Java集合 HashSet的原理及經常使用方法

目錄

• 一. HashSet概述
• 二. HashSet構造
• 三. add方法
• 四. remove方法
• 五. 遍歷
• 六. 合計合計
  • 先看一下LinkedHashSet
  • 在看一下TreeSet
• 七. 總結

一. HashSet概述

HashSet是Java集合Set的一個實現類，Set是一個接口，其實現類除HashSet以外，還有TreeSet，並繼承了Collection，HashSet集合很經常使用，同時也是程序員面試時常常會被問到的知識點，下面是結構圖

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

二. HashSet構造

HashSet有幾個重載的構造方法，咱們來看一下

private transient HashMap<E,Object> map;
//默認構造器
public HashSet() {
    map = new HashMap<>();
}
//將傳入的集合添加到HashSet的構造器
public HashSet(Collection<? extends E> c) {
    map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
    addAll(c);
}
//明確初始容量和裝載因子的構造器
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
//僅明確初始容量的構造器（裝載因子默認0.75）
public HashSet(int initialCapacity) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity);
}

經過上面的源碼，咱們發現了HashSet就TM是一個皮包公司，它就對外接活兒，活兒接到了就直接扔給HashMap處理了。由於底層是經過HashMap實現的，這裏簡單提一下:

HashMap的數據存儲是經過數組+鏈表/紅黑樹實現的，存儲大概流程是經過hash函數計算在數組中存儲的位置，若是該位置已經有值了，判斷key是否相同，相同則覆蓋，不相同則放到元素對應的鏈表中，若是鏈表長度大於8，就轉化爲紅黑樹，若是容量不夠，則需擴容（注：這只是大體流程）。

若是對HashMap原理不太清楚的話，能夠先去了解一下

HashMap原理(一) 概念和底層架構

HashMap原理(二) 擴容機制及存取原理

三. add方法

HashSet的add方法時經過HashMap的put方法實現的，不過HashMap是key-value鍵值對，而HashSet是集合，那麼是怎麼存儲的呢，咱們看一下源碼

private static final Object PRESENT = new Object();

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

看源碼咱們知道，HashSet添加的元素是存放在HashMap的key位置上，而value取了默認常量PRESENT，是一個空對象，至於map的put方法，你們能夠看HashMap原理(二) 擴容機制及存取原理。

四. remove方法

HashSet的remove方法經過HashMap的remove方法來實現

//HashSet的remove方法
public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
}
//map的remove方法
public V remove(Object key) {
    Node<K,V> e;
    //經過hash(key)找到元素在數組中的位置，再調用removeNode方法刪除
    return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ? null : e.value;
}
/**
 * 
 */
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                           boolean matchValue, boolean movable) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
    //步驟1.須要先找到key所對應Node的準確位置，首先經過(n - 1) & hash找到數組對應位置上的第一個node
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
        (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
        //1.1 若是這個node恰好key值相同，運氣好，找到了
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            node = p;
        /**
         * 1.2 運氣很差，在數組中找到的Node雖然hash相同了，但key值不一樣，很明顯不對， 咱們須要遍歷繼續
         *     往下找；
         */
        else if ((e = p.next) != null) {
            //1.2.1 若是是TreeNode類型，說明HashMap當前是經過數組+紅黑樹來實現存儲的，遍歷紅黑樹找到對應node
            if (p instanceof TreeNode)
                node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
            else {
                //1.2.2 若是是鏈表，遍歷鏈表找到對應node
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key ||
                         (key != null && key.equals(k)))) {
                        node = e;
                        break;
                    }
                    p = e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        //經過前面的步驟1找到了對應的Node,如今咱們就須要刪除它了
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                             (value != null && value.equals(v)))) {
            /**
             * 若是是TreeNode類型，刪除方法是經過紅黑樹節點刪除實現的，具體能夠參考【TreeMap原理實現
             * 及經常使用方法】
             */
            if (node instanceof TreeNode)
                ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
            /** 
             * 若是是鏈表的狀況，當找到的節點就是數組hash位置的第一個元素，那麼該元素刪除後，直接將數組
             * 第一個位置的引用指向鏈表的下一個便可
             */
            else if (node == p)
                tab[index] = node.next;
            /**
             * 若是找到的原本就是鏈表上的節點，也簡單，將待刪除節點的上一個節點的next指向待刪除節點的
             * next,隔離開待刪除節點便可
             */
            else
                p.next = node.next;
            ++modCount;
            --size;
            //刪除後可能存在存儲結構的調整，可參考【LinkedHashMap如何保證順序性】中remove方法
            afterNodeRemoval(node);
            return node;
        }
    }
    return null;
}

