Java集合 HashSet的原理及常用方法

對於 HashSet 而言，它是基於 HashMap 實現的，HashSet 底層使用 HashMap 來儲存所有元素，因此 HashSet 的實現比較簡單

HashSet是Java集合Set的一個實現類，Set是一個介面，其實現類除HashSet之外，還有TreeSet，並繼承了Collection，HashSet集合很常用，同時也是程式設計師面試時經常會被問到的知識點，下面是結構圖

public class HashSetextends AbstractSetimplements Set, Cloneable, java.io.Serializable
{}

HashSet有幾個過載的構造方法，我們來看一下

private transient HashMapmap;
//預設構造器
public HashSet() {
    map = new HashMap<>();
}
//將傳入的集合新增到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（裝載因子預設0.75）
public HashSet(int initialCapacity) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity);
}

透過上面的原始碼，我們發現了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。因為底層是透過HashMap實現的，這裡簡單提一下:

HashMap的資料儲存是透過陣列+連結串列/紅黑樹實現的，儲存大概流程是透過hash函式計算在陣列中儲存的位置，如果該位置已經有值了，判斷key是否相同，相同則覆蓋，不相同則放到元素對應的連結串列中，如果連結串列長度大於8，就轉化為紅黑樹，如果容量不夠，則需擴容（注：這只是大致流程）。

如果對HashMap原理不太清楚的話，可以先去了解一下

HashMap原理(一) 概念和底層架構

HashMap原理(二) 擴容機制及存取原理

HashSet的add方法時透過HashMap的put方法實現的，不過HashMap是key-value鍵值對，而HashSet是集合，那麼是怎麼儲存的呢，我們看一下原始碼

private static final Object PRESENT = new Object();
public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
}

看原始碼我們知道，HashSet新增的元素是存放在HashMap的key位置上，而value取了預設常量PRESENT，是一個空物件，至於map的put方法，大家可以看HashMap原理(二) 擴容機制及存取原理。

HashSet的remove方法透過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) {
    Nodee;
    //透過hash(key)找到元素在陣列中的位置，再呼叫removeNode方法刪除
    return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ? null : e.value;
}
/**
 * 
 */
final NoderemoveNode(int hash, Object key, Object value,
                           boolean matchValue, boolean movable) {
    Node[] tab; Nodep; int n, index;
    //步驟1.需要先找到key所對應Node的準確位置，首先透過(n - 1) & hash找到陣列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) {
        Nodenode = null, e; K k; V v;
        //1.1 如果這個node剛好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 運氣不好，在陣列中找到的Node雖然hash相同了，但key值不同，很明顯不對， 我們需要遍歷繼續
         *     往下找；
         */
        else if ((e = p.next) != null) {
            //1.2.1 如果是TreeNode型別，說明HashMap當前是透過陣列+紅黑樹來實現儲存的，遍歷紅黑樹找到對應node
            if (p instanceof TreeNode)
                node = ((TreeNode)p).getTreeNode(hash, key);
            else {
                //1.2.2 如果是連結串列，遍歷連結串列找到對應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);
            }
        }
        //透過前面的步驟1找到了對應的Node,現在我們就需要刪除它了
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                             (value != null && value.equals(v)))) {
            /**
             * 如果是TreeNode型別，刪除方法是透過紅黑樹節點刪除實現的，具體可以參考【TreeMap原理實現
             * 及常用方法】
             */
            if (node instanceof TreeNode)
                ((TreeNode)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
            /** 
             * 如果是連結串列的情況，當找到的節點就是陣列hash位置的第一個元素，那麼該元素刪除後，直接將陣列
             * 第一個位置的引用指向連結串列的下一個即可
             */
            else if (node == p)
                tab[index] = node.next;
            /**
             * 如果找到的本來就是連結串列上的節點，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,隔離開待刪除節點即可
             */
            else
                p.next = node.next;
            ++modCount;
            --size;
            //刪除後可能存在儲存結構的調整，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原理實現及常用方法

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

HashSet作為集合，有多種遍歷方法，如普通for迴圈，增強for迴圈，迭代器，我們透過迭代器遍歷來看一下

public static void main(String[] args) {
    HashSetsetString = 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());
    }
}

列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是透過HashMap來實現的，HashMap透過hash(key)來確定儲存的位置，是不具備儲存順序性的，因此HashSet遍歷出的元素也並非按照插入的順序。

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是否是在TreeMap外面加了一個殼？我們來驗證一下

先看一下LinkedHashSet

最開始的結構圖已經提到了LinkedHashSet是HashSet的子類，我們來看原始碼

public class LinkedHashSetextends HashSetimplements Set, 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 Spliteratorspliterator() {
        return Spliterators.spliterator(this, Spliterator.DISTINCT | Spliterator.ORDERED);
    }
}

上面就是LinkedHashSet的所有程式碼了，是不是感覺智商被否定了，這基本上沒啥東西嘛，構造器還全部呼叫父類的，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);
}

大家也看出來，和我們的猜測一樣，沒有深究下去的必要了。如果有興趣可以看看LinkedHashMap如何保證順序性

在看一下TreeSet

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

確實如我們所猜測，TreeSet也完全依賴於TreeMap來實現，如果有興趣可以看看TreeMap原理實現及常用方法

本來想三章的內容，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，然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，若有不對之處，請批評指正，望共同進步，謝謝！

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