Java集合系列(三)：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet的使用方法及區別

申城異鄉人發表於2019-08-01
Java

本篇部落格主要講解Set介面的三個實現類HashSet、LinkedHashSet、TreeSet的使用方法以及三者之間的區別。

注意：本文中程式碼使用的JDK版本為1.8.0_191

1. HashSet使用

HashSet是Set介面最常用的實現類，底層資料結構是雜湊表，HashSet不保證元素的順序但保證元素必須唯一。

private transient HashMap<E,Object> map;

HashSet類的程式碼宣告如下所示：

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

1.1 新增元素

使用HashSet新增元素的使用方法如下所示：

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

// 新增元素
System.out.println(platformSet.add("部落格園"));
System.out.println(platformSet.add("掘金"));
System.out.println(platformSet.add("微信公眾號"));

// 新增重複元素,不會新增成功,因為Set不允許重複元素
// 不過程式碼不會報錯,而是返回false,即新增失敗
System.out.println(platformSet.add("部落格園"));
System.out.println(platformSet.add("掘金"));

以上程式碼執行的輸出結果是：

true

true

true

false

false

除錯程式碼也會發現platformSet只有3個元素：

Java集合系列(三)：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet的使用方法及區別

值得注意的是，platformSet.add(3, "個人部落格");這句程式碼會出現編譯錯誤，因為Set集合新增元素只有1個方法，並不像上篇部落格中講解的List介面一樣提供了2個過載。

1.2 獲取元素

和List介面不一樣的是，Set類介面並沒有獲取元素的方法。

1.3 獲取集合元素個數

獲取HashSet元素個數的使用方法如下所示：

System.out.println("platformSet的元素個數為：" + platformSet.size());

1.4 刪除元素

值得注意的是，使用HashSet刪除元素也只有1個方法，並不像使用ArrayList刪除元素有2個過載：

public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
}

使用方法如下所示：

// 刪除不存在的元素"個人部落格",返回false
System.out.println(platformSet.remove("個人部落格"));
// 刪除存在的元素 "微信公眾號",返回true
System.out.println(platformSet.remove("微信公眾號"));

1.5 修改元素

和List介面不一樣的是，Set類介面並沒有修改元素的方法。

1.6 判斷集合是否為空

判斷HashSet是否為空的使用方法如下所示：

System.out.println("isEmpty:" + platformSet.isEmpty());

1.7 遍歷元素(面試常問)

遍歷HashSet的元素主要有以下2種方式：

  1. 迭代器遍歷
  2. foreach迴圈

使用方法如下所示：

System.out.println("使用Iterator遍歷：");
Iterator<String> platformIterator = platformSet.iterator();
while (platformIterator.hasNext()) {
    System.out.println(platformIterator.next());
}

System.out.println();
System.out.println("使用foreach遍歷：");
for (String platform : platformSet) {
    System.out.println(platform);
}

1.8 清空集合

清空ArrayList中所有元素的使用方法如下所示：

platformSet.clear();

1.9 完整示例程式碼

上面講解的幾點，完整程式碼如下所示：

package collection;

import java.util.HashSet;
import java.util.Iterator;
import java.util.Set;

public class SetTest {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> platformSet = new HashSet<>();

        // 新增元素
        System.out.println(platformSet.add("部落格園"));
        System.out.println(platformSet.add("掘金"));
        System.out.println(platformSet.add("微信公眾號"));

        // 新增重複元素,不會新增成功,因為Set不允許重複元素
        // 不過程式碼不會報錯,而是返回false,即新增失敗
        System.out.println(platformSet.add("部落格園"));
        System.out.println(platformSet.add("掘金"));


        System.out.println("platformSet的元素個數為：" + platformSet.size());

        // 刪除不存在的元素"個人部落格",返回false
        System.out.println(platformSet.remove("個人部落格"));
        // 刪除存在的元素 "微信公眾號",返回true
        System.out.println(platformSet.remove("微信公眾號"));

