Java 黑马程序员学习笔记（进阶篇14）

1. 红黑树

(1) 红黑规则

红黑树通过以下规则保证 “自平衡”（本质是控制树的整体形态，避免极端不平衡）：

• 颜色二选一：每个节点的颜色只能是红色或黑色。
• 根黑原则：根节点必须是黑色。
• 叶黑原则：叶节点（用 NIL 表示，无子女 / 父节点的 “空节点”）是黑色。
• 红节点的子节点必黑：若一个节点是红色，它的子节点必须是黑色（禁止 “红 - 红” 连续）。
• 黑高一致：对任意节点，从该节点到其所有后代叶节点的路径上，包含的黑色节点数目相同（“黑高” 相同）。

(2) 默认颜色：新节点默认红色

红黑树添加新节点时，默认将节点颜色设为红色。这样设计的优势是：红色节点插入后更不容易直接违反红黑规则（尤其是 “不能有两个红色节点连续相连” 的规则），从而减少初始调整的概率，提升插入效率。

(3) 添加节点的分支处理规则

根据 “新节点是否为根”“父节点颜色”“叔叔节点颜色”“节点位置（父的左 / 右孩子）”，分支处理以满足红黑规则：

场景分类	具体条件	处理方式
新节点是根节点	——	直接将新节点颜色改为黑色（满足 “根节点必须是黑色” 的规则）。
新节点是非根，且父节点为黑色	——	无需任何操作（不违反红黑规则，5 条核心规则仍成立）。
新节点是非根，且父节点为红色	需进一步判断 “叔叔节点颜色” 和 “当前节点相对父的位置”，因为违反了 “不能有两个红色节点连续相连” 的规则。	1. 叔叔节点为红色：- 父、叔叔设为黑色；- 祖父设为红色；- 若祖父是根，再将祖父改回黑色；- 若祖父非根，将祖父作为新的 “当前节点”，继续上层判断。2. 叔叔节点为黑色，且当前节点是父的右孩子：- 将 “父节点” 作为新的 “当前节点”，执行左旋，转化为后续可处理的形态。3. 叔叔节点为黑色，且当前节点是父的左孩子：- 父设为黑色，祖父设为红色；- 以祖父节点为支点执行右旋，调整结构使规则满足。

2. Set 系列集合

(1) 核心特点：

① 整体特性：Set 是 Collection 接口的子接口，具备 无序（存储顺序与添加顺序无关）、不重复（自动去重）、无索引 的特点；方法与 Collection 的 API 基本一致（如 add、remove、contains 等）。

② 实现类差异：

• HashSet：无序、不重复、无索引，是最常用的 Set 实现类。
• LinkedHashSet：有序（保持元素 “插入顺序”）、不重复、无索引，底层通过 “链表 + 哈希表” 维护顺序。
• TreeSet：可排序（支持自然排序 / 自定义比较器排序）、不重复、无索引，底层基于红黑树实现排序。

3. HashSet 详解

(1) HashSet 的底层原理

HashSet 底层依赖哈希表（JDK8 后为 “数组 + 链表 + 红黑树” 的组合结构），核心机制与性能优化和红黑树密切相关：

• 数组：称为「哈希表」或「桶（Bucket）」，存储元素的引用（或链表头节点）。
• 链表：当多个元素的「哈希值」对应同一个数组下标时，用链表存储这些元素（解决「哈希冲突」）。
• 红黑树：当链表长度超过 8，且数组长度 ≥ 64 时，链表会自动转为红黑树（将查询效率从 O (n) 优化为 O (logn)）。

(2) HashSet 的去重原理

HashSet 之所以能「去重」，依赖 hashCode () 方法和 equals () 方法的协同工作，流程如下：

① 当向 HashSet 中添加元素 e 时，先调用 e.hashCode() 计算「哈希值」，根据哈希值确定元素在数组中的「目标下标」。

② 检查目标下标位置：

• 若该位置为空：直接将元素存入（无重复）。
• 若该位置不为空：遍历该位置的链表 / 红黑树，逐个比较已有元素与 e：
  • 先比较「哈希值」：若哈希值不同 → 不是重复元素，直接添加到链表 / 红黑树。
  • 若哈希值相同 → 再调用 equals() 比较内容：若 equals() 返回 true → 是重复元素，拒绝添加；若返回 false → 不是重复元素，添加到链表 / 红黑树。

