Java Collection接口的子接口之Set接口及其Set接口的主要实现类HashSet,LinkedHashSet,TreeSet详解(一)

简介: Java Collection接口的子接口之Set接口及其Set接口的主要实现类HashSet,LinkedHashSet,TreeSet详解

一、Set接口的框架:

1.Collection接口:单列集合,用来存储一个一个的对象

2.Set接口:存储无序的,不可重复的数据 ,说白了就是高中讲的"集合"

3.HashSet接口:作为Set接口的主要实现类,线程不安全的,可以存储null值

4.LinkedHashSet:作为HashSet的子类,遍历其内部数据时,可以按照添加的顺序进行遍历。

对于频繁的遍历操作,LinkedHashSet效率高于HashSet

5.TreeSet接口:可以按照添加对象的指定属性,进行排序。

二、Set集合的无序性与不可重复性的理解:

  1. 无序性:不等于随机性,存储的数据在底层数组中并非按照数组索引的顺序添加,而是根据数据的哈希值决定的。
  2. 不可重复性:保证添加的元素按照equals()判断时,不能返回true,即:相同的元素只能添加一个
  3. Set接口中没有额外定义新方法,使用的都是Collection中声明过的方法
  4. 要求:向Set中添加的数据,其所在的类一定要重写equals()方法和hashCode()方法
    要求:重写的hashCode和equals()方法尽可能保持一致性:相等的对象必须具有相等的散列码(hash值)
    重写两个方法的小技巧:对象中用作equals()方法比较的Field,都应该用来计算hashCode值.用快捷键直接生成就行了。

Set接口和常用方法如下

public class SetMethod {
    public static void main(String[] args) {
        //1.以Set接口的实现类,HashSet来讲解Set接口的方法
        //2.set接口的实现类的对象(Set接口对象),不能存放重复的元素,可以添加一个null
        //3.set接口对象存放数据是无序(即添加的顺序和取出的顺序不一致)
        //4.注意:取出的顺序虽然不是添加的顺序,但是它是固定的
        Set set = new HashSet();
        set.add("john");
        set.add("lucy");
        set.add("john");
        set.add("jack");
        set.add(null);
        set.add(null);
        set.add("ly");
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            System.out.println("set=" + set);//取出的顺序,它是固定的
        }
        //遍历
        //方式一:使用迭代器
        Iterator iterator = set.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            Object obj = iterator.next();
            System.out.println("obj=" + obj);
        }
        set.remove(null); //删除null
        System.out.println("===增强for循环===");
        //方式二:增强for循环
        for (Object obj : set) {
            System.out.println("obj=" + obj);
        }
        //set接口对象,不能通过索引来获取
    }
}

输出结果如下

set=[null, john, lucy, ly, jack]
set=[null, john, lucy, ly, jack]
set=[null, john, lucy, ly, jack]
set=[null, john, lucy, ly, jack]
set=[null, john, lucy, ly, jack]
set=[null, john, lucy, ly, jack]
set=[null, john, lucy, ly, jack]
set=[null, john, lucy, ly, jack]
set=[null, john, lucy, ly, jack]
set=[null, john, lucy, ly, jack]
obj=null
obj=john
obj=lucy
obj=ly
obj=jack
===增强for循环===
obj=john
obj=lucy
obj=ly
obj=jack

三、HashSet的全面说明

对应的代码讲解如下

public class HashSet_ {
    public static void main(String[] args) {
        //1.构造器走的代码
        /*
            public HashSet() {
                map = new HashMap<>();
            }
         2.HashSet可以存放null,但是只能有一个null,即元素不能重复
         */
        Set hashSet = new HashSet();
        hashSet.add(null);
        hashSet.add(null);
        System.out.println("hashSet=" + hashSet);
    }
}

输出结果如下

hashSet=[null]