        System.out.println("platformSet的元素個數為：" + platformSet.size());

        System.out.println("isEmpty:" + platformSet.isEmpty());

        System.out.println("使用Iterator遍歷：");
        Iterator<String> platformIterator = platformSet.iterator();
        while (platformIterator.hasNext()) {
            System.out.println(platformIterator.next());
        }

        System.out.println();
        System.out.println("使用foreach遍歷：");
        for (String platform : platformSet) {
            System.out.println(platform);
        }

        System.out.println();

        platformSet.clear();
        System.out.println("isEmpty:" + platformSet.isEmpty());
    }
}

輸出結果為：

true

true

true

false

false

platformSet的元素個數為：3

false

true

platformSet的元素個數為：2

isEmpty:false

使用Iterator遍歷：

部落格園

掘金

使用foreach遍歷：

部落格園

掘金

isEmpty:true

2. LinkedHashSet使用

LinkedHashSet也是Set介面的實現類，底層資料結構是連結串列和雜湊表，雜湊表用來保證元素唯一，連結串列用來保證元素的插入順序，即FIFO(First Input First Output 先進先出)。

LinkedHashSet類的程式碼宣告如下所示：

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

從以上程式碼也能看出，LinkedHashSet類繼承了HashSet類。

LinkedHashSet類的使用方法和HashSet基本一樣，只需修改下宣告處的程式碼即可：

Set<String> platformSet = new LinkedHashSet<>();

3. TreeSet使用

TreeSet也是Set介面的實現類，底層資料結構是紅黑樹，TreeSet不僅保證元素的唯一性，也保證元素的順序。

TreeSet類的程式碼宣告如下所示：

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

TreeSet類的使用方法和HashSet基本一樣，只需修改下宣告處的程式碼即可：

Set<String> platformSet = new TreeSet<>();

4. HashSet、LinkedHashSet、TreeSet的區別(面試常問)

HashSet、LinkedHashSet、TreeSet是實現Set介面的3個實現類，其中：

HashSet只是通用的儲存資料的集合，

LinkedHashSet的主要功能用於保證FIFO(先進先出)即有序的集合，

TreeSet的主要功能用於排序(自然排序或者比較器排序)

4.1 相同點

1)HashSet、LinkedHashSet、TreeSet都實現了Set介面

2)三者都保證了元素的唯一性，即不允許元素重複

3)三者都不是執行緒安全的

可以使用Collections.synchronizedSet()方法來保證執行緒安全

4.2 不同點

4.2.1 排序

HashSet不保證元素的順序

LinkHashSet保證FIFO即按插入順序排序

TreeSet保證元素的順序，支援自定義排序規則

空口無憑，上程式碼看效果：

HashSet<String> hashSet = new HashSet<>();
LinkedHashSet<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
TreeSet<String> treeSet = new TreeSet<>();

String[] letterArray = new String[]{"B", "A", "D", "C", "E"};
for (String letter : letterArray) {
    hashSet.add(letter);
    linkedHashSet.add(letter);
    treeSet.add(letter);
}

System.out.println("HashSet(我不保證順序):" + hashSet);
System.out.println("LinkedHashSet(我保證元素插入時的順序):" + linkedHashSet);
System.out.println("TreeSet(我按排序規則保證元素的順序):" + treeSet);

上面程式碼的輸出結果為：

HashSet(我不保證順序):[A, B, C, D, E]

LinkedHashSet(我保證元素插入時的順序):[B, A, D, C, E]

TreeSet(我按排序規則保證元素的順序):[A, B, C, D, E]

4.2.2 null值

HashSet，LinkedHashSet允許新增null值，TreeSet不允許新增null值，新增null時會丟擲java.lang.NullPointerException異常。

Set<String> platformSet = new TreeSet<>();
platformSet.add(null);

