通用树形结构构建工具类-Java

package com.pig4cloud.pigx.common.core.util.tree;

import java.util.*;
import java.util.function.Function;
import java.util.stream.Collectors;

/**
 * 通用树结构构建工具类
 *
 * <p>重要说明：
 * <ol>
 *   <li>所有节点必须具有唯一ID</li>
 *   <li>父节点不存在时自动成为根节点</li>
 *   <li>节点排序依赖comparator实现</li>
 *   <li>支持循环依赖检测和错误路径提示</li>
 * </ol>
 *
 * @param <T> 原始数据类型
 * @param <K> 节点ID类型（建议使用包装类型）
 */
public class TreeBuilder<T, K> {
    private final Function<T, K> idGetter;
    private final Function<T, K> parentIdGetter;
    private final ChildSetter<T> childSetter;
    private final Comparator<T> comparator;

    /**
     * 构造方法
     */
    public TreeBuilder(Function<T, K> idGetter,
                       Function<T, K> parentIdGetter,
                       ChildSetter<T> childSetter,
                       Comparator<T> comparator) {

        this.idGetter = Objects.requireNonNull(idGetter, "ID获取器不能为null");
        this.parentIdGetter = Objects.requireNonNull(parentIdGetter, "父ID获取器不能为null");
        this.childSetter = Objects.requireNonNull(childSetter, "子节点设置器不能为null");
        this.comparator = Objects.requireNonNull(comparator, "排序比较器不能为null");
    }

    /**
     * 构建完整树结构
     */
    public List<T> buildTree(List<T> items) {
        Objects.requireNonNull(items, "节点列表不能为null");
        if (items.isEmpty()) return Collections.emptyList();

        // 1. 构建数据索引
        Map<K, T> nodeMap = createNodeMap(items);
        Map<K, List<T>> parentChildrenMap = items.stream()
                .collect(Collectors.groupingBy(
                        parentIdGetter,
                        LinkedHashMap::new,  // 保持插入顺序
                        Collectors.toList()
                ));

        // 2. 循环依赖检测
        detectCyclicDependencies(items, nodeMap);

        // 3. 构建树结构
        nodeMap.forEach((nodeId, node) -> {
            List<T> children = parentChildrenMap.getOrDefault(nodeId, Collections.emptyList())
                    .stream()
                    .sorted(comparator)
                    .collect(Collectors.toList());

            childSetter.setChildren(node, Collections.unmodifiableList(children));
        });

        // 4. 获取根节点（parentId为null或不存在于nodeMap）
        return items.stream()
                .filter(item -> isRootNode(item, nodeMap))
                .sorted(comparator)
                .collect(Collectors.toList());

    }

    /**
     * 判断是否为根节点（抽离方法提升可读性）
     */
    private boolean isRootNode(T item, Map<K, T> nodeMap) {
        K parentId = parentIdGetter.apply(item);
        return parentId == null || !nodeMap.containsKey(parentId);
    }

    /**
     * 构建搜索结果树
     */
    public List<T> buildSearchTree(List<T> allItems, Set<K> matchIds) {
        Objects.requireNonNull(allItems, "节点列表不能为null");
        Objects.requireNonNull(matchIds, "匹配ID集合不能为null");

        Set<K> relatedIds = findRelatedIds(allItems, matchIds);
        List<T> relatedItems = allItems.stream()
                .filter(item -> relatedIds.contains(idGetter.apply(item)))
                .collect(Collectors.toList());

        return buildTree(relatedItems);
    }

    /**
     * 创建节点ID映射表（含重复检测）
     */
    private Map<K, T> createNodeMap(List<T> items) {
        Map<K, T> map = new LinkedHashMap<>(items.size());
        for (T item : items) {
            K id = idGetter.apply(item);
            if (map.containsKey(id)) {
                throw new IllegalArgumentException(String.format(
                        "发现重复节点ID: %s (冲突对象1: %s, 冲突对象2: %s)",
                        id, map.get(id), item));
            }
            map.put(id, item);
        }
        return map;
    }

    /**
     * 循环依赖检测核心逻辑
     */
    private void detectCyclicDependencies(List<T> items, Map<K, T> nodeMap) {
        Set<K> verifiedNodes = new HashSet<>();
        Map<K, K> idToParentMap = items.stream()
                .collect(Collectors.toMap(idGetter, parentIdGetter));

        for (T item : items) {
            K currentId = idGetter.apply(item);
            if (verifiedNodes.contains(currentId)) continue;

            Set<K> path = new LinkedHashSet<>();
            K tracingId = currentId;

            while (tracingId != null) {
                if (!path.add(tracingId)) {
                    throw new CyclicDependencyException(buildCyclePath(path, tracingId));
                }

                // 短路已验证节点
                if (verifiedNodes.contains(tracingId)) break;

                K parentId = idToParentMap.get(tracingId);
                if (parentId == null) break;

                // 直接循环检测
                if (parentId.equals(tracingId)) {
                    throw new CyclicDependencyException("直接循环依赖: " + tracingId);
                }

                tracingId = parentId;
            }
            verifiedNodes.addAll(path);
        }
    }

    /**
     * 构造循环路径描述
     */
    private String buildCyclePath(Set<K> path, K duplicateId) {
        List<K> pathList = new ArrayList<>(path);
        int index = pathList.indexOf(duplicateId);
        List<K> cycle = pathList.subList(index, pathList.size());
        return "检测到循环依赖链: " + cycle.stream()
                .map(Object::toString)
                .collect(Collectors.joining(" → "));
    }

