S11L10 - Java 集合框架中的 TreeMap

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精通Java集合中的TreeMap：全面指南
目录

简介 ............................................. 1
理解TreeMap与HashMap的区别 ... 3
在Java中实现TreeMap .......... 7
在TreeMap中使用自定义对象 .............................................. 12
实现Comparable接口 .................................................................................. 18
常见陷阱与最佳实践 ................................................................. 25
结论 ..................................................... 30


简介
欢迎阅读精通Java集合中的TreeMap：全面指南。在Java编程领域，理解各种集合框架对于高效的数据管理和操作至关重要。本电子书深入探讨了Java的Collections Framework中的TreeMap类，探索其功能、优势和实际应用。
无论您是刚开始学习Java的初学者，还是希望提升技能的资深开发者，本指南都为您提供了优化使用TreeMap的宝贵见解。我们将探讨关键概念，将TreeMap与其他集合如HashMap进行比较，并通过实用的代码示例提供详细的解释。

理解TreeMap与HashMap的区别
概述
在Java的Collections Framework中，TreeMap和HashMap都是Map接口的实现，旨在存储键值对。然而，它们在底层机制、性能特性和使用场景上存在显著差异。
关键区别


特性
TreeMap
HashMap


排序
基于键的自然排序或自定义Comparator进行排序
没有保证的顺序


性能
put、get、remove操作的时间复杂度为O(log n)
put、get、remove操作的时间复杂度为O(1)（平均情况）


空键
不允许空键
允许一个空键


使用场景
需要排序顺序或需要基于范围的操作时使用
需要快速访问且不受顺序限制时使用


何时使用TreeMap

排序数据：如果您的应用需要按照特定顺序维护数据，尤其是按键排序。
范围查询：当您需要执行基于范围的操作，例如检索某个范围内的所有条目。
可导航功能：TreeMap提供了额外的导航方法，如ceilingKey、floorKey、firstKey和lastKey，这些对于特定操作非常有用。

优缺点
TreeMap
优点：

保持键的排序顺序。
提供用于范围和最近键查询的可导航方法。
对于需要有序遍历的场景非常高效。

缺点：

由于其底层的红黑树结构，基本操作的性能比HashMap慢。
不允许空键，在某些场景下可能会有局限性。

HashMap
优点：

基本操作具有常数时间复杂度，平均情况下更快。
允许一个空键和多个空值。
适用于性能优先的大型数据集。

缺点：

条目没有内在的排序顺序。
不适用于需要排序数据或范围查询的场景。

表格比较


方面
TreeMap
HashMap


实现
红黑树
哈希表


时间复杂度
put、get、remove的时间复杂度为O(log n)
put、get、remove的时间复杂度为O(1)（平均情况）


排序
按键排序
无序


空键
不允许
允许一个空键


内存开销
由于树结构，内存开销较大
较低



在Java中实现TreeMap
开始使用TreeMap
要在Java应用中使用TreeMap，您需要导入相关类并了解其基本操作。以下是实现TreeMap的分步指南。
基本操作

导入TreeMap：





		
		
			
			
Java
			
			import java.util.TreeMap;

			
				
					
				
					1
2
				
						import java.util.TreeMap;
 
					
				
			
		



创建TreeMap实例：





		
		
			
			
Java
			
			TreeMap&lt;String, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();

			
				
					
				
					1
2
				
						TreeMap&lt;String, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();
 
					
				
			
		



添加条目：





		
		
			
			
Java
			
			treeMap.put("A1", "Afia");
treeMap.put("A2", "Alex");
treeMap.put("A2", "Rahul"); // 这将替换键 "A2" 的值

			
				
					
				
					1
2
3
4
				
						treeMap.put("A1", "Afia");
treeMap.put("A2", "Alex");
treeMap.put("A2", "Rahul"); // 这将替换键 "A2" 的值
 
					
				
			
		



检索条目：





		
		
