Java中的TreeMap put()方法

简介

TreeMap是Java中实现了SortedMap接口的一个集合类，TreeMap底层采用的是红黑树的数据结构。put()方法是TreeMap中向集合中添加元素的方法，本文将会介绍TreeMap put()方法的细节和使用方法。

语法格式

put()方法的函数原型为：

V put(K key, V value)

其中，K代表键，V代表值。该方法的意义是将键值对(key,value)存放到TreeMap中。如果TreeMap中已经存在该键，则使用新值替换旧值并返回旧值；如果TreeMap中不存在该键，则直接插入键值对并返回null。

示例

下面的示例展示了如何使用TreeMap put()方法进行添加和修改元素：

import java.util.TreeMap;

class Main {
  public static void main(String[] args) {
    TreeMap<String, Integer> treeMap = new TreeMap<>();

    // 向TreeMap中添加元素
    treeMap.put("apple", 1);
    treeMap.put("pear", 2);
    treeMap.put("banana", 3);

    System.out.println(treeMap); // 输出 {apple=1, banana=3, pear=2}

    // 修改TreeMap中的元素
    treeMap.put("pear", 4);

    System.out.println(treeMap); // 输出 {apple=1, banana=3, pear=4}
  }
}

输出：

{apple=1, banana=3, pear=2}
{apple=1, banana=3, pear=4}

接下来，本文将会详细讲解TreeMap put()方法的实现细节。

实现原理

TreeMap底层使用的数据结构是红黑树，Java的红黑树实现方式是基于Entry类，它是TreeMap的内部类。

每个Entry对象代表树中的一个节点，包括键值对(key,value)和指向左右子节点的指针(left,right)。TreeMap中维护了一个指向根节点的指针(root)，它代表树的根节点。

对于每个节点，它的左子节点的键值比它小，右子节点的键值比它大。而且，对于每个节点，它的左右子树的高度相差不超过1，这也是红黑树的平衡性的体现。

下面是put()方法的实现流程：

1. 检查传入的键值是否为null，如果是null则抛出NullPointerException异常；
2. 检查树是否为空，如果是空的，则创建一个新的节点作为树的根节点；
3. 将指针node指向根节点；
4. 循环查找插入位置：
   1. 将查找过程中经过的节点的指针prev指向当前节点node；
   2. 如果插入的键小于当前节点的键，则将指针node指向当前节点的左子节点；
   3. 如果插入的键大于当前节点的键，则将指针node指向当前节点的右子节点；
   4. 如果插入的键等于当前节点的键，则将当前节点的值替换为新值，并返回旧值；
   5. 如果指针node为null，则代表已经找到了要插入的位置，跳出循环；
5. 创建一个新的Entry对象，并将它的键值对设置为要插入的键值对；
6. 如果要插入的键小于prev节点的键，则将新节点设置为prev节点的左子节点；否则将新节点设置为prev节点的右子节点；
7. 新节点的父节点指针指向prev节点；
8. 将新节点按红黑树的平衡性进行旋转和染色操作；
9. 返回null。

红黑树的平衡性

红黑树是一种自平衡二叉搜索树，它能够保证在最坏情况下基本动态集合操作的时间复杂度为O(log n)。

在put()方法中，当新节点被插入后，红黑树可能会失去平衡。失去平衡的情况有以下两种：

1. 新节点被插入到红色节点的左或者右子节点的左或者右子节点上；
2. 新节点被插入到黑色节点的左或者右子节点的左和右子节点的右上。

为了保证红黑树的平衡性，需要进行旋转和染色两种操作。

旋转分为左旋和右旋：

1. 左旋：将x节点旋转为左子节点，y节点旋转为右子节点。

        x                    y
  y           c        a         x
a   b      =>          =>    b   c

2. 右旋：将y节点旋转为右子节点，x节点旋转为左子节点。

    y                     x
a       x       =>   y        c
      b   c        a    b    

染色分为红色和黑色：

1. 红色节点：节点代表着红色节点，用于解决新增或删除节点时颜色不平衡，容易破坏红黑树平衡性的问题；
2. 黑色节点：节点代表着黑色节点，在红黑树的染色问题中，黑色节点的平衡问题比较简单。

为了保证染色后的红黑树满足红黑树的五条性质，需要进行以下几种染色操作：

1. 红节点染黑，黑节点染红；
2. 红节点染黑，并将其父节点和爷爷节点染成红色；
3. 红节点染黑，并将其兄弟节点和兄弟节点的子节点染成红色。

总结

TreeMap put()方法是向TreeMap中添加元素的方法，它的使用非常简单，只需要传入要添加的键值对即可。

底层实现原理是基于红黑树的数据结构，红黑树能够保证基本动态集合操作的时间复杂度为O(log n)。

当插入新节点后，TreeMap可能会失去平衡，为了保证红黑树的平衡性，需要进行旋转和染色操作，使得红黑树保持平衡。