Java集合詳解7：一文搞清楚HashSet，TreeSet與LinkedHashSet的異同
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今天我們來探索一下HashSet，TreeSet與LinkedHashSet的基本原理與原始碼實現，由於這三個set都是基於之前文章的三個map進行實現的，所以推薦大家先看一下前面有關map的文章，結合使用味道更佳。
本文參考
http://cmsblogs.com/?p=599
HashSet
定義
public class HashSet<E>
extends AbstractSet<E>
implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
HashSet繼承AbstractSet類，實現Set、Cloneable、Serializable介面。其中AbstractSet提供 Set 介面的骨幹實現，從而最大限度地減少了實現此介面所需的工作。
==Set介面是一種不包括重複元素的Collection，它維持它自己的內部排序，所以隨機訪問沒有任何意義。==
本文基於1.8jdk進行原始碼分析。
基本屬性
基於HashMap實現，底層使用HashMap儲存所有元素
private transient HashMap<E,Object> map;
//定義一個Object物件作為HashMap的value
private static final Object PRESENT = new Object();
建構函式
/**
* 預設建構函式
* 初始化一個空的HashMap，並使用預設初始容量為16和載入因子0.75。
*/
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
/**
* 構造一個包含指定 collection 中的元素的新 set。
*/
public HashSet(Collection<? extends E> c) {
map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
addAll(c);
}
/**
* 構造一個新的空 set，其底層 HashMap 例項具有指定的初始容量和指定的載入因子
*/
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
/**
* 構造一個新的空 set，其底層 HashMap 例項具有指定的初始容量和預設的載入因子（0.75）。
*/
public HashSet(int initialCapacity) {
map = new HashMap<>(initialCapacity);
}
/**
* 在API中我沒有看到這個建構函式，今天看原始碼才發現（原來訪問許可權為包許可權，不對外公開的）
* 以指定的initialCapacity和loadFactor構造一個新的空連結雜湊集合。
* dummy 為標識 該建構函式主要作用是對LinkedHashSet起到一個支援作用
*/
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
從建構函式中可以看出HashSet所有的構造都是構造出一個新的HashMap，其中最後一個建構函式，為包訪問許可權是不對外公開，僅僅只在使用LinkedHashSet時才會發生作用。
方法
既然HashSet是基於HashMap，那麼對於HashSet而言，其方法的實現過程是非常簡單的。
public Iterator<E> iterator() {
return map.keySet().iterator();
}
iterator()方法返回對此 set 中元素進行迭代的迭代器。返回元素的順序並不是特定的。
底層呼叫HashMap的keySet返回所有的key，這點反應了HashSet中的所有元素都是儲存在HashMap的key中，value則是使用的PRESENT物件，該物件為static final。
public int size() { return map.size(); } size()返回此 set 中的元素的數量（set 的容量）。底層呼叫HashMap的size方法，返回HashMap容器的大小。
public boolean isEmpty() {
return map.isEmpty();
}
isEmpty()，判斷HashSet()集合是否為空，為空返回 true，否則返回false。
public boolean contains(Object o) {
return map.containsKey(o);
}
public boolean containsKey(Object key) {
return getNode(hash(key), key) != null;
}
//最終呼叫該方法進行節點查詢
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
//先檢查桶的頭結點是否存在
if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
(first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
if (first.hash == hash && // always check first node
((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return first;
//不是頭結點，則遍歷連結串列，如果是樹節點則使用樹節點的方法遍歷，直到找到，或者為null
if ((e = first.next) != null) {
if (first instanceof TreeNode)
return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
do {
if (e.hash == hash &&
((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
return e;
} while ((e = e.next) != null);
}
}