			
			
Java
			
			String value = treeMap.get("A2"); // 返回 "Rahul"

			
				
					
				
					1
2
				
						String value = treeMap.get("A2"); // 返回 "Rahul"
 
					
				
			
		



迭代条目：





		
		
			
			
Java
			
			for (Map.Entry&lt;String, String&gt; entry : treeMap.entrySet()) {
    System.out.println(entry.getKey() + " : " + entry.getValue());
}

			
				
					
				
					1
2
3
4
				
						for (Map.Entry&lt;String, String&gt; entry : treeMap.entrySet()) {
    System.out.println(entry.getKey() + " : " + entry.getValue());
}
 
					
				
			
		


演示
考虑以下示例，突出显示了TreeMap与HashMap的行为差异：




		
		
			
			
Java
			
			import java.util.HashMap;
import java.util.TreeMap;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用HashMap
        HashMap&lt;String, String&gt; hashMap = new HashMap&lt;&gt;();
        hashMap.put("A2", "Alex");
        hashMap.put("A2", "Rahul");
        System.out.println("HashMap Output:");
        hashMap.forEach((key, value) -&gt; System.out.println(key + " : " + value));

        // 使用TreeMap
        TreeMap&lt;String, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();
        treeMap.put("A0", "Afia");
        treeMap.put("A1", "Bob");
        treeMap.put("A2", "Alex");
        treeMap.put("A2", "Rahul");
        System.out.println("\nTreeMap Output:");
        treeMap.forEach((key, value) -&gt; System.out.println(key + " : " + value));
    }
}

			
				
					
				
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						import java.util.HashMap;
import java.util.TreeMap;
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        // 使用HashMap
        HashMap&lt;String, String&gt; hashMap = new HashMap&lt;&gt;();
        hashMap.put("A2", "Alex");
        hashMap.put("A2", "Rahul");
        System.out.println("HashMap Output:");
        hashMap.forEach((key, value) -&gt; System.out.println(key + " : " + value));
 
        // 使用TreeMap
        TreeMap&lt;String, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();
        treeMap.put("A0", "Afia");
        treeMap.put("A1", "Bob");
        treeMap.put("A2", "Alex");
        treeMap.put("A2", "Rahul");
        System.out.println("\nTreeMap Output:");
        treeMap.forEach((key, value) -&gt; System.out.println(key + " : " + value));
    }
}
 
					
				
			
		


输出：




		
		
			
			
Java
			
			HashMap Output:
A2 : Rahul

TreeMap Output:
A0 : Afia
A1 : Bob
A2 : Rahul

			
				
					
				
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						HashMap Output:
A2 : Rahul
 
TreeMap Output:
A0 : Afia
A1 : Bob
A2 : Rahul
 
					
				
			
		


解释

在HashMap中，添加重复键 "A2" 会替换现有值，结果只有一个键 "A2" 和值 "Rahul"。
在TreeMap中，条目按键排序。即使有重复键 "A2"，最新的值会替换之前的值，保持排序顺序。

可视化表示

图1：TreeMap与HashMap数据结构的比较。

在TreeMap中使用自定义对象
使用自定义对象的挑战
在TreeMap中使用自定义对象作为键时，必须确保TreeMap能够正确地对这些对象进行排序和组织。与原始类型或标准包装类不同，自定义对象需要明确的指示来定义它们之间的比较方式。
创建包装类
让我们创建一个自定义的Code类，将其用作TreeMap中的键。




		
		
			
			
Java
			
			public class Code implements Comparable&lt;Code&gt; {
    private int lectureNumber;
    private int sectionNumber;

    // 构造函数
    public Code(int lectureNumber, int sectionNumber) {
        this.lectureNumber = lectureNumber;
        this.sectionNumber = sectionNumber;
    }