HashSet的案例说明

public class HashSet01 {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet set = new HashSet();
        //说明
        //1.在执行add方法时,会返回一个boolean值
        //2.如果添加成功,返回true,否则返回false
        //3.可以通过remove 指定删除哪个对象
        System.out.println(set.add("john"));//true
        System.out.println(set.add("lucy"));//true
        System.out.println(set.add("john"));//false
        System.out.println(set.add("jack"));//true
        System.out.println(set.add("Rose"));//true
        set.remove("john");
        System.out.println("set=" + set);
        set = new HashSet();
        System.out.println(set);//[]
        set.add("lucy");//添加成功
        set.add("lucy");//加入不了
        set.add(new Dog("tom"));//添加成功
        set.add(new Dog("tom"));//添加成功
        System.out.println("set=" + set);
        //经典面试题
        set.add(new String("ly"));//添加成功
        set.add(new String("ly"));//加入不了
        System.out.println("set=" + set);
    }
}
class Dog {
    private String name;
    @Override
    public String toString() {
        return "Dog{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
    public Dog(String name) {
        this.name = name;
    }
}

输出结果

true
true
false
true
true
set=[Rose, lucy, jack]
[]
set=[Dog{name='tom'}, Dog{name='tom'}, lucy]
set=[Dog{name='tom'}, Dog{name='tom'}, lucy, ly]

HashSet底层机制说明

1、HashSet底层是HashMap,HashMap底层是(数组+链表+红黑树)

下面模拟简单的数组+链表结构代码如下

public class HashSetStructure {
    public static void main(String[] args) {
        //模拟一个HashSet的底层(HashMap的底层结构)
        Node[] table = new Node[16];
        System.out.println("table=" + Arrays.toString(table));
        //3.创建结点
        Node john = new Node("john", null);
        table[2] = john;
        Node jack = new Node("jack", null);
        john.next = jack;//将jack结点 挂载到john
        Node rose = new Node("Rose", null);
        jack.next = rose;//将rose结点,挂载到jack
        System.out.println("table="+table[2]);
        Node lucy = new Node("lucy", null);
        table[3] = lucy;
        System.out.println("table="+table[3]);
    }
}
class Node {//结点,存储数据,可以指向下一个结点,从而形成链表
    Object item;//存放数据
    Node next;//指向下一个结点
    public Node(Object item, Node next) {
        this.item = item;
        this.next = next;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Node{" +
                "item=" + item +
                ", next=" + next +
                '}';
    }
}

输出结果如下

table=[null, null, null, null, null, null, null, null, null, null, null, null, null, null, null, null]
table=Node{item=john, next=Node{item=jack, next=Node{item=Rose, next=null}}}
table=Node{item=lucy, next=null}

四、添加元素的过程:以HashSet为例:

我们向HashSet中添加元素a,首先调用元素a所在类的HashCode()方法,计算元素a的哈希值,此哈希值通过某种算法计算出在HashSet底层数组中的存放位置(即为:索引位置),判断数组此位置上是否已经有元素。