return null;
}
contains()，判斷某個元素是否存在於HashSet()中，存在返回true，否則返回false。更加確切的講應該是要滿足這種關係才能返回true：(o==null ? e==null : o.equals(e))。底層呼叫containsKey判斷HashMap的key值是否為空。
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT)==null;
}
public V put(K key, V value) {
return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
map的put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;
//確認初始化
if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
n = (tab = resize()).length;
//如果桶為空，直接插入新元素，也就是entry
if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
else {
Node<K,V> e; K k;
//如果衝突，分為三種情況
//key相等時讓舊entry等於新entry即可
if (p.hash == hash &&
((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
e = p;
//紅黑樹情況
else if (p instanceof TreeNode)
e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
else {
//如果key不相等，則連成連結串列
for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
if ((e = p.next) == null) {
p.next = newNode(hash, key, value, null);
if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 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;
if (++size > threshold)
resize();
afterNodeInsertion(evict);
return null;
}
這裡注意一點，hashset只是不允許重複的元素加入，而不是不允許元素連成連結串列，因為只要key的equals方法判斷為true時它們是相等的，此時會發生value的替換，因為所有entry的value一樣，所以和沒有插入時一樣的。
而當兩個hashcode相同但key不相等的entry插入時，仍然會連成一個連結串列，長度超過8時依然會和hashmap一樣擴充套件成紅黑樹，看完原始碼之後筆者才明白自己之前理解錯了。所以看原始碼還是蠻有好處的。hashset基本上就是使用hashmap的方法再次實現了一遍而已，只不過value全都是同一個object，讓你以為相同元素沒有插入，事實上只是value替換成和原來相同的值而已。
當add方法發生衝突時，如果key相同，則替換value，如果key不同，則連成連結串列。
add()如果此 set 中尚未包含指定元素，則新增指定元素。如果此Set沒有包含滿足(e==null ? e2==null : e.equals(e2)) 的e2時，則將e2新增到Set中，否則不新增且返回false。
由於底層使用HashMap的put方法將key = e，value=PRESENT構建成key-value鍵值對，當此e存在於HashMap的key中，則value將會覆蓋原有value，但是key保持不變，所以如果將一個已經存在的e元素新增中HashSet中，新新增的元素是不會儲存到HashMap中，所以這就滿足了HashSet中元素不會重複的特性。
public boolean remove(Object o) {
return map.remove(o)==PRESENT;
}
remove如果指定元素存在於此 set 中，則將其移除。底層使用HashMap的remove方法刪除指定的Entry。
public void clear() {
map.clear();
}
clear從此 set 中移除所有元素。底層呼叫HashMap的clear方法清除所有的Entry。
public Object clone() {
try {
HashSet<E> newSet = (HashSet<E>) super.clone();
newSet.map = (HashMap<E, Object>) map.clone();
return newSet;
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError();
}
}
clone返回此 HashSet 例項的淺表副本：並沒有複製這些元素本身。
後記：
由於HashSet底層使用了HashMap實現，使其的實現過程變得非常簡單，如果你對HashMap比較瞭解，那麼HashSet簡直是小菜一碟。有兩個方法對HashMap和HashSet而言是非常重要的，下篇將詳細講解hashcode和equals。
TreeSet
與HashSet是基於HashMap實現一樣，TreeSet同樣是基於TreeMap實現的。在《Java提高篇（二七）——-TreeMap》中LZ詳細講解了TreeMap實現機制，如果客官詳情看了這篇博文或者多TreeMap有比較詳細的瞭解，那麼TreeSet的實現對您是喝口水那麼簡單。
TreeSet定義
我們知道TreeMap是一個有序的二叉樹，那麼同理TreeSet同樣也是一個有序的，它的作用是提供有序的Set集合。通過原始碼我們知道TreeSet基礎AbstractSet，實現NavigableSet、Cloneable、Serializable介面。
其中AbstractSet提供 Set 介面的骨幹實現，從而最大限度地減少了實現此介面所需的工作。
