Java TreeSet 完全指南 | Baeldung中文网

1. 概述

本文将深入探讨 Java 集合框架中的核心组件之一——TreeSet，这是最常用的 Set 实现之一。我们将从基础特性到高级用法，全面解析这个有序集合。

2. TreeSet 基础

简单来说，TreeSet 是一个有序集合，它继承自 AbstractSet 类并实现了 NavigableSet 接口。以下是它的核心特性：

✅ 存储唯一元素
❌ 不保留插入顺序
✅ 元素按升序排序
❌ 非线程安全

TreeSet 内部使用自平衡二叉搜索树（红黑树）实现。每个节点包含一个额外的颜色位（红/黑），在插入和删除时通过颜色调整保持树的大致平衡。

创建 TreeSet 实例：

Set<String> treeSet = new TreeSet<>();

2.1. 带比较器的 TreeSet

我们可以通过构造函数指定排序规则，使用 Comparable 或 Comparator：

Set<String> treeSet = new TreeSet<>(Comparator.comparing(String::length));

虽然 TreeSet 非线程安全，但可通过 Collections.synchronizedSet() 包装实现同步：

Set<String> syncTreeSet = Collections.synchronizedSet(treeSet);

3. TreeSet add() 方法

add() 方法用于添加元素，成功返回 true，元素已存在则返回 false。方法契约规定：仅当元素不存在时才添加。

@Test
public void whenAddingElement_shouldAddElement() {
    Set<String> treeSet = new TreeSet<>();
    assertTrue(treeSet.add("String Added"));
}

add() 方法揭示了 TreeSet 的内部实现：它依赖 TreeMap 的 put() 方法存储元素：

public boolean add(E e) {
    return m.put(e, PRESENT) == null;
}

其中 m 是内部 NavigableMap（TreeMap 实现）：

private transient NavigableMap<E, Object> m;

4. TreeSet contains() 方法

contains() 检查元素是否存在，存在返回 true，否则 false：

@Test
public void whenCheckingForElement_shouldSearchForElement() {
    Set<String> treeSetContains = new TreeSet<>();
    treeSetContains.add("String Added");
    assertTrue(treeSetContains.contains("String Added"));
}

5. TreeSet remove() 方法

remove() 删除指定元素，成功删除返回 true：

@Test
public void whenRemovingElement_shouldRemoveElement() {
    Set<String> removeFromTreeSet = new TreeSet<>();
    removeFromTreeSet.add("String Added");
    assertTrue(removeFromTreeSet.remove("String Added"));
}

6. TreeSet clear() 方法

clear() 清空所有元素：

@Test
public void whenClearingTreeSet_shouldClearTreeSet() {
    Set<String> clearTreeSet = new TreeSet<>();
    clearTreeSet.add("String Added");
    clearTreeSet.clear();
    assertTrue(clearTreeSet.isEmpty());
}

7. TreeSet size() 方法

size() 返回元素数量：

@Test
public void whenCheckingTheSizeOfTreeSet_shouldReturnThesize() {
    Set<String> treeSetSize = new TreeSet<>();
    treeSetSize.add("String Added");
    assertEquals(1, treeSetSize.size());
}

8. TreeSet isEmpty() 方法

isEmpty() 判断集合是否为空：

@Test
public void whenCheckingForEmptyTreeSet_shouldCheckForEmpty() {
    Set<String> emptyTreeSet = new TreeSet<>();
    assertTrue(emptyTreeSet.isEmpty());
}

9. TreeSet iterator() 方法

iterator() 返回升序迭代器，迭代器是 fail-fast 的：

@Test
public void whenIteratingTreeSet_shouldIterateTreeSetInAscendingOrder() {
    Set<String> treeSet = new TreeSet<>();
    treeSet.add("First");
    treeSet.add("Second");
    treeSet.add("Third");
    Iterator<String> itr = treeSet.iterator();
    while (itr.hasNext()) {
        System.out.println(itr.next());
    }
}

TreeSet 还支持降序迭代：

@Test
public void whenIteratingTreeSet_shouldIterateTreeSetInDescendingOrder() {
    TreeSet<String> treeSet = new TreeSet<>();
    treeSet.add("First");
    treeSet.add("Second");
    treeSet.add("Third");
    Iterator<String> itr = treeSet.descendingIterator();
    while (itr.hasNext()) {
        System.out.println(itr.next());
    }
}

迭代期间若非通过迭代器修改集合，会抛 ConcurrentModificationException：

@Test(expected = ConcurrentModificationException.class)
public void whenModifyingTreeSetWhileIterating_shouldThrowException() {
    Set<String> treeSet = new TreeSet<>();
    treeSet.add("First");
    treeSet.add("Second");
    treeSet.add("Third");
    Iterator<String> itr = treeSet.iterator();
    while (itr.hasNext()) {
        itr.next();
        treeSet.remove("Second"); // ❌ 直接修改集合
    }
}