執行上面的程式碼，報錯資訊如下所示：

Java集合系列(三)：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet的使用方法及區別

4.2.3 效能

理論情況下，新增相同數量的元素， HashSet最快，其次是LinkedHashSet，TreeSet最慢（因為內部要排序）。

然後我們通過一個示例來驗證下，首先新建Employee類，自定義排序規則：

package collection;

public class Employee implements Comparable<Employee> {
    private Integer employeeNo;

    public Employee(Integer employeeNo) {
        this.employeeNo = employeeNo;
    }

    public Integer getEmployeeNo() {
        return employeeNo;
    }

    public void setEmployeeNo(Integer employeeNo) {
        this.employeeNo = employeeNo;
    }

    @Override
    public int compareTo(Employee o) {
        return this.employeeNo - o.employeeNo;
    }
}

然後新增如下驗證程式碼，分別往HashSet，LinkedHashSet，TreeSet中新增10000個元素：

Random random = new Random();
HashSet<Employee> hashSet = new HashSet<>();
LinkedHashSet<Employee> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
TreeSet<Employee> treeSet = new TreeSet<>();

int maxNo = 10000;

long startTime = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < maxNo; i++) {
    int randomNo = random.nextInt(maxNo - 10) + 10;
    hashSet.add(new Employee(randomNo));
}

long endTime = System.nanoTime();
long duration = endTime - startTime;
System.out.println("HashSet耗時: " + duration);

startTime = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < maxNo; i++) {
    int randomNo = random.nextInt(maxNo - 10) + 10;
    linkedHashSet.add(new Employee(randomNo));
}

endTime = System.nanoTime();
duration = endTime - startTime;
System.out.println("LinkedHashSet:耗時 " + duration);

startTime = System.nanoTime();
for (int i = 0; i < maxNo; i++) {
    int randomNo = random.nextInt(maxNo - 10) + 10;
    treeSet.add(new Employee(randomNo));
}

endTime = System.nanoTime();
duration = endTime - startTime;
System.out.println("TreeSet耗時: " + duration);

第1次執行，輸出結果：

HashSet耗時: 6203357

LinkedHashSet:耗時 5246129

TreeSet耗時: 7813460

第2次執行，輸出結果：

HashSet耗時: 9726115

LinkedHashSet:耗時 5521640

TreeSet耗時: 6884474

第3次執行，輸出結果：

HashSet耗時: 7263940

LinkedHashSet:耗時 6156487

TreeSet耗時: 8554666

第4次執行，輸出結果：

HashSet耗時: 6140263

LinkedHashSet:耗時 4643429

TreeSet耗時: 7804146

第5次執行，輸出結果：

HashSet耗時: 7913810

LinkedHashSet:耗時 5847025

TreeSet耗時: 8511402

從5次執行的耗時可以看出，TreeSet是最耗時的，不過LinkedHashSet的耗時每次都比HashSet少，

這就和上面說的HashSet最快矛盾了，所以這裡留個疑問：HashSet和LinkedHashSet哪個更快？

大家怎麼看待這個問題，歡迎留言。

5. TreeSet的兩種排序方式(面試常問)

先回顧下上面使用TreeSet排序的程式碼：

TreeSet<String> treeSet = new TreeSet<>();

String[] letterArray = new String[]{"B", "A", "D", "C", "E"};
for (String letter : letterArray) {
    treeSet.add(letter);
}

System.out.println("TreeSet(我按排序規則保證元素的順序):" + treeSet);

我們插入元素的順序是"B", "A", "D", "C", "E"，但是輸出元素的順序是"A", "B", "C", "D", "E"，證明TreeSet已經按照內部規則排過序了。

那如果TreeSet中放入的元素型別是我們自定義的引用型別，它的排序規則是什麼樣的呢？

帶著這個疑問，我們新建個Student類如下：

package collection;

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    public Student(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

然後新增如下驗證程式碼：

TreeSet<Student> studentTreeSet = new TreeSet<>();