NavigableSet是擴充套件的 SortedSet，具有了為給定搜尋目標報告最接近匹配項的導航方法，這就意味著它支援一系列的導航方法。比如查詢與指定目標最匹配項。Cloneable支援克隆，Serializable支援序列化。
public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>
implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable
同時在TreeSet中定義瞭如下幾個變數。
private transient NavigableMap<E,Object> m;
//PRESENT會被當做Map的value與key構建成鍵值對
private static final Object PRESENT = new Object();
其構造方法：
//預設構造方法，根據其元素的自然順序進行排序
public TreeSet() {
this(new TreeMap<E,Object>());
}
//構造一個包含指定 collection 元素的新 TreeSet，它按照其元素的自然順序進行排序。
public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {
this(new TreeMap<>(comparator));
}
//構造一個新的空 TreeSet，它根據指定比較器進行排序。
public TreeSet(Collection<? extends E> c) {
this();
addAll(c);
}
//構造一個與指定有序 set 具有相同對映關係和相同排序的新 TreeSet。
public TreeSet(SortedSet<E> s) {
this(s.comparator());
addAll(s);
}
TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) {
this.m = m;
}
TreeSet主要方法
1、add：將指定的元素新增到此 set（如果該元素尚未存在於 set 中）。
public boolean add(E e) {
return m.put(e, PRESENT)==null;
}
public V put(K key, V value) {
Entry<K,V> t = root;
if (t == null) {
//空樹時，判斷節點是否為空
compare(key, key); // type (and possibly null) check
root = new Entry<>(key, value, null);
size = 1;
modCount++;
return null;
}
int cmp;
Entry<K,V> parent;
// split comparator and comparable paths
Comparator<? super K> cpr = comparator;
//非空樹，根據傳入比較器進行節點的插入位置查詢
if (cpr != null) {
do {
parent = t;
//節點比根節點小，則找左子樹，否則找右子樹
cmp = cpr.compare(key, t.key);
if (cmp < 0)
t = t.left;
else if (cmp > 0)
t = t.right;
//如果key的比較返回值相等，直接更新值（一般compareto相等時equals方法也相等）
else
return t.setValue(value);
} while (t != null);
}
else {
//如果沒有傳入比較器，則按照自然排序
if (key == null)
throw new NullPointerException();
@SuppressWarnings("unchecked")
Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;
do {
parent = t;
cmp = k.compareTo(t.key);
if (cmp < 0)
t = t.left;
else if (cmp > 0)
t = t.right;
else
return t.setValue(value);
} while (t != null);
}
//查詢的節點為空，直接插入，預設為紅節點
Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);
if (cmp < 0)
parent.left = e;
else
parent.right = e;
//插入後進行紅黑樹調整
fixAfterInsertion(e);
size++;
modCount++;
return null;
}
2、get：獲取元素
public V get(Object key) {
Entry<K,V> p = getEntry(key);
return (p==null ? null : p.value);
}
該方法與put的流程類似，只不過是把插入換成了查詢
3、ceiling：返回此 set 中大於等於給定元素的最小元素；如果不存在這樣的元素，則返回 null。
public E ceiling(E e) {
return m.ceilingKey(e);
}
4、clear：移除此 set 中的所有元素。
public void clear() {
m.clear();
}
5、clone：返回 TreeSet 例項的淺表副本。屬於淺拷貝。
public Object clone() {
TreeSet<E> clone = null;
try {
clone = (TreeSet<E>) super.clone();
} catch (CloneNotSupportedException e) {
throw new InternalError();
}
clone.m = new TreeMap<>(m);
return clone;
}
6、comparator：返回對此 set 中的元素進行排序的比較器；如果此 set 使用其元素的自然順序，則返回 null。
public Comparator<? super E> comparator() {
return m.comparator();
}
