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Java 容器之 Set

钝悟...大约 7 分钟JavaJavaCore容器JavaJavaCore容器SetHashSetTreeSetLinkedHashSet

Java 容器之 Set

Set 简介

Set 家族成员简介：

  • Set 继承了 Collection 的接口。实际上 Set 就是 Collection，只是行为略有不同：Set 集合不允许有重复元素。
  • SortedSet 继承了 Set 的接口。SortedSet 中的内容是排序的唯一值，排序的方法是通过比较器(Comparator)。
  • NavigableSet 继承了 SortedSet 的接口。它提供了丰富的查找方法：如"获取大于/等于某值的元素"、“获取小于/等于某值的元素”等等。
  • AbstractSet 是一个抽象类，它继承于 AbstractCollection，AbstractCollection 实现了 Set 中的绝大部分方法，为实现 Set 的实例类提供了便利。
  • HashSet 类依赖于 HashMap，它实际上是通过 HashMap 实现的。HashSet 中的元素是无序的、散列的。
  • TreeSet 类依赖于 TreeMap，它实际上是通过 TreeMap 实现的。TreeSet 中的元素是有序的，它是按自然排序或者用户指定比较器排序的 Set。
  • LinkedHashSet 是按插入顺序排序的 Set。
  • EnumSet 是只能存放 Emum 枚举类型的 Set。

Set 接口

Set 继承了 Collection 的接口。实际上，Set 就是 Collection，二者提供的方法完全相同。

Set 接口定义如下：

public interface Set<E> extends Collection<E> {}

SortedSet 接口

继承了 Set 的接口。SortedSet 中的内容是排序的唯一值，排序的方法是通过比较器(Comparator)。

SortedSet 接口定义如下：

public interface SortedSet<E> extends Set<E> {}

SortedSet 接口新扩展的方法：

  • comparator - 返回 Comparator
  • subSet - 返回指定区间的子集
  • headSet - 返回小于指定元素的子集
  • tailSet - 返回大于指定元素的子集
  • first - 返回第一个元素
  • last - 返回最后一个元素
  • spliterator

NavigableSet 继承了 SortedSet。它提供了丰富的查找方法。

NavigableSet 接口定义如下：

public interface NavigableSet<E> extends SortedSet<E> {}

NavigableSet 接口新扩展的方法：

  • lower - 返回小于指定值的元素中最接近的元素
  • higher - 返回大于指定值的元素中最接近的元素
  • floor - 返回小于或等于指定值的元素中最接近的元素
  • ceiling - 返回大于或等于指定值的元素中最接近的元素
  • pollFirst - 检索并移除第一个（最小的）元素
  • pollLast - 检索并移除最后一个（最大的）元素
  • descendingSet - 返回反序排列的 Set
  • descendingIterator - 返回反序排列的 Set 的迭代器
  • subSet - 返回指定区间的子集
  • headSet - 返回小于指定元素的子集
  • tailSet - 返回大于指定元素的子集

AbstractSet 抽象类

AbstractSet 类提供 Set 接口的核心实现，以最大限度地减少实现 Set 接口所需的工作。

AbstractSet 抽象类定义如下：

public abstract class AbstractSet<E> extends AbstractCollection<E> implements Set<E> {}

事实上，主要的实现已经在 AbstractCollection 中完成。

HashSet 类

HashSet 类依赖于 HashMap，它实际上是通过 HashMap 实现的。HashSet 中的元素是无序的、散列的。

HashSet 类定义如下：

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

HashSet 要点

  • HashSet 通过继承 AbstractSet 实现了 Set 接口中的骨干方法。
  • HashSet 实现了 Cloneable，所以支持克隆。
  • HashSet 实现了 Serializable，所以支持序列化。
  • HashSet 中存储的元素是无序的。
  • HashSet 允许 null 值的元素。
  • HashSet 不是线程安全的。

HashSet 原理

HashSet 是基于 HashMap 实现的。

// HashSet 的核心，通过维护一个 HashMap 实体来实现 HashSet 方法
private transient HashMap<E,Object> map;

// PRESENT 是用于关联 map 中当前操作元素的一个虚拟值
private static final Object PRESENT = new Object();
}
  • HashSet 中维护了一个 HashMap 对象 map，HashSet 的重要方法，如 add、remove、iterator、clear、size 等都是围绕 map 实现的。
    • HashSet 类中通过定义 writeObject() 和 readObject() 方法确定了其序列化和反序列化的机制。
  • PRESENT 是用于关联 map 中当前操作元素的一个虚拟值。

