Java開發筆記（六十五）集合：HashSet和TreeSet

對於相同類型的一組數據，雖然Java已經提供了數組加以表達，可是數組的結構實在太簡單了，第一它沒法直接添加新元素，第二它只能按照線性排列，故而數組用於基本的操做倒還湊合，若要用於複雜的處理就沒法勝任了。爲此Java設計了一大類的數據類型名叫容器，它們彷彿容納物品的器皿通常，可大可小，既能隨時往裏塞入新物件，又能隨時從中取出某物件。固然，依據不一樣的用途，容器也分爲好幾類，包括集合Set、映射Map、清單List等等，本文先從最基礎的集合開始介紹。
所謂集合，指的是一羣同類彙集在一塊兒，集合的最大特色就是裏面的每一個事物都是惟一的，即便重複加入也只算同一個元素。Java給集合分配的類型名稱叫作「Set」，在使用之時還得在Set後面補充一對尖括號，裏面填集合內部元素的數據類型。好比一個字符串集合，它的完整類型寫法爲「Set<String>」，下面即是聲明字符串集合變量的代碼例子：

		Set<String> set;

 

但是因爲Set實際上屬於接口，所以不能直接用來建立集合實例，在編程開發中，每每使用Set的兩個實現類HashSet和TreeSet。
HashSet的大名叫哈希集合，其內部採起哈希表來存儲數據；而TreeSet的大名叫作二叉集合，其內部採起二叉樹來存儲數據。儘管HashSet與TreeSet兩者的存儲結構不一樣，但它們在編碼調用時大致相似，因此接下來就以HashSet爲例，概要描述集合的基本用法。
一開始使用集合，固然也要先建立該集合的實例。建立集合實例的方式跟建立一個類的實例相同，都得調用它們的構造方法，集合實例的具體建立代碼以下所示：

		HashSet<String> set = new HashSet<String>();

 

有了集合實例，再經過實例去調用具體的集合方法，如下是經常使用的集合方法說明：
add：把指定元素添加到集合。
remove：從集合中刪除指定元素。
contains：判斷集合是否包含指定元素。
clear：清空集合。
isEmpty：判斷集合是否爲空。
size：獲取集合的大小（即所包含元素的個數）。
從以上說明可見，這些集合方法仍是蠻基礎的，不但基礎並且通用，不光是集合會用到這些方法，連映射和清單也要用到它們，於是後面在介紹映射和清單之時，就再也不重複說明上述的基本方法了。
接着來個集合的初步運用，功能很簡單，僅僅往字符串集合添加五個字符串，而後獲取並打印該集合的大小，示例代碼以下：

		HashSet<String> set = new HashSet<String>();
		set.add("hello");
		set.add("world");
		set.add("how");
		set.add("are");
		set.add("you");
		System.out.println("set.size()=" + set.size());

 

運行上面的測試代碼，可得日誌結果爲「set.size()=5」。不過這裏只得到集合大小，若想知曉集合內部到底有哪些字符串，還得依次遍歷該集合的全部元素才行。集合元素的遍歷方式主要有三種：for循環遍歷、迭代器遍歷、forEach遍歷，接下來分別進行介紹。

一、for循環遍歷
這個for循環屬於簡化的for循環，早在遍歷數組元素的時候，你們已經見識過了。廢話沒必要多說，直接看下列代碼好了：

		// 第一種遍歷方式：簡化的for循環一樣適用於數組和容器
		for (String hash_item : set) {
			System.out.println("hash_item=" + hash_item);
		}

 

運行以上的循環代碼，輸出了以下的日誌信息，可見該集合的五個元素全都找到了：

hash_item=how
hash_item=world
hash_item=are
hash_item=hello
hash_item=you

　　

二、迭代器遍歷
迭代器又稱指示器，其做用相似於數據庫的遊標，以及C語言的指針。調用集合實例的iterator方法便可得到該集合的迭代器，初始的迭代器指向集合的存儲地址；它的hasNext方法用來判斷後方是否存在集合元素，假若不存在則表示到末尾了；迭代器另有next方法用於獲取下一個元素，同時迭代器移動到下一個地址。因而屢次調用集合實例的next方法，便可逐次取出該集合的每一個元素。下面是利用迭代器遍歷集合的代碼例子：

		// 第二種遍歷方式：利用迭代器循環遍歷集合。
		Iterator<String> iterator = set.iterator();
		while (iterator.hasNext()) { // 迭代器後方是否存在元素
			// 獲取迭代器後方的元素
			String hash_iterator = (String) iterator.next();
			System.out.println("hash_iterator=" + hash_iterator);
		}

　　

三、forEach遍歷
forEach是Java8新增的容器遍歷方法，一樣適用於映射和清單。它藉助Lambda表達式可以完成最簡化的遍歷操做，僅僅一行代碼就搞定了集合元素的循環輸出功能，具體實現代碼以下所示：

		// 第三種遍歷方式：使用forEach方法夾帶Lambda表達式進行遍歷
		set.forEach(hash_each -> System.out.println("hash_each=" + hash_each));

 