7、contains：如果此 set 包含指定的元素，則返回 true。
public boolean contains(Object o) {
return m.containsKey(o);
}
8、descendingIterator：返回在此 set 元素上按降序進行迭代的迭代器。
public Iterator<E> descendingIterator() {
return m.descendingKeySet().iterator();
}
9、descendingSet：返回此 set 中所包含元素的逆序檢視。
public NavigableSet<E> descendingSet() {
return new TreeSet<>(m.descendingMap());
}
10、first：返回此 set 中當前第一個（最低）元素。
public E first() {
return m.firstKey();
}
11、floor：返回此 set 中小於等於給定元素的最大元素；如果不存在這樣的元素，則返回 null。
public E floor(E e) {
return m.floorKey(e);
}
12、headSet：返回此 set 的部分檢視，其元素嚴格小於 toElement。
public SortedSet<E> headSet(E toElement) {
return headSet(toElement, false);
}
13、higher：返回此 set 中嚴格大於給定元素的最小元素；如果不存在這樣的元素，則返回 null。
public E higher(E e) {
return m.higherKey(e);
}
14、isEmpty：如果此 set 不包含任何元素，則返回 true。
public boolean isEmpty() {
return m.isEmpty();
}
15、iterator：返回在此 set 中的元素上按升序進行迭代的迭代器。
public Iterator<E> iterator() {
return m.navigableKeySet().iterator();
}
16、last：返回此 set 中當前最後一個（最高）元素。
public E last() {
return m.lastKey();
}
17、lower：返回此 set 中嚴格小於給定元素的最大元素；如果不存在這樣的元素，則返回 null。
public E lower(E e) {
return m.lowerKey(e);
}
18、pollFirst：獲取並移除第一個（最低）元素；如果此 set 為空，則返回 null。
public E pollFirst() {
Map.Entry<E,?> e = m.pollFirstEntry();
return (e == null) ? null : e.getKey();
}
19、pollLast：獲取並移除最後一個（最高）元素；如果此 set 為空，則返回 null。
public E pollLast() {
Map.Entry<E,?> e = m.pollLastEntry();
return (e == null) ? null : e.getKey();
}
20、remove：將指定的元素從 set 中移除（如果該元素存在於此 set 中）。
public boolean remove(Object o) {
return m.remove(o)==PRESENT;
}
該方法與put類似，只不過把插入換成了刪除，並且要進行刪除後調整
21、size：返回 set 中的元素數（set 的容量）。
public int size() {
return m.size();
}
22、subSet：返回此 set 的部分檢視
/**
* 返回此 set 的部分檢視，其元素範圍從 fromElement 到 toElement。
*/
public NavigableSet<E> subSet(E fromElement, boolean fromInclusive,
E toElement, boolean toInclusive) {
return new TreeSet<>(m.subMap(fromElement, fromInclusive,
toElement, toInclusive));
}
/**
* 返回此 set 的部分檢視，其元素從 fromElement（包括）到 toElement（不包括）。
*/
public SortedSet<E> subSet(E fromElement, E toElement) {
return subSet(fromElement, true, toElement, false);
}
23、tailSet：返回此 set 的部分檢視
/**
* 返回此 set 的部分檢視，其元素大於（或等於，如果 inclusive 為 true）fromElement。
*/
public NavigableSet<E> tailSet(E fromElement, boolean inclusive) {
return new TreeSet<>(m.tailMap(fromElement, inclusive));
}
/**
* 返回此 set 的部分檢視，其元素大於等於 fromElement。
*/
public SortedSet<E> tailSet(E fromElement) {
return tailSet(fromElement, true);
}
最後
由於TreeSet是基於TreeMap實現的，所以如果我們對treeMap有了一定的瞭解，對TreeSet那是小菜一碟，我們從TreeSet中的原始碼可以看出，其實現過程非常簡單，幾乎所有的方法實現全部都是基於TreeMap的。
LinkedHashSet
LinkedHashSet內部是如何工作的
LinkedHashSet是HashSet的一個“擴充套件版本”，HashSet並不管什麼順序，不同的是LinkedHashSet會維護“插入順序”。HashSet內部使用HashMap物件來儲存它的元素，而LinkedHashSet內部使用LinkedHashMap物件來儲存和處理它的元素。這篇文章，我們將會看到LinkedHashSet內部是如何運作的及如何維護插入順序的。