正确做法是使用迭代器的 remove()：

@Test
public void whenRemovingElementUsingIterator_shouldRemoveElement() {
    Set<String> treeSet = new TreeSet<>();
    treeSet.add("First");
    treeSet.add("Second");
    treeSet.add("Third");
    Iterator<String> itr = treeSet.iterator();
    while (itr.hasNext()) {
        String element = itr.next();
        if (element.equals("Second"))
           itr.remove(); // ✅ 安全删除
    }
    assertEquals(2, treeSet.size());
}

⚠️ fail-fast 行为不保证：在未同步的并发修改中无法提供硬性保证。

10. TreeSet first() 方法

first() 返回首个元素，空集合抛 NoSuchElementException：

@Test
public void whenCheckingFirstElement_shouldReturnFirstElement() {
    TreeSet<String> treeSet = new TreeSet<>();
    treeSet.add("First");
    assertEquals("First", treeSet.first());
}

11. TreeSet last() 方法

last() 返回末尾元素：

@Test
public void whenCheckingLastElement_shouldReturnLastElement() {
    TreeSet<String> treeSet = new TreeSet<>();
    treeSet.add("First");
    treeSet.add("Last");
    assertEquals("Last", treeSet.last());
}

12. TreeSet subSet() 方法

subSet() 返回 [fromElement, toElement) 范围内的元素：

@Test
public void whenUsingSubSet_shouldReturnSubSetElements() {
    SortedSet<Integer> treeSet = new TreeSet<>();
    treeSet.add(1);
    treeSet.add(2);
    treeSet.add(3);
    treeSet.add(4);
    treeSet.add(5);
    treeSet.add(6);
    
    Set<Integer> expectedSet = new TreeSet<>();
    expectedSet.add(2);
    expectedSet.add(3);
    expectedSet.add(4);
    expectedSet.add(5);

    Set<Integer> subSet = treeSet.subSet(2, 6);
    assertEquals(expectedSet, subSet);
}

13. TreeSet headSet() 方法

headSet() 返回小于指定元素的所有元素：

@Test
public void whenUsingHeadSet_shouldReturnHeadSetElements() {
    SortedSet<Integer> treeSet = new TreeSet<>();
    treeSet.add(1);
    treeSet.add(2);
    treeSet.add(3);
    treeSet.add(4);
    treeSet.add(5);
    treeSet.add(6);

    Set<Integer> subSet = treeSet.headSet(6);
    assertEquals(subSet, treeSet.subSet(1, 6));
}

14. TreeSet tailSet() 方法

tailSet() 返回大于等于指定元素的所有元素：

@Test
public void whenUsingTailSet_shouldReturnTailSetElements() {
    NavigableSet<Integer> treeSet = new TreeSet<>();
    treeSet.add(1);
    treeSet.add(2);
    treeSet.add(3);
    treeSet.add(4);
    treeSet.add(5);
    treeSet.add(6);

    Set<Integer> subSet = treeSet.tailSet(3);
    assertEquals(subSet, treeSet.subSet(3, true, 6, true));
}

15. 存储 Null 元素

Java 7 之前可向空 TreeSet 添加 null，但这被视为 bug。TreeSet 现已不再支持 null。

添加元素时需排序，null 无法与任何值比较，导致 NullPointerException：

@Test(expected = NullPointerException.class)
public void whenAddingNullToNonEmptyTreeSet_shouldThrowException() {
    Set<String> treeSet = new TreeSet<>();
    treeSet.add("First");
    treeSet.add(null); // ❌ 抛出异常
}

元素必须实现 Comparable 或被指定 Comparator 接受，且元素间必须可相互比较：

class Element {
    private Integer id;
    // 其他方法...
}

Comparator<Element> comparator = (ele1, ele2) -> {
    return ele1.getId().compareTo(ele2.getId());
};

@Test
public void whenUsingComparator_shouldSortAndInsertElements() {
    Set<Element> treeSet = new TreeSet<>(comparator);
    Element ele1 = new Element();
    ele1.setId(100);
    Element ele2 = new Element();
    ele2.setId(200);
    
    treeSet.add(ele1);
    treeSet.add(ele2);
    
    System.out.println(treeSet);
}

16. TreeSet 性能分析

与 HashSet 相比，TreeSet 性能较低：

add/remove/search 操作：O(log n)
遍历 n 个元素：O(n)

TreeSet 的适用场景：

✅ 需要保持元素有序时
✅ 需要频繁访问相邻元素时（利用局部性原理）
✅ 内存受限时（红黑树结构更紧凑）
✅ 数据从硬盘读取时（局部性减少 I/O 开销）

局部性原理：相似数据被频繁访问时，TreeSet 将它们存储在内存相近位置，提升访问效率。

17. 总结

本文全面解析了 Java TreeSet 的核心特性和使用方法。TreeSet 通过红黑树实现自动排序和去重，在需要有序集合的场景下是理想选择。虽然性能略低于 HashSet，但其有序性和局部性优势在特定场景下不可替代。

所有代码示例可在 GitHub 获取。

Persistence

REST

Security