講完了集合的三種遍歷方式，按說集合的常見用法均涉及到了，那麼爲啥集合還要分紅哈希集合與二叉集合兩類呢？這緣於集合的基本特性規定了集合裏的每一個元素是惟一的，但並未規定集合裏的元素須要按照順序排列。從前面哈希集合的遍歷結果可知，哈希集合裏面保存的各元素是無序的，由於一個數據的哈希結果是散列值，天南地北處處跑，天然沒法按照元素值進行排序。二叉集合的設計正是要解決這個順序問題，因爲二叉集合內部採起二叉樹存儲數據，每一個新加入的元素都要與原住民們比較一番，好決定這個新元素是放在某個原住民的左節點仍是右節點；所以，假若把一組字符串前後加入二叉集合，那麼每次新增元素的操做都會進行大小比較，最終獲得的二叉集合一定是有序的。

爲了驗證二叉集合的添加操做是否符合設計原理，接下來不妨建立一個二叉集合的實例，再往其中添加多個字符串，而後遍歷打印該字符串集合的全部元素。據此從新編寫後的二叉集合演示代碼以下所示：

		TreeSet<String> set = new TreeSet<String>();
		set.add("hello");
		set.add("world");
		set.add("how");
		set.add("are");
		set.add("you");
		// 第一種遍歷方式：簡化的for循環一樣適用於數組和容器
		for (String tree_item : set) {
			System.out.println("tree_item=" + tree_item);
		}

 

運行上述的演示代碼，觀察如下的日誌信息可知，這個二叉集合的遍歷結果爲按照字符串首字母升序排列：

tree_item=are
tree_item=hello
tree_item=how
tree_item=world
tree_item=you

　　

須要注意的是，無論是哈希值計算，仍是二叉節點比較，都須要元素歸屬的數據類型提供計算方法或者比較方法。對於包裝類型、字符串等系統自帶的數據類型來講，Java已經在它們的源碼中實現了相關方法，因此這些數據類型容許程序員在集合中直接使用。然而若是是開發者本身定義的數據類型（新的類），就要求開發者本身來實現計算方法和比較方法了。
譬若有個自定義的手機類MobilePhone，該類的定義代碼見下：

//定義一個手機類
public class MobilePhone {
	private String brand; // 手機品牌
	private Integer price; // 手機價格

	public MobilePhone(String brand, int price) {
		this.brand = brand;
		this.price = price;
	}

	// 獲取手機品牌
	public String getBrand() {
		return this.brand;
	}

	// 獲取手機價格
	public int getPrice() {
		return this.price;
	}
}

如今給手機類分別建立對應的哈希集合與二叉集合，並對兩種集合分別添加若干手機實例，結果會發現，手機的哈希集合竟然會插入品牌與價格重複的元素！同時手機的二叉集合也變成亂序的了，由於編譯器不曉得究竟要按照品牌排序仍是按照價格排序。既然編譯器無從判斷待添加的元素是否重複，也沒法判斷新添加的元素根據哪一個字段排序，程序員就得在手機類的定義代碼中指定相關的判斷規則了。

就哈希集合的哈希值計算而言，自定義的手機類須要重寫hashCode和equals方法，其中hashCode方法計算獲得的哈希值對應於該對象的保存位置，而equals方法用來判斷該位置上的幾個元素是否徹底相等。一方面，咱們要保證品牌與價格都相同的兩個元素，它們的哈希值必須也相等；另外一方面，即便兩個元素的品牌和價格不一致，它們的哈希值也可能恰巧相等，因而還須要equals方法進一步校驗是否存在重複。按照上述要求，重寫後的hashCode和equals方法代碼示例以下：

	// hashCode方法計算出來的哈希值對應於該對象的保存位置
	@Override
	public int hashCode() {
		return brand.hashCode() + price.hashCode();
	}

	// 同一個存儲位置上可能有多個對象（哈希值剛好相等），
	// 此時系統自動調用equals方法判斷是否存在相同的對象。
	@Override
	public boolean equals(Object obj) {
		if (!(obj instanceof MobilePhoneHash)) {
			return false;
		}
		MobilePhoneHash other = (MobilePhoneHash) obj;
		// 手機品牌和手機價格都相等，纔算是這兩個手機相等
		boolean equals = this.brand.equals(other.brand) && this.price.equals(other.price);
		return equals;
	}

至於二叉集合的節點大小比較，則需手機類實現接口Comparable，並具體定義該接口聲明的compareTo方法（該方法用來比較兩個元素的大小關係）。其實這裏的Comparable接口與數組排序用到的Comparator接口做用相似，都是判斷兩個對象誰大誰小。若是要求二叉集合裏面的手機元素按照價格排序，則compareTo方法主要校驗當前手機的價格與其它手機的價格。詳細的接口實現代碼以下所示：

public class MobilePhoneTree implements Comparable<MobilePhoneTree> {
	// 此處省略手機類的構造方法、成員屬性與成員方法定義

	// 二叉樹除了檢查是否相等，還要判斷前後順序。
	// 相等和前後順序的校驗結果從compareTo方法得到。
	@Override
	public int compareTo(MobilePhoneTree other) {
		if (this.price.compareTo(other.price) > 0) { // 當前價格較高
			return 1;
		} else if (this.price.compareTo(other.price) < 0) { // 當前價格較低
			return -1;
		} else {
			return this.brand.compareTo(other.brand);
		}
	}
}

通過一番折騰以後，再對新定義的兩個手機類分別對哈希集合與二叉集合開展驗證，結果應當爲：哈希集合不會插入重複的手機對象，而且二叉集合裏的各手機元素按照價格升序排列。

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