③ 关键结论：存储自定义对象时，必须重写 hashCode () 和 equals ()，否则无法实现去重（默认用 Object 类的方法，比较的是地址值）。

(3) 案例 2：存储自定义对象（需重写 hashCode () 和 equals ()）

需求：存储「学生对象」，要求「学号相同则视为重复元素」。

import java.util.HashSet;// 学生类
class Student {private String id;   // 学号（唯一标识）private String name;// 构造方法public Student(String id, String name) {this.id = id;this.name = name;}// 重写 toString()：便于打印@Overridepublic String toString() {return "Student{id='" + id + "', name='" + name + "'}";}// 核心：重写 hashCode() 和 equals()（根据学号去重）@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true; // 地址相同 → 同一对象if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false; // 类型不同 → 不相等Student student = (Student) o;return id.equals(student.id); // 学号相同 → 相等}@Overridepublic int hashCode() {return id.hashCode(); // 哈希值由学号决定（保证学号相同的对象哈希值相同）}
}// 测试类
public class HashSetDemo2 {public static void main(String[] args) {HashSet<Student> studentSet = new HashSet<>();// 添加学生（学号相同的视为重复）studentSet.add(new Student("2024001", "张三"));studentSet.add(new Student("2024002", "李四"));studentSet.add(new Student("2024001", "张三")); // 学号相同，重复元素，添加失败// 遍历for (Student s : studentSet) {System.out.println(s); // 输出：// Student{id='2024001', name='张三'}// Student{id='2024002', name='李四'}}}
}

4. LinkedHashSet 详解

(1) 核心定义

LinkedHashSet 是 HashSet 的子类，底层基于「哈希表 + 双向链表」实现，核心特点是「保证元素的插入顺序」（解决 HashSet 的无序问题）。

(2) 核心特点

• 继承 HashSet 的所有特点：无重复、线程不安全、允许存 1 个 null。
• 额外特点：有序性：元素的遍历顺序 ≠ 存储顺序，而是 与插入顺序完全一致（底层双向链表维护顺序）。

(3) 底层原理

LinkedHashSet 底层依赖 LinkedHashMap 实现（构造方法创建 LinkedHashMap），而 LinkedHashMap 的底层是「哈希表（数组 + 链表 / 红黑树） + 双向链表」：

• 哈希表：作用与 HashSet 一致，负责快速存储和去重（依赖 hashCode () 和 equals ()）。
• 双向链表：额外维护元素的「插入顺序」—— 每个元素除了存储哈希表的关联信息，还会记录「前驱元素」和「后继元素」的引用，遍历时分直接按双向链表顺序读取，保证插入顺序。

5. TreeSet

(1) 概述

TreeSet 是 Java 集合框架中 Set 接口 的一个实现类，它的特点是：

• 元素唯一（无重复）
• 自动排序（默认升序，或按指定规则排序）
• 底层基于 TreeMap（红黑树结构）

(2) TreeSet 第一种排序方式

① 自然排序（Comparable）

• 元素类必须实现 java.lang.Comparable 接口
• 并重写 compareTo() 方法，定义排序规则
• 这是 TreeSet 的默认排序方式

② 示例：

package demo3;public class Student implements Comparable<Student> {private String name;private int age;public Student(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}@Overridepublic int compareTo(Student o) {// 先按年龄升序排序int result = this.age - o.age;// 如果年龄相同，再按姓名升序排序if (result == 0) {result = this.name.compareTo(o.name);}return result;}@Overridepublic String toString() {return "Student{" +"name='" + name + '\'' +", age=" + age +'}';}
}

(3) TreeSet 第一种排序方式

① 比较器排序（Comparator）

• 创建 TreeSet 时，传入一个 Comparator 接口的实现类对象
• 可以不用修改元素类代码，灵活定义排序规则

② 示例分析：

    public int compareTo(Student o) {int sum1 = this.getChinese() + this.getMath() + this.getEnglish();   //不太理解，// 为什么要用this，为什么要用getChinese()，而不是直接chinese，不是同一个类里面吗int sum2 = o.getChinese() + o.getMath() + o.getEnglish();   //不太理解

Q1：为什么用 getChinese() 而不是直接 chinese？

A1：访问权限问题：

• 如果 chinese 是 private，那么只能在当前类的当前实例中直接访问。
• 对于另一个对象 o（即使是同一个类），你不能直接访问 o.chinese。
• 所以必须用 o.getChinese() 这种公共方法去获取值。

Q2：为什么要用 this？

A2：this 代表当前对象（调用 compareTo 方法的那个对象）。

在 compareTo 里，你需要比较两个对象：

• this → 自己（调用者）
• o → 另一个对象（参数）