我們首先著眼LinkedHashSet的建構函式。在LinkedHashSet類中一共有4個建構函式。這些建構函式都只是簡單地呼叫父類建構函式（如HashSet類的建構函式）。
下面看看LinkedHashSet的建構函式是如何定義的。
//Constructor - 1
public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor)
{
super(initialCapacity, loadFactor, true); //Calling super class constructor
}
//Constructor - 2
public LinkedHashSet(int initialCapacity)
{
super(initialCapacity, .75f, true); //Calling super class constructor
}
//Constructor - 3
public LinkedHashSet()
{
super(16, .75f, true); //Calling super class constructor
}
//Constructor - 4
public LinkedHashSet(Collection<? extends E> c)
{
super(Math.max(2*c.size(), 11), .75f, true); //Calling super class constructor
addAll(c);
}
在上面的程式碼片段中，你可能注意到4個建構函式呼叫的是同一個父類的建構函式。這個建構函式（父類的，譯者注）是一個包內私有建構函式（見下面的程式碼，HashSet的建構函式沒有使用public公開，譯者注），它只能被LinkedHashSet使用。
這個建構函式需要初始容量，負載因子和一個boolean型別的啞值（沒有什麼用處的引數，作為標記，譯者注）等引數。這個啞引數只是用來區別這個建構函式與HashSet的其他擁有初始容量和負載因子引數的建構函式，下面是這個建構函式的定義，
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy)
{
map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
顯然，這個建構函式內部初始化了一個LinkedHashMap物件，這個物件恰好被LinkedHashSet用來儲存它的元素。
LinkedHashSet並沒有自己的方法，所有的方法都繼承自它的父類HashSet，因此，對LinkedHashSet的所有操作方式就好像對HashSet操作一樣。
唯一的不同是內部使用不同的物件去儲存元素。在HashSet中，插入的元素是被當做HashMap的鍵來儲存的，而在LinkedHashSet中被看作是LinkedHashMap的鍵。
這些鍵對應的值都是常量PRESENT（PRESENT是HashSet的靜態成員變數，譯者注）。
LinkedHashSet是如何維護插入順序的
LinkedHashSet使用LinkedHashMap物件來儲存它的元素，插入到LinkedHashSet中的元素實際上是被當作LinkedHashMap的鍵儲存起來的。
LinkedHashMap的每一個鍵值對都是通過內部的靜態類Entry
例項化的。這個 Entry 類繼承了HashMap.Entry類。 這個靜態類增加了兩個成員變數，before和after來維護LinkedHasMap元素的插入順序。這兩個成員變數分別指向前一個和後一個元素，這讓LinkedHashMap也有類似雙向連結串列的表現。
private static class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V>
{
// These fields comprise the doubly linked list used for iteration.
Entry<K,V> before, after;
Entry(int hash, K key, V value, HashMap.Entry<K,V> next) {
super(hash, key, value, next);
}
}
從上面程式碼看到的LinkedHashMap內部類的前面兩個成員變數——before和after負責維護LinkedHashSet的插入順序。LinkedHashMap定義的成員變數header儲存的是
這個雙向連結串列的頭節點。header的定義就像下面這樣，
接下來看一個例子就知道LinkedHashSet內部是如何工作的了。
public class LinkedHashSetExample
{
public static void main(String[] args)
{
//Creating LinkedHashSet
LinkedHashSet<String> set = new LinkedHashSet<String>();
//Adding elements to LinkedHashSet
set.add("BLUE");
set.add("RED");
set.add("GREEN");
set.add("BLACK");
}
}
如果你知道LinkedHashMap內部是如何工作的，就非常容易明白LinkedHashSet內部是如何工作的。看一遍LinkedHashSet和LinkedHashMap的原始碼，
你就能夠準確地理解在Java中LinkedHashSet內部是如何工作的。
參考文章
https://www.cnblogs.com/one-apple-pie/p/11036309.html
https://blog.csdn.net/learningcoding/article/details/79983248
微信公眾號
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來自 “ ITPUB部落格 ” ，連結：http://blog.itpub.net/69906029/viewspace-2659774/，如需轉載，請註明出處，否則將追究法律責任。
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