    // 获取器
    public int getLectureNumber() {
        return lectureNumber;
    }

    public int getSectionNumber() {
        return sectionNumber;
    }

    // 可读性强的toString方法
    @Override
    public String toString() {
        return "Code(" + lectureNumber + ", " + sectionNumber + ")";
    }

    // compareTo方法定义自然排序
    @Override
    public int compareTo(Code other) {
        if (this.lectureNumber != other.lectureNumber) {
            return Integer.compare(this.lectureNumber, other.lectureNumber);
        } else {
            return Integer.compare(this.sectionNumber, other.sectionNumber);
        }
    }

    // equals和hashCode方法（可选但推荐）
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj) return true;
        if (!(obj instanceof Code)) return false;
        Code other = (Code) obj;
        return this.lectureNumber == other.lectureNumber && this.sectionNumber == other.sectionNumber;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(lectureNumber, sectionNumber);
    }
}

			
				
					
				
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						public class Code implements Comparable&lt;Code&gt; {
    private int lectureNumber;
    private int sectionNumber;
 
    // 构造函数
    public Code(int lectureNumber, int sectionNumber) {
        this.lectureNumber = lectureNumber;
        this.sectionNumber = sectionNumber;
    }
 
    // 获取器
    public int getLectureNumber() {
        return lectureNumber;
    }
 
    public int getSectionNumber() {
        return sectionNumber;
    }
 
    // 可读性强的toString方法
    @Override
    public String toString() {
        return "Code(" + lectureNumber + ", " + sectionNumber + ")";
    }
 
    // compareTo方法定义自然排序
    @Override
    public int compareTo(Code other) {
        if (this.lectureNumber != other.lectureNumber) {
            return Integer.compare(this.lectureNumber, other.lectureNumber);
        } else {
            return Integer.compare(this.sectionNumber, other.sectionNumber);
        }
    }
 
    // equals和hashCode方法（可选但推荐）
    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj) return true;
        if (!(obj instanceof Code)) return false;
        Code other = (Code) obj;
        return this.lectureNumber == other.lectureNumber && this.sectionNumber == other.sectionNumber;
    }
 
    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(lectureNumber, sectionNumber);
    }
}
 
					
				
			
		


包装类的解释

字段：

lectureNumber：表示讲座编号。
sectionNumber：表示讲座中的部分编号。


构造函数：

初始化lectureNumber和sectionNumber。


获取器：

提供对私有字段的访问。


toString方法：

重写默认的toString方法，以提高打印对象时的可读性。


Comparable接口的实现：

compareTo方法定义了Code对象的自然排序。
主要排序基于lectureNumber。
如果lectureNumber值相等，排序基于sectionNumber。


equals和hashCode方法：

确保两个具有相同lectureNumber和sectionNumber的Code对象被认为是相等的。
这些方法在TreeMap操作依赖于对象相等性时至关重要。



在TreeMap中使用自定义对象




		
		
			
			
Java
			
			import java.util.TreeMap;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        TreeMap&lt;Code, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();

        // 向TreeMap添加条目
        treeMap.put(new Code(10, 11), "Section 10 Lecture 11");
        treeMap.put(new Code(10, 10), "Section 10 Lecture 10");
        treeMap.put(new Code(9, 5), "Section 9 Lecture 5");
        treeMap.put(new Code(10, 11), "Updated Section 10 Lecture 11"); // 这将替换之前的值

        // 迭代TreeMap条目
        treeMap.forEach((key, value) -&gt; System.out.println(key + " : " + value));
    }
}

			
				
					
				
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						import java.util.TreeMap;
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        TreeMap&lt;Code, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();
 
        // 向TreeMap添加条目
        treeMap.put(new Code(10, 11), "Section 10 Lecture 11");
        treeMap.put(new Code(10, 10), "Section 10 Lecture 10");
        treeMap.put(new Code(9, 5), "Section 9 Lecture 5");
        treeMap.put(new Code(10, 11), "Updated Section 10 Lecture 11"); // 这将替换之前的值
 
