treeSet);// 使用自定义比较器
TreeSet<String> customTreeSet = new TreeSet<>((a, b) -> b.compareTo(a)); // 逆序
customTreeSet.add("Orange");
customTreeSet.add("Apple");
customTreeSet.add("Banana");
// 输出：[Orange, Banana, Apple]
System.out.println(customTreeSet);// 举例：按字符串长度排序
TreeSet<String> lengthSet = new TreeSet<>(new Comparator<String>() {@Overridepublic int compare(String s1, String s2) {int lenDiff = s1.length() - s2.length();// 如果长度相同，再用自然排序区分，否则会被视为相同元素而无法添加return (lenDiff != 0) ? lenDiff : s1.compareTo(s2);}
});

2.2 CRUD

// 添加元素
TreeSet<Integer> numbers = new TreeSet<>();
numbers.add(5);
numbers.add(2);
numbers.add(8);
numbers.add(1);
// 输出：[1, 2, 5, 8]
System.out.println(numbers);// 删除元素
numbers.remove(2); // 删除指定元素
numbers.pollFirst(); // 删除并返回第一个元素
numbers.pollLast(); // 删除并返回最后一个元素// 查询操作
TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>();
for (int i = 1; i <= 10; i++) {set.add(i);
}
// 基本查询
System.out.println("First: " + set.first()); // 1
System.out.println("Last: " + set.last());   // 10
// 范围查询
System.out.println("HeadSet (<5): " + set.headSet(5));       // [1, 2, 3, 4]
System.out.println("TailSet (≥5): " + set.tailSet(5));       // [5, 6, 7, 8, 9, 10]
System.out.println("SubSet (3-7): " + set.subSet(3, 7));     // [3, 4, 5, 6]
// 邻近元素查询
System.out.println("Lower(5): " + set.lower(5));     // 4
System.out.println("Floor(5): " + set.floor(5));     // 5
System.out.println("Higher(5): " + set.higher(5));   // 6
System.out.println("Ceiling(5): " + set.ceiling(5)); // 5

方法	描述
E first()	返回当前集合中的第一个（最低）元素。
E last()	返回当前集合中的最后一个（最高）元素。
E lower(E e)	返回严格小于给定元素的最大元素，没有则返回 null。
E floor(E e)	返回小于等于给定元素的最大元素，没有则返回 null。
E higher(E e)	返回严格大于给定元素的最小元素，没有则返回 null。
E ceiling(E e)	返回大于等于给定元素的最小元素，没有则返回 null。
E pollFirst()	移除并返回第一个元素，如果集合为空则返回 null。
E pollLast()	移除并返回最后一个元素，如果集合为空则返回 null。
NavigableSet<E> descendingSet()	返回一个此集合的逆序视图。
Iterator<E> descendingIterator()	返回一个逆序迭代器。
NavigableSet<E> headSet(E toElement, boolean inclusive)	返回此集合中小于（或等于） toElement 的部分视图。
NavigableSet<E> tailSet(E fromElement, boolean inclusive)	返回此集合中大于（或等于） fromElement 的部分视图。
NavigableSet<E> subSet(E fromElement, boolean fromInclusive, E toElement, boolean toInclusive)	返回此集合中从 fromElement 到 toElement 的范围视图。

2.3 遍历

// 使用迭代器
Iterator<Integer> iterator = set.iterator();
while (iterator.hasNext()) {System.out.println(iterator.next());
}// 使用增强for循环
for (Integer num : set) {System.out.println(num);
}// 使用降序迭代器
Iterator<Integer> descIterator = set.descendingIterator();
while (descIterator.hasNext()) {System.out.println(descIterator.next());
}

2.4 自定义对象排序

方法一：实现 Comparable 接口

要让自定义对象能够在 TreeSet 中正确排序，需要实现 Comparable 接口或提供 Comparator。

class Person implements Comparable<Person> {private String name;private int age;public Person(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}@Overridepublic int compareTo(Person other) {return Integer.compare(this.age, other.age);}@Overridepublic String toString() {return name + "(" + age + ")";}
}// 使用
TreeSet<Person> people = new TreeSet<>();
people.add(new Person("Alice", 25));
people.add(new Person("Bob", 30));
people.add(new Person("Charlie", 20));// 输出：[Charlie(20), Alice(25), Bob(30)]
System.out.println(people);

方法二：使用 Comparator

TreeSet<Person> peopleByName = new TreeSet<>(Comparator.comparing(Person::getName)
);
peopleByName.add(new Person("Alice", 25));
peopleByName.add(new Person("Bob", 30));
peopleByName.add(new Person("Charlie", 20));// 输出：[Alice, Bob, Charlie]

2.5 实际应用示例：学生成绩

public class TreeSetExample {public static void main(String[] args) {// 创建一个存储学生成绩的TreeSetTreeSet<Student> students = new TreeSet<>(Comparator.comparing(Student::getScore).reversed().thenComparing(Student::getName));students.add(new Student("Alice", 85));students.add(new Student("Bob", 92));students.add(new Student("Charlie", 85));students.add(new Student("David", 78));// 输出前三名System.out.println("Top 3 students:");Iterator<Student> it = students.iterator();for (int i = 0; i < 3 && it.hasNext(); i++) {System.out.println((i + 1) + ". " + it.next());}// 查找成绩在80分以上的学生System.out.println("\nStudents with score ≥ 80:");Student dummy = new Student("", 80);for (Student s : students.tailSet(dummy)) {System.out.println(s);}}
}class Student {private String name;private int score;public Student(String name, int score) {this.name = name;this.score = score;}public String getName() { return name; }public int getScore() { return score; }@Overridepublic String toString() {return name + ": " + score;}
}

三、与HashSet对比

特性	TreeSet	HashSet
底层数据结构	红黑树	哈希表
元素顺序	有序（按比较规则排序）	无序（不保证迭代顺序）
add, remove, contains 性能	O(log n)	O(1)（平均情况）
允许 null	不允许（取决于Comparator）	允许一个 null 元素
比较方式	使用 compareTo() 或 Comparator	使用 hashCode() 和 equals()
接口实现	NavigableSet, SortedSet	Set