    /**
     * 查找相关ID集合（匹配节点+路径节点）
     */
    private Set<K> findRelatedIds(List<T> allItems, Set<K> matchIds) {
        Map<K, K> idToParentMap = allItems.stream()
                .collect(Collectors.toMap(idGetter, parentIdGetter));

        return matchIds.stream()
                .flatMap(id -> traceAncestors(id, idToParentMap).stream())
                .collect(Collectors.toSet());
    }

    /**
     * 追溯父节点链
     */
    private Set<K> traceAncestors(K startId, Map<K, K> idToParentMap) {
        Set<K> ancestors = new LinkedHashSet<>();
        K currentId = startId;

        while (currentId != null && ancestors.add(currentId)) {
            currentId = idToParentMap.get(currentId);
        }
        return ancestors;
    }

    /**
     * 自定义循环依赖异常
     */
    public static class CyclicDependencyException extends RuntimeException {
        public CyclicDependencyException(String message) {
            super(message);
        }
    }

    /**
     * 子节点设置接口
     */
    @FunctionalInterface
    public interface ChildSetter<T> {
        void setChildren(T parent, List<T> children);
    }

    /* 快捷构造方法 */

    public static <T, K> TreeBuilder<T, K> create(
            Function<T, K> idGetter,
            Function<T, K> parentIdGetter,
            ChildSetter<T> childSetter,
            Comparator<T> comparator) {
        return new TreeBuilder<>(idGetter, parentIdGetter, childSetter, comparator);
    }

    public static <T, K extends Comparable<? super K>> TreeBuilder<T, K> createWithNaturalOrder(
            Function<T, K> idGetter,
            Function<T, K> parentIdGetter,
            ChildSetter<T> childSetter) {
        return new TreeBuilder<>(
                idGetter,
                parentIdGetter,
                childSetter,
                Comparator.comparing(idGetter, Comparator.nullsLast(Comparator.naturalOrder()))
        );
    }
}

一、设计思想与核心功能

本工具类采用泛型设计，可处理任意类型的节点数据，具备以下核心能力：

1. 多类型支持：通过泛型参数T（数据类型）和K（ID类型），支持各种业务场景
2. 自动化构建：自动识别根节点、建立父子关系
3. 安全防护：内置循环依赖检测、重复ID校验
4. 灵活扩展：支持自定义排序规则、子节点设置方式
5. 高效查询：提供子树构建功能，适用于搜索场景

二、核心实现原理

1. 数据结构准备阶段

Map<K, T> nodeMap = createNodeMap(items);
Map<K, List<T>> parentChildrenMap = items.stream()
        .collect(Collectors.groupingBy(...));

• 节点映射表：通过ID快速定位节点，验证ID唯一性
• 父子关系映射：预先生成父节点→子节点列表的关系字典

2. 循环依赖检测算法

采用路径追踪法，时间复杂度O(n)：

Set<K> path = new LinkedHashSet<>();
while (tracingId != null) {
    if (!path.add(tracingId)) {
        throw new CyclicDependencyException(...);
    }
    // 追溯父节点链
}

可检测两种异常情况：

• 直接循环：父节点指向自身
• 间接循环：A→B→C→A型循环链

3. 树形结构构建

采用两阶段构建模式：

1. 初始化所有节点的子节点列表
2. 筛选根节点（父ID不存在或对应节点缺失）

4. 搜索子树生成

通过ID回溯算法构建有效路径：

Set<K> traceAncestors(K startId) {
    // 向上追溯所有祖先节点
}

确保搜索结果的完整树形结构

三、关键代码详解

1. 节点排序实现

childSetter.setChildren(node, 
    children.stream()
        .sorted(comparator)
        .collect(Collectors.toList())
);

支持两种排序方式：

• 自然排序（createWithNaturalOrder）
• 自定义比较器（推荐业务相关排序）

2. 异常处理机制

自定义异常类型增强可读性：

public class CyclicDependencyException extends RuntimeException {
    // 携带具体循环路径信息
}

提供明确的错误定位信息：

检测到循环依赖链: 1001 → 1002 → 1003 → 1001

3. 函数式接口应用

@FunctionalInterface
public interface ChildSetter<T> {
    void setChildren(T parent, List<T> children);
}

使用时可通过Lambda表达式实现：

TreeBuilder<Department, Long> builder = 
    new TreeBuilder<>(..., (parent, children) -> parent.setChildDepts(children));

四、使用示例

基础用法

List<Menu> menus = getFromDB();

TreeBuilder<Menu, Integer> builder = TreeBuilder.create(
    Menu::getId,
    Menu::getParentId,
    (parent, children) -> parent.setChildren(children),
    Comparator.comparing(Menu::getSortOrder)
);

List<Menu> tree = builder.buildTree(menus);

搜索场景应用

Set<Integer> matchIds = searchService.findIds("关键");
List<Menu> resultTree = builder.buildSearchTree(allMenus, matchIds);

五、注意事项

1. ID规范 ：
   • 必须实现有效的hashCode()和equals()
   • 推荐使用包装类型（避免Long与long的匹配问题）
2. 对象状态 ：
   • 原始数据对象应支持子节点集合设置
   • 建议使用不可变集合防止意外修改
3. 特殊场景 ：
   • 空集合处理返回emptyList()
   • 允许游离节点（父节点不存在时成为根节点）
4. 性能考量 ：
   • 万级数据量建议分批处理
   • 频繁构建时可缓存nodeMap