        // 迭代TreeMap条目
        treeMap.forEach((key, value) -&gt; System.out.println(key + " : " + value));
    }
}
 
					
				
			
		


输出：




		
		
			
			
Java
			
			Code(9, 5) : Section 9 Lecture 5
Code(10, 10) : Section 10 Lecture 10
Code(10, 11) : Updated Section 10 Lecture 11

			
				
					
				
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4
				
						Code(9, 5) : Section 9 Lecture 5
Code(10, 10) : Section 10 Lecture 10
Code(10, 11) : Updated Section 10 Lecture 11
 
					
				
			
		


解释

TreeMap根据compareTo方法中定义的自然排序对Code对象进行排序。
当添加重复键 (Code(10, 11)) 时，新值替换现有值。
输出展示了TreeMap中条目的排序顺序。

图示表示

图2：以自定义Code对象作为键的TreeMap。

实现Comparable接口
理解Comparable接口
Comparable接口在Java中用于定义对象的自然排序。通过实现此接口，您可以指定自定义类的对象之间应如何比较，这对于像TreeMap这样的有序集合至关重要。
在Code类中实现Comparable
让我们回顾一下Code类，并深入探讨compareTo方法的实现。




		
		
			
			
Java
			
			public class Code implements Comparable&lt;Code&gt; {
    private int lectureNumber;
    private int sectionNumber;

    // 构造函数、获取器和其他方法保持不变

    @Override
    public int compareTo(Code other) {
        if (this.lectureNumber != other.lectureNumber) {
            return Integer.compare(this.lectureNumber, other.lectureNumber);
        } else {
            return Integer.compare(this.sectionNumber, other.sectionNumber);
        }
    }
}

			
				
					
				
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						public class Code implements Comparable&lt;Code&gt; {
    private int lectureNumber;
    private int sectionNumber;
 
    // 构造函数、获取器和其他方法保持不变
 
    @Override
    public int compareTo(Code other) {
        if (this.lectureNumber != other.lectureNumber) {
            return Integer.compare(this.lectureNumber, other.lectureNumber);
        } else {
            return Integer.compare(this.sectionNumber, other.sectionNumber);
        }
    }
}
 
					
				
			
		


逐步解释

方法签名：

public int compareTo(Code other)：比较当前对象与指定对象的顺序。


主要比较（lectureNumber）：

如果当前对象的lectureNumber与其他对象的不同，方法返回比较这两个整数的结果。
Integer.compare返回：

如果第一个参数小于第二个，返回负整数。
如果它们相等，返回零。
如果第一个参数大于第二个，返回正整数。




次要比较（sectionNumber）：

如果lectureNumber值相等，方法继续比较sectionNumber。
这确保具有相同lectureNumber的对象根据sectionNumber进一步排序。



处理空值
在最初的实现中，compareTo方法未考虑空值。处理潜在的空值以防止NullPointerException是至关重要的。
修订后的compareTo方法：




		
		
			
			
Java
			
			@Override
public int compareTo(Code other) {
    if (other == null) {
        throw new NullPointerException("Cannot compare to null");
    }
    if (this.lectureNumber != other.lectureNumber) {
        return Integer.compare(this.lectureNumber, other.lectureNumber);
    } else {
        return Integer.compare(this.sectionNumber, other.sectionNumber);
    }
}

			
				
					
				
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						@Override
public int compareTo(Code other) {
    if (other == null) {
        throw new NullPointerException("Cannot compare to null");
    }
    if (this.lectureNumber != other.lectureNumber) {
        return Integer.compare(this.lectureNumber, other.lectureNumber);
    } else {
        return Integer.compare(this.sectionNumber, other.sectionNumber);
    }
}
 
					
				
			
		


测试Comparable实现




		
		
			
			