Student student1 = new Student("zhangsan", 20);
Student student2 = new Student("lisi", 22);
Student student3 = new Student("wangwu", 24);
Student student4 = new Student("zhaoliu", 26);

Student student5 = new Student("zhangsan", 22);

studentTreeSet.add(student1);
studentTreeSet.add(student2);
studentTreeSet.add(student3);
studentTreeSet.add(student4);
studentTreeSet.add(student5);

for (Student student : studentTreeSet) {
    System.out.println("name:" + student.getName() + ",age:" + student.getAge());
}

滿心歡喜的執行程式碼想看下效果，結果卻發現報如下錯誤：

Java集合系列(三)：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet的使用方法及區別

為什麼會這樣呢？

這是因為我們並沒有給Student類定義任何排序規則，TreeSet說我也不知道咋排序，還是甩鍋丟擲異常吧，哈哈。

怎麼解決呢？有以下兩種方式：

  1. 自然排序
  2. 比較器排序

5.1 自然排序

自然排序的實現方式是讓Student類實現介面Comparable，並重寫該介面的方法compareTo，該方法會定義排序規則。

使用IDEA的快捷鍵生成的compareTo方法預設是這樣的：

@Override
public int compareTo(Student o) {
    return 0;
}

這個方法會在執行add()方法新增元素時執行，以便確定元素的位置。

如果返回0，代表兩個元素相同，只會保留第一個元素

如果返回值大於0，代表這個元素要排在引數中指定元素o的後面

如果返回值小於0，代表這個元素要排在引數中指定元素o的前面

因此如果對compareTo()方法不做任何修改，直接執行之前的驗證程式碼，會發現集合中只有1個元素：

name:zhangsan,age:20

然後修改下compareTo()方法的邏輯為：

@Override
public int compareTo(Student o) {
    // 排序規則描述如下
    // 按照姓名的長度排序,長度短的排在前面,長度長的排在後面
    // 如果姓名的長度相同，按字典順序比較String
    // 如果姓名完全相同,按年齡排序,年齡小的排在前面,年齡大的排在後面

    int orderByNameLength = this.name.length() - o.name.length();
    int orderByName = orderByNameLength == 0 ? this.name.compareTo(o.name) : orderByNameLength;
    int orderByAge = orderByName == 0 ? this.age - o.age : orderByName;

    return orderByAge;
}

再次執行之前的驗證程式碼，輸出結果如下所示：

name:lisi,age:22

name:wangwu,age:24

name:zhaoliu,age:26

name:zhangsan,age:20

name:zhangsan,age:22

5.2 比較器排序

比較器排序的實現方式是新建一個比較器類，繼承介面Comparator，重寫介面中的Compare()方法。

注意：使用此種方式Student類不需要實現介面Comparable，更不需要重寫該介面的方法compareTo。

package collection;

import java.util.Comparator;

public class StudentComparator implements Comparator<Student> {
    @Override
    public int compare(Student o1, Student o2) {
        // 排序規則描述如下
        // 按照姓名的長度排序,長度短的排在前面,長度長的排在後面
        // 如果姓名的長度相同，按字典順序比較String
        // 如果姓名完全相同,按年齡排序,年齡小的排在前面,年齡大的排在後面

        int orderByNameLength = o1.getName().length() - o2.getName().length();
        int orderByName = orderByNameLength == 0 ? o1.getName().compareTo(o2.getName()) : orderByNameLength;
        int orderByAge = orderByName == 0 ? o1.getAge() - o2.getAge() : orderByName;

        return orderByAge;
    }
}

然後修改下驗證程式碼中宣告studentTreeSet的程式碼即可：

TreeSet<Student> studentTreeSet = new TreeSet<>(new StudentComparator());

輸出結果和使用自然排序的輸出結果完全一樣。

6. 原始碼及參考

Java集合中List,Set以及Map等集合體系詳解(史上最全)

7. 最後

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