Java集合详解7：HashSet，TreeSet与LinkedHashSet

Posted 2021-02-16 xll1025

今天我们来探索一下HashSet，TreeSet与LinkedHashSet的基本原理与源码实现，由于这三个set都是基于之前文章的三个map进行实现的，所以推荐大家先看一下前面有关map的文章，结合使用味道更佳。

具体代码在我的GitHub中可以找到

https://github.com/h2pl/MyTech

文章首发于我的个人博客：

https://h2pl.github.io/2018/05/12/collection7

更多关于Java后端学习的内容请到我的CSDN博客上查看：

https://blog.csdn.net/a724888

我的个人博客主要发原创文章，也欢迎浏览 https://h2pl.github.io/

本文参考 http://cmsblogs.com/?p=599

HashSet

定义

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

HashSet继承AbstractSet类，实现Set、Cloneable、Serializable接口。其中AbstractSet提供 Set 接口的骨干实现，从而最大限度地减少了实现此接口所需的工作。 ==Set接口是一种不包括重复元素的Collection，它维持它自己的内部排序，所以随机访问没有任何意义。==

本文基于1.8jdk进行源码分析。

基本属性

基于HashMap实现，底层使用HashMap保存所有元素

private transient HashMap<E,Object> map;

//定义一个Object对象作为HashMap的value
private static final Object PRESENT = new Object();

构造函数

/**
     * 默认构造函数
     * 初始化一个空的HashMap，并使用默认初始容量为16和加载因子0.75。
     */
    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

    /**
     * 构造一个包含指定 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);
    }

    /**
     * 构造一个新的空 set，其底层 HashMap 实例具有指定的初始容量和指定的加载因子
     */
    public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
        map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }

    /**
     * 构造一个新的空 set，其底层 HashMap 实例具有指定的初始容量和默认的加载因子（0.75）。
     */
    public HashSet(int initialCapacity) {
       map = new HashMap<>(initialCapacity);
    }

    /**
     * 在API中我没有看到这个构造函数，今天看源码才发现（原来访问权限为包权限，不对外公开的）
     * 以指定的initialCapacity和loadFactor构造一个新的空链接哈希集合。
     * dummy 为标识 该构造函数主要作用是对LinkedHashSet起到一个支持作用
     */
    HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
       map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }
 从构造函数中可以看出HashSet所有的构造都是构造出一个新的HashMap，其中最后一个构造函数，为包访问权限是不对外公开，仅仅只在使用LinkedHashSet时才会发生作用。

方法

既然HashSet是基于HashMap，那么对于HashSet而言，其方法的实现过程是非常简单的。

public Iterator<E> iterator() {
        return map.keySet().iterator();
    }

iterator()方法返回对此 set 中元素进行迭代的迭代器。返回元素的顺序并不是特定的。

底层调用HashMap的keySet返回所有的key，这点反应了HashSet中的所有元素都是保存在HashMap的key中，value则是使用的PRESENT对象，该对象为static final。

public int size() {
        return map.size();
    }
   size()返回此 set 中的元素的数量（set 的容量）。底层调用HashMap的size方法，返回HashMap容器的大小。

public boolean isEmpty() {
        return map.isEmpty();
    }
    isEmpty()，判断HashSet()集合是否为空，为空返回 true，否则返回false。

public boolean contains(Object o) {
        return map.containsKey(o);
}

public boolean containsKey(Object key) {
    return getNode(hash(key), key) != null;
}

//最终调用该方法进行节点查找
final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    //先检查桶的头结点是否存在
    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;
            //不是头结点，则遍历链表，如果是树节点则使用树节点的方法遍历，直到找到，或者为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()，判断某个元素是否存在于HashSet()中，存在返回true，否则返回false。更加确切的讲应该是要满足这种关系才能返回true：(o==null ? e==null : o.equals(e))。底层调用containsKey判断HashMap的key值是否为空。

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;
    
    //确认初始化
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        n = (tab = resize()).length;
        
    //如果桶为空，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;
        //如果冲突，分为三种情况
        //key相等时让旧entry等于新entry即可
        if (p.hash == hash &&
            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            e = p;
        //红黑树情况
        else if (p instanceof TreeNode)
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            //如果key不相等，则连成链表
            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;
}

这里注意一点，hashset只是不允许重复的元素加入，而不是不允许元素连成链表，因为只要key的equals方法判断为true时它们是相等的，此时会发生value的替换，因为所有entry的value一样，所以和没有插入时一样的。

而当两个hashcode相同但key不相等的entry插入时，仍然会连成一个链表，长度超过8时依然会和hashmap一样扩展成红黑树，看完源码之后笔者才明白自己之前理解错了。所以看源码还是蛮有好处的。hashset基本上就是使用hashmap的方法再次实现了一遍而已，只不过value全都是同一个object，让你以为相同元素没有插入，事实上只是value替换成和原来相同的值而已。

当add方法发生冲突时，如果key相同，则替换value，如果key不同，则连成链表。

add()如果此 set 中尚未包含指定元素，则添加指定元素。如果此Set没有包含满足(e==null ? e2==null : e.equals(e2)) 的e2时，则将e2添加到Set中，否则不添加且返回false。

由于底层使用HashMap的put方法将key = e，value=PRESENT构建成key-value键值对，当此e存在于HashMap的key中，则value将会覆盖原有value，但是key保持不变，所以如果将一个已经存在的e元素添加中HashSet中，新添加的元素是不会保存到HashMap中，所以这就满足了HashSet中元素不会重复的特性。