Java
			
			import java.util.TreeMap;

public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        TreeMap&lt;Code, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();

        treeMap.put(new Code(12, 1), "Section 12 Lecture 1");
        treeMap.put(new Code(10, 5), "Section 10 Lecture 5");
        treeMap.put(new Code(10, 5), "Updated Section 10 Lecture 5");
        treeMap.put(new Code(11, 3), "Section 11 Lecture 3");

        treeMap.forEach((key, value) -&gt; System.out.println(key + " : " + value));
    }
}

			
				
					
				
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						import java.util.TreeMap;
 
public class Main {
    public static void main(String[] args) {
        TreeMap&lt;Code, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();
 
        treeMap.put(new Code(12, 1), "Section 12 Lecture 1");
        treeMap.put(new Code(10, 5), "Section 10 Lecture 5");
        treeMap.put(new Code(10, 5), "Updated Section 10 Lecture 5");
        treeMap.put(new Code(11, 3), "Section 11 Lecture 3");
 
        treeMap.forEach((key, value) -&gt; System.out.println(key + " : " + value));
    }
}
 
					
				
			
		


输出：




		
		
			
			
Java
			
			Code(10, 5) : Updated Section 10 Lecture 5
Code(11, 3) : Section 11 Lecture 3
Code(12, 1) : Section 12 Lecture 1

			
				
					
				
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						Code(10, 5) : Updated Section 10 Lecture 5
Code(11, 3) : Section 11 Lecture 3
Code(12, 1) : Section 12 Lecture 1
 
					
				
			
		


解释

compareTo方法确保TreeMap中的条目首先按lectureNumber排序，然后按sectionNumber排序。
当添加重复键 (Code(10, 5)) 时，新值替换现有值，如Map接口的合同所定义。


常见陷阱与最佳实践
常见陷阱1：未实现Comparable或使用Comparator
问题：在TreeMap中使用自定义对象作为键时，未实现Comparable接口或提供Comparator，应用程序将抛出ClassCastException。
解决方案：始终确保您的键类实现了Comparable并正确重写了compareTo方法，或在初始化TreeMap时提供Comparator。




		
		
			
			
Java
			
			// 使用Comparable
TreeMap&lt;Code, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();

// 使用Comparator
TreeMap&lt;Code, String&gt; treeMapWithComparator = new TreeMap&lt;&gt;(new Comparator&lt;Code&gt;() {
    @Override
    public int compare(Code c1, Code c2) {
        // 自定义比较逻辑
    }
});

			
				
					
				
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						// 使用Comparable
TreeMap&lt;Code, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();
 
// 使用Comparator
TreeMap&lt;Code, String&gt; treeMapWithComparator = new TreeMap&lt;&gt;(new Comparator&lt;Code&gt;() {
    @Override
    public int compare(Code c1, Code c2) {
        // 自定义比较逻辑
    }
});
 
					
				
			
		


常见陷阱2：不一致的equals和compareTo方法
问题：如果equals和compareTo方法不一致（即compareTo返回零但equals返回false），可能会导致有序集合中的行为不可预测。
解决方案：确保如果compareTo认为两个对象相等（返回零），equals方法也应对这些对象返回true。
常见陷阱3：忽略空值
问题：TreeMap不允许空键。尝试插入空键将导致NullPointerException。
解决方案：在将键插入TreeMap之前始终执行空值检查。




		
		
			
			
Java
			
			if (key != null) {
    treeMap.put(key, value);
} else {
    // 处理空键场景
}

			
				
					
				
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6
				
						if (key != null) {
    treeMap.put(key, value);
} else {
    // 处理空键场景
}
 
					
				
			
		


最佳实践1：重写toString以增强可读性
在您的键类中重写toString方法，以增强在调试或日志记录期间TreeMap条目的可读性。




		
		
			
			
Java
			
			@Override
public String toString() {
    return "Code(" + lectureNumber + ", " + sectionNumber + ")";
}

			
				
					
				
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5
				
						@Override
public String toString() {
    return "Code(" + lectureNumber + ", " + sectionNumber + ")";
}
 