removeTreeNode方法具體實現可參考 TreeMap原理實現及經常使用方法

afterNodeRemoval方法具體實現可參考LinkedHashMap如何保證順序性

五. 遍歷

HashSet做爲集合，有多種遍歷方法，如普通for循環，加強for循環，迭代器，咱們經過迭代器遍從來看一下

public static void main(String[] args) {
    HashSet<String> setString = new HashSet<> ();
    setString.add("星期一");
    setString.add("星期二");
    setString.add("星期三");
    setString.add("星期四");
    setString.add("星期五");

    Iterator it = setString.iterator();
    while (it.hasNext()) {
        System.out.println(it.next());
    }
}

打印出來的結果如何呢？

星期二
星期三
星期四
星期五
星期一

意料之中吧，HashSet是經過HashMap來實現的，HashMap經過hash(key)來肯定存儲的位置，是不具有存儲順序性的，所以HashSet遍歷出的元素也並不是按照插入的順序。

六. 合計合計

按照我前面的規劃，應該每一塊主要的內容都單獨寫一下，如集合ArrayList，LinkedList，HashMap，TreeMap等。不過我在寫這篇關於HashSet的文章時，發現有前面對HashMap的講解後，確實簡單，HashSet就是一個皮包公司，在HashMap外面加了一個殼，那麼LinkedHashSet是否就是在LinkedHashMap外面加了一個殼呢，而TreeSet是不是在TreeMap外面加了一個殼？咱們來驗證一下

先看一下LinkedHashSet

最開始的結構圖已經提到了LinkedHashSet是HashSet的子類，咱們來看源碼

public class LinkedHashSet<E>
    extends HashSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable 
{
    
    public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
        super(initialCapacity, loadFactor, true);
    }

    public LinkedHashSet(int initialCapacity) {
        super(initialCapacity, .75f, true);
    }

    public LinkedHashSet() {
        super(16, .75f, true);
    }

    public LinkedHashSet(Collection<? extends E> c) {
        super(Math.max(2*c.size(), 11), .75f, true);
        addAll(c);
    }

    public Spliterator<E> spliterator() {
        return Spliterators.spliterator(this, Spliterator.DISTINCT | Spliterator.ORDERED);
    }
}

上面就是LinkedHashSet的全部代碼了，是否是感受智商被否認了，這基本上沒啥東西嘛，構造器還所有調用父類的，下面就是其父類HashSet的對此的構造方法

HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
    map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

你們也看出來，和咱們的猜想同樣，沒有深究下去的必要了。若是有興趣能夠看看LinkedHashMap如何保證順序性

在看一下TreeSet

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>
    implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    public TreeSet() {
        this(new TreeMap<E,Object>());
    }
    public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {
        this(new TreeMap<>(comparator));
    }
    public TreeSet(Collection<? extends E> c) {
        this();
        addAll(c);
    }
    public TreeSet(SortedSet<E> s) {
        this(s.comparator());
        addAll(s);
    }
}

確實如咱們所猜想，TreeSet也徹底依賴於TreeMap來實現，若是有興趣能夠看看TreeMap原理實現及經常使用方法

七. 總結

原本想三章的內容，一章就算完了，雖然Set實現有點賴皮，畢竟他祖輩是Collection而不是Map，在Map的實現類上穿了一層衣服就成了Set，而後出於某種目的埋伏在Collection中，哈哈，開個玩笑，本文主要介紹了HashSet的原理以及主要方法，同時簡單介紹了LinkedHashSet和TreeSet，如有不對之處，請批評指正，望共同進步，謝謝！