如果此位置上没有其他元素,则元素a添加成功 ----情况1

如果此位置上有其他元素b(或以链表形式存在的多个元素),则比较元素a与元素b的hash值。

如果hash值不同,则元素a添加成功 -----情况2

如果hash值相同,进而需要调用元素a所在类的equals()方法,equals()返回true,则元素a添加失败,

equals()返回false,则元素a添加成功… ------情况3

注:对于添加成功的情况2和情况3而言,元素a与已经存在指定索引位置上数据以链表的形式存储

JDK7:元素a放到数组中,指向原来的元素

JDK8:原来的元素在数组中,指向元素a

总结:七上八下

HashSet底层:数组+链表的结构

五、HashSet的源码剖析

剖析代码如下

public class HashSetSource {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet hashSet = new HashSet();
        hashSet.add("java");
        hashSet.add("php");
        hashSet.add("java");
        System.out.println("hashSet=" + hashSet);
        /*
            HashSet源码解读:
            1.执行HashSet()
            public HashSet() {
                map = new HashMap<>();
            }
            2.执行add方法
            public boolean add(E e) {//e="java"
                return map.put(e, PRESENT)==null; //PRESENT 就是 private static final Object PRESENT = new Object();
            }
            3.执行put()方法,该方法会执行hash(key),得到key对应的hash值,算法(h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16)
            public V put(K key, V value) {key="java" value=PRESENT
                return putVal(hash(key), key, value, false, true);
            }
            4.执行putVal()方法
            final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
                    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;//定义了辅助变量
                    //table就是HashMap的一个数组,类型是Node[]
                    //if 语句表示当前table是null,或者大小=0
                    //就是第一次扩容,到16个空间
                    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
                        n = (tab = resize()).length;
                    //根据key,得到的hash值 去计算key应该存放到table表的哪个索引位置,
                    //并把这个位置的对象,赋给p
                    //(2)判断p 是否为null
                    //(2.1)如果p 为null,表示还没有存放元素,就创建一个Node(key="java",value=PRESENT)
                    //(2.2)就放在该位置 tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
                    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
                        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
                    else {
                        //一个开发技巧提示:在需要局部变量(辅助变量)时候,再创建
                        Node<K,V> e; K k;
                        //如果当前索引位置对应的链表的第一个元素和准备添加的key的hash值一样
                        //并且满足 下面两个条件之一:
                        //(1)准备加入的key和p指向的Node结点的key是同一个对象
                        //(2)p指向的Node结点的key的equals()和准备加入的key比较后相同
                        //就不能加入
                        if (p.hash == hash &&
                            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                            e = p;
                        //再判断p是不是一颗红黑树
                        //如果是一颗红黑树,就调用putTreeVal,来进行添加
                        else if (p instanceof TreeNode)
                            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                        else {//如果table对应的索引位置,已经是一个链表,就是用for循环比较
                              //(1)依次和该链表的每一个元素比较后,都不相同,则加入到该链表的最后
                              //注意在把元素添加到链表后,立即判断该链表是否已经达到8个结点,如果达到8个结点(是从0开始的)
                              //就调用treefyBin()对当前这个链表进行树化(转成红黑树)
                              //注意,在转成红黑树时,要进行判断
                              //    if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)
                              //            resize();
                              // 如果上面条件成立,先table扩容
                              //只有上面条件不成立时,才进行转成红黑树
                              //(2)依次和该链表的每一个元素比较过程中,如果有相同情况,就直接break
                            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                                if ((e = p.next) == null) {
                                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD(8) - 1) // -1 for 1st
                                        treeifyBin(tab, hash);
                                    break;
                                }
                                if (e.hash == hash &&
                                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                                    break;
                                p = e;
                            }
                        }
                        if (e != null) { // existing mapping for key
                            V oldValue = e.value;
                            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                                e.value = value;
                            afterNodeAccess(e);
                            return oldValue;
                        }
                    }
                    ++modCount;
                      //size就是我们每加入一个结点Node(k,v,h,next) size++
                    if (++size > threshold)
                        resize();
                    afterNodeInsertion(evict);
                    return null;
                }
         */
    }
}

HashSet底层机制二

可以debug以下代码,进行分析

public class HashSetIncrement {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet hashSet = new HashSet();
//        for (int i = 1; i < 100; i++) {
//            hashSet.add(i);
//        }
        /*
        在java8中,如果一条链表的元素个数达到TREEIFY_THRESHOLD(默认是8)
        并且table的大小 >= MIN_TREEIFY_CAPACITY(默认64),就会进行树化(红黑树)
        否则仍然采用数组扩容机制
         */
        for (int i = 1; i < 12; i++) {
            hashSet.add(new A(i));
        }
    }
}
class A {
    private int n;
    public A(int n) {
        this.n = n;
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        return 100;
    }
}

HashSet底层机制三

当我们向hashset增加一个元素时,->Node ->加入到table,就算是增加了一个size++

可以debug以下源码进行分析

public class HashSetIncrement {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet hashSet = new HashSet();
        /*
            当我们向hashset增加一个元素时,->Node ->加入到table,就算是增加了一个size++
         */
        for (int i = 1; i <=7 ; i++) {//在table的某一条链表上添加了 7个A对象
            hashSet.add(new A(i));
        }
        for (int i = 0; i <=7 ; i++) {//在table的某一条链表上添加了 7个A对象
            hashSet.add(new B(i));
        }
    }
}
class B{
    private int n;
    public B(int n) {
        this.n = n;
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        return 200;
    }
}
class A {
    private int n;
    public A(int n) {
        this.n = n;
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        return 100;
    }
}


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