Java集合，HashSet底層實現和原理

概述

文章的內容基於JDK1.7進行分析，之因此選用這個版本，是由於1.8的有些類作了改動，增長了閱讀的難度，雖然是1.7，可是對於1.8作了重大改動的內容，文章也會進行說明。

HashSet是Set接口的典型實現，HashSet按照Hash算法來存儲集合中的元素。存在如下特色：

• 不能保證元素的順序，元素是無序的
• HashSet不是同步的，須要外部保持線程之間的同步問題
• 集合元素值容許爲null

數據結構

繼承關係

java.lang.Object 
    java.util.AbstractCollection<E> 
        java.util.AbstractSet<E> 
            java.util.HashSet<E>

實現接口

Serializable, Cloneable, Iterable<E>, Collection<E>, Set<E>

基本屬性

private transient HashMap<E,Object> map;  //map集合，HashSet存放元素的容器
private static final Object PRESENT = new Object(); //map，中鍵對應的value值

重要方法深度解析

構造方法

//無參構造方法，完成map的建立
public HashSet() {
    map = new HashMap<>();
}
//指定集合轉化爲HashSet, 完成map的建立
public HashSet(Collection<? extends E> c) {
   map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
   addAll(c);
}
//指定初始化大小，和負載因子
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
//指定初始化大小
public HashSet(int initialCapacity) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity);
}
//指定初始化大小和負載因子，dummy 無實際意義
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
    map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

經過構造函數，不難發現，HashSet的底層是採用HashMap實現的。

Add()方法

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

PRESENT爲HashSet類中定義的一個使用static final 修飾的常量，並沒有實際的意義，HashSet的add方法調用HashMap的put()方法實現，若是鍵已經存在，map.put()放回的是舊值，添加失敗，若是添加成功map.put()方法返回的是null ,HashSet.add()方法返回true,要添加的元素可做爲map中的key 。

remove()

public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
}

刪除方法，調用map.remove()方法實現，map.remove()能找到指定的key,則返回key對應的value,對於Hashset而言，它全部的key對應的值都是PRESENT。

源碼解析

public class HashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable {

    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L; //序列化版本號

    private transient HashMap<E,Object> map;  //HashMap變量，用於存放HashSet的值

    private static final Object PRESENT = new Object(); //map中的值

    //構造方法
    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

    //構造方法，將指定的集合轉化爲HashSet
    public HashSet(Collection<? extends E> c) {
        map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
        addAll(c);
    }

    //構造方法，指定初始化的大小和負載因子
    public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
        map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }
    //指定初始化大小
    public HashSet(int initialCapacity) {
        map = new HashMap<>(initialCapacity);
    }

    //構造方法，採用default修飾，只能是同一個包下的成員訪問。包不相同沒法訪問
    HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
        map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }

    //HashSet的遍歷操做
    //經過這個方法能夠發現，HashSet調用了HashMap存放，由於HashSet並非鍵值對存儲，因此它只是把它的值作了Map中的鍵，在遍歷HashSet的集合元素時，其實是遍歷的Map中Key的集合。
    public Iterator<E> iterator() {
        return map.keySet().iterator();
    }

    //返回集合中元素的容量
    public int size() {
        return map.size();
    }

    //判斷是否爲空
    public boolean isEmpty() {
        return map.isEmpty();
    }

    //是否包含指定的元素
    public boolean contains(Object o) {
        return map.containsKey(o);
    }

    //添加元素，添加的元素做爲了Map中的key,value使用了一個常量表示
    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }

    //刪除元素
    public boolean remove(Object o) {
        return map.remove(o)==PRESENT;
    }

    //清空集合
    public void clear() {
        map.clear();
    }

    //克隆方法
    public Object clone() {
        try {
            HashSet<E> newSet = (HashSet<E>) super.clone();
            newSet.map = (HashMap<E, Object>) map.clone();
            return newSet;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new InternalError();
        }
    }

    //寫入輸出流操做。
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
        // Write out any hidden serialization magic
        s.defaultWriteObject();

        // Write out HashMap capacity and load factor
        s.writeInt(map.capacity());
        s.writeFloat(map.loadFactor());

        // Write out size
        s.writeInt(map.size());

        // Write out all elements in the proper order.
        for (E e : map.keySet())
            s.writeObject(e);
    }

    //從輸入流中讀取對象
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        // Read in any hidden serialization magic
        s.defaultReadObject();

        // Read in HashMap capacity and load factor and create backing HashMap
        int capacity = s.readInt();
        float loadFactor = s.readFloat();
        map = (((HashSet)this) instanceof LinkedHashSet ?
               new LinkedHashMap<E,Object>(capacity, loadFactor) :
               new HashMap<E,Object>(capacity, loadFactor));

        // Read in size
        int size = s.readInt();

        // Read in all elements in the proper order.
        for (int i=0; i<size; i++) {
            E e = (E) s.readObject();
            map.put(e, PRESENT);
        }
    }
}

總結

• HashSet的底層經過HashMap實現的。而HashMap在1.7以前使用的是數組+鏈表實現，在1.8+使用的數組+鏈表+紅黑樹實現。其實也能夠這樣理解，HashSet的底層實現和HashMap使用的是相同的方式，由於Map是無序的，所以HashSet也沒法保證順序。
• HashSet的方法，也是藉助HashMap的方法來實現的。