TreeSet 类

TreeSet 类依赖于 TreeMap，它实际上是通过 TreeMap 实现的。TreeSet 中的元素是有序的，它是按自然排序或者用户指定比较器排序的 Set。

TreeSet 类定义如下：

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

TreeSet 要点

  • TreeSet 通过继承 AbstractSet 实现了 NavigableSet 接口中的骨干方法。
  • TreeSet 实现了 Cloneable，所以支持克隆。
  • TreeSet 实现了 Serializable，所以支持序列化。
  • TreeSet 中存储的元素是有序的。排序规则是自然顺序或比较器（Comparator）中提供的顺序规则。
  • TreeSet 不是线程安全的。

TreeSet 源码

TreeSet 是基于 TreeMap 实现的。

// TreeSet 的核心，通过维护一个 NavigableMap 实体来实现 TreeSet 方法
private transient NavigableMap<E,Object> m;

// PRESENT 是用于关联 map 中当前操作元素的一个虚拟值
private static final Object PRESENT = new Object();
  • TreeSet 中维护了一个 NavigableMap 对象 map（实际上是一个 TreeMap 实例），TreeSet 的重要方法，如 add、remove、iterator、clear、size 等都是围绕 map 实现的。
  • PRESENT 是用于关联 map 中当前操作元素的一个虚拟值。TreeSet 中的元素都被当成 TreeMap 的 key 存储，而 value 都填的是 PRESENT。

LinkedHashSet 类

LinkedHashSet 是按插入顺序排序的 Set。

LinkedHashSet 类定义如下：

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

LinkedHashSet 要点

  • LinkedHashSet 通过继承 HashSet 实现了 Set 接口中的骨干方法。
  • LinkedHashSet 实现了 Cloneable，所以支持克隆。
  • LinkedHashSet 实现了 Serializable，所以支持序列化。
  • LinkedHashSet 中存储的元素是按照插入顺序保存的。
  • LinkedHashSet 不是线程安全的。

LinkedHashSet 原理

LinkedHashSet 有三个构造方法，无一例外，都是调用父类 HashSet 的构造方法。

public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
    super(initialCapacity, loadFactor, true);
}
public LinkedHashSet(int initialCapacity) {
    super(initialCapacity, .75f, true);
}
public LinkedHashSet() {
    super(16, .75f, true);
}

需要强调的是：LinkedHashSet 构造方法实际上调用的是父类 HashSet 的非 public 构造方法。

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

不同于 HashSet public 构造方法中初始化的 HashMap 实例，这个构造方法中，初始化了 LinkedHashMap 实例。

也就是说，实际上，LinkedHashSet 维护了一个双链表。由双链表的特性可以知道，它是按照元素的插入顺序保存的。所以，这就是 LinkedHashSet 中存储的元素是按照插入顺序保存的原理。

EnumSet 类

EnumSet 类定义如下：

public abstract class EnumSet<E extends Enum<E>> extends AbstractSet<E>
    implements Cloneable, java.io.Serializable {}

EnumSet 要点

  • EnumSet 继承了 AbstractSet，所以有 Set 接口中的骨干方法。
  • EnumSet 实现了 Cloneable，所以支持克隆。
  • EnumSet 实现了 Serializable，所以支持序列化。
  • EnumSet 通过 <E extends Enum<E>> 限定了存储元素必须是枚举值。
  • EnumSet 没有构造方法，只能通过类中的 static 方法来创建 EnumSet 对象。
  • EnumSet 是有序的。以枚举值在 EnumSet 类中的定义顺序来决定集合元素的顺序。
  • EnumSet 不是线程安全的。

HashSet vs. LinkedHashSet vs. TreeSet

HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 都是 Set 接口的实现类，都能保证元素唯一，并且都不是线程安全的。

HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 的主要区别在于底层数据结构不同。HashSet 的底层数据结构是哈希表（基于 HashMap 实现）。LinkedHashSet 的底层数据结构是链表和哈希表，元素的插入和取出顺序满足 FIFO。TreeSet 底层数据结构是红黑树，元素是有序的，排序的方式有自然排序和定制排序。

底层数据结构不同又导致这三者的应用场景不同。HashSet 用于不需要保证元素插入和取出顺序的场景，LinkedHashSet 用于保证元素的插入和取出顺序满足 FIFO 的场景，TreeSet 用于支持对元素自定义排序规则的场景。

参考资料

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