					
				
			
		


最佳实践2：实现equals和hashCode方法
虽然TreeMap主要依赖compareTo方法进行排序，实现equals和hashCode方法可以确保您的对象在应用程序的不同部分和可能使用这些方法的其他集合中保持一致。




		
		
			
			
Java
			
			@Override
public boolean equals(Object obj) {
    if (this == obj) return true;
    if (!(obj instanceof Code)) return false;
    Code other = (Code) obj;
    return this.lectureNumber == other.lectureNumber && this.sectionNumber == other.sectionNumber;
}

@Override
public int hashCode() {
    return Objects.hash(lectureNumber, sectionNumber);
}

			
				
					
				
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						@Override
public boolean equals(Object obj) {
    if (this == obj) return true;
    if (!(obj instanceof Code)) return false;
    Code other = (Code) obj;
    return this.lectureNumber == other.lectureNumber && this.sectionNumber == other.sectionNumber;
}
 
@Override
public int hashCode() {
    return Objects.hash(lectureNumber, sectionNumber);
}
 
					
				
			
		


最佳实践3：使用泛型确保类型安全
始终使用特定类型对TreeMap进行参数化，以强制类型安全并避免潜在的ClassCastException。




		
		
			
			
Java
			
			TreeMap&lt;Code, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();

			
				
					
				
					1
2
				
						TreeMap&lt;Code, String&gt; treeMap = new TreeMap&lt;&gt;();
 
					
				
			
		


最佳实践4：避免使用可变对象作为键
使用可变对象作为键可能会导致在插入后键的状态发生变化，从而影响TreeMap的排序，导致行为不可预测。
解决方案：通过将字段声明为final并不提供设置器，使键类保持不可变。




		
		
			
			
Java
			
			public class Code implements Comparable&lt;Code&gt; {
    private final int lectureNumber;
    private final int sectionNumber;

    // 仅有构造函数和获取器
}

			
				
					
				
					1
2
3
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5
6
7
				
						public class Code implements Comparable&lt;Code&gt; {
    private final int lectureNumber;
    private final int sectionNumber;
 
    // 仅有构造函数和获取器
}
 
					
				
			
		



结论
在本全面指南中，我们探讨了Java的Collections Framework中的TreeMap的复杂性。从理解TreeMap与HashMap的基本区别，到实现和使用自定义对象的TreeMap，本电子书为您提供了在Java应用中有效利用TreeMap的知识。
关键要点

TreeMap基于键的排序顺序，适用于需要有序数据或范围查询的场景。
在TreeMap中使用自定义对象作为键时，必须实现Comparable接口或提供Comparator。
始终确保compareTo、equals和hashCode方法的一致性，以保持可预测的行为。
遵循最佳实践，如使用不可变对象和重写关键方法，可以增强代码的健壮性和可读性。

利用TreeMap的强大功能高效管理您的数据，确保Java应用中的性能和顺序。
注意：本文章由AI生成。

额外资源

TreeMap的官方Java文档
Java Collections Framework概述
Joshua Bloch的《Effective Java》


感谢阅读精通Java集合中的TreeMap：全面指南。编码愉快！
特性	TreeMap	HashMap
排序	基于键的自然排序或自定义Comparator进行排序	没有保证的顺序
性能	put、get、remove操作的时间复杂度为O(log n)	put、get、remove操作的时间复杂度为O(1)（平均情况）
空键	不允许空键	允许一个空键
使用场景	需要排序顺序或需要基于范围的操作时使用	需要快速访问且不受顺序限制时使用
方面	TreeMap	HashMap
实现	红黑树	哈希表
时间复杂度	put、get、remove的时间复杂度为O(log n)	put、get、remove的时间复杂度为O(1)（平均情况）
排序	按键排序	无序
空键	不允许	允许一个空键
内存开销	由于树结构，内存开销较大	较低