ℹ️ Как устроен под капотом TreeSet?

TreeSet — это коллекция, которая хранит уникальные элементы и автоматически сортирует их в натуральном порядке или по заданному Comparator. Под капотом используется самобалансирующееся красно-черное дерево, которое гарантирует, что добавление, удаление и поиск элементов будут происходить за логарифмическое время. В отличие от HashSet, TreeSet не только предотвращает дублирование элементов, но и поддерживает их упорядоченность.

🔹 Структура TreeSet

В основе TreeSet лежит красно-черное дерево — структура данных, которая поддерживает балансировку после каждой операции вставки или удаления. Т.е. дерево автоматически регулирует свою форму при каждом добавлении или удалении элемента, чтобы предотвратить чрезмерное «перерастание» дерева в одну сторону.
Элементы в TreeSet хранятся в виде узлов дерева:

▪️ Каждый узел содержит ключ и ссылки на дочерние узлы
▪️ Дерево автоматически сбалансировано — максимальная глубина любого пути от корня к листу в два раза меньше самой длинной возможной
▪️ Элементы располагаются в отсортированном порядке по мере добавления, что гарантирует логарифмическую сложность поиска и вставки

🔹 Производительность

▪️ Добавление: При добавлении элемента дерево балансируется, чтобы соблюсти свойства красно-черного дерева. Это обеспечивает сложность добавления O(log n).
▪️ Удаление: Работает схожим образом — дерево ребалансируется, а ссылки между узлами корректируются. Удаление также выполняется за O(log n).
▪️ Поиск: Благодаря сбалансированной структуре, поиск элемента в TreeSet занимает O(log n), что делает его быстрее, чем линейный поиск в несбалансированных структурах.

🔹 Использование памяти

Каждый узел в TreeSet хранит не только ключ, но и ссылки на дочерние узлы (левый и правый). Это создает определенные накладные расходы по памяти, ведь для каждого элемента требуется больше памяти, чем, например, в HashSet, где хранятся лишь сами элементы.

🔹 Преимущества и недостатки

▪️ Преимущества:
- Гарантированный порядок элементов: В отличие от HashSet, TreeSet хранит элементы в отсортированном виде. Это важно, если нужно быстро получать минимальные, максимальные или средние значения без дополнительной сортировки. Также можно извлекать диапазоны значений с помощью методов вроде subSet().
- Навигационные методы: TreeSet предоставляет мощные инструменты для навигации по набору, такие как методы для поиска ближайших элементов (floor(), ceiling()), что делает его удобным для задач с диапазонами данных.
▪️ Недостатки:
- Производительность: Операции в TreeSet медленнее, чем в HashSet.
- Большие накладные расходы по памяти: Для каждого элемента TreeSet требуется хранить дополнительные ссылки на дочерние узлы, что увеличивает потребление памяти.