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

remove如果指定元素存在于此 set 中，则将其移除。底层使用HashMap的remove方法删除指定的Entry。

public void clear() {
    map.clear();
}

clear从此 set 中移除所有元素。底层调用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 实例的浅表副本：并没有复制这些元素本身。

后记：

由于HashSet底层使用了HashMap实现，使其的实现过程变得非常简单，如果你对HashMap比较了解，那么HashSet简直是小菜一碟。有两个方法对HashMap和HashSet而言是非常重要的，下篇将详细讲解hashcode和equals。

TreeSet

与HashSet是基于HashMap实现一样，TreeSet同样是基于TreeMap实现的。在《Java提高篇（二七）-----TreeMap》中LZ详细讲解了TreeMap实现机制，如果客官详情看了这篇博文或者多TreeMap有比较详细的了解，那么TreeSet的实现对您是喝口水那么简单。

TreeSet定义

我们知道TreeMap是一个有序的二叉树，那么同理TreeSet同样也是一个有序的，它的作用是提供有序的Set集合。通过源码我们知道TreeSet基础AbstractSet，实现NavigableSet、Cloneable、Serializable接口。

其中AbstractSet提供 Set 接口的骨干实现，从而最大限度地减少了实现此接口所需的工作。

NavigableSet是扩展的 SortedSet，具有了为给定搜索目标报告最接近匹配项的导航方法，这就意味着它支持一系列的导航方法。比如查找与指定目标最匹配项。Cloneable支持克隆，Serializable支持序列化。

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

同时在TreeSet中定义了如下几个变量。

private transient NavigableMap<E,Object> m;
    
//PRESENT会被当做Map的value与key构建成键值对
 private static final Object PRESENT = new Object();

其构造方法：

//默认构造方法，根据其元素的自然顺序进行排序

public TreeSet() {
    this(new TreeMap<E,Object>());
}

//构造一个包含指定 collection 元素的新 TreeSet，它按照其元素的自然顺序进行排序。
public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {
        this(new TreeMap<>(comparator));
}

//构造一个新的空 TreeSet，它根据指定比较器进行排序。
public TreeSet(Collection<? extends E> c) {
    this();
    addAll(c);
}

//构造一个与指定有序 set 具有相同映射关系和相同排序的新 TreeSet。
public TreeSet(SortedSet<E> s) {
    this(s.comparator());
    addAll(s);
}

TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) {
    this.m = m;
}

二、TreeSet主要方法

1、add：将指定的元素添加到此 set（如果该元素尚未存在于 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) {
    //空树时，判断节点是否为空
        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;
    //非空树，根据传入比较器进行节点的插入位置查找
    if (cpr != null) {
        do {
            parent = t;
            //节点比根节点小，则找左子树，否则找右子树
            cmp = cpr.compare(key, t.key);
            if (cmp < 0)
                t = t.left;
            else if (cmp > 0)
                t = t.right;
                //如果key的比较返回值相等，直接更新值（一般compareto相等时equals方法也相等）
            else
                return t.setValue(value);
        } while (t != null);
    }
    else {
    //如果没有传入比较器，则按照自然排序
        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);
    }
    //查找的节点为空，直接插入，默认为红节点
    Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);
    if (cmp < 0)
        parent.left = e;
    else
        parent.right = e;
        //插入后进行红黑树调整
    fixAfterInsertion(e);
    size++;
    modCount++;
    return null;
}    

2、get：获取元素

public V get(Object key) {
    Entry<K,V> p = getEntry(key);
    return (p==null ? null : p.value);
}

该方法与put的流程类似，只不过是把插入换成了查找

3、ceiling：返回此 set 中大于等于给定元素的最小元素；如果不存在这样的元素，则返回 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 实例的浅表副本。属于浅拷贝。

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：返回对此 set 中的元素进行排序的比较器；如果此 set 使用其元素的自然顺序，则返回 null。

public Comparator<? super E> comparator() {
        return m.comparator();
    }

7、contains：如果此 set 包含指定的元素，则返回 true。

public boolean contains(Object o) {
        return m.containsKey(o);
    }

8、descendingIterator：返回在此 set 元素上按降序进行迭代的迭代器。

public Iterator<E> descendingIterator() {
        return m.descendingKeySet().iterator();
    }

9、descendingSet：返回此 set 中所包含元素的逆序视图。

public NavigableSet<E> descendingSet() {
        return new TreeSet<>(m.descendingMap());
    }

10、first：返回此 set 中当前第一个（最低）元素。

public E first() {
        return m.firstKey();
    }

11、floor：返回此 set 中小于等于给定元素的最大元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。

public E floor(E e) {
        return m.floorKey(e);
    }

12、headSet：返回此 set 的部分视图，其元素严格小于 toElement。

public SortedSet<E> headSet(E toElement) {
        return headSet(toElement, false);
    }

13、higher：返回此 set 中严格大于给定元素的最小元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。

public E higher(E e) {
        return m.higherKey(e);
    }

14、isEmpty：如果此 set 不包含任何元素，则返回 true。

public boolean isEmpty() {
        return m.isEmpty();
    }

15、iterator：返回在此 set 中的元素上按升序进行迭代的迭代器。

public Iterator<E> iterator() {
        return m.navigableKeySet().iterator();
    }

16、last：返回此 set 中当前最后一个（最高）元素。

public E last() {
        return m.lastKey();
    }

17、lower：返回此 set 中严格小于给定元素的最大元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。

public E lower(E e) {
        return m.lowerKey(e);
    }

18、pollFirst：获取并移除第一个（最低）元素；如果此 set 为空，则返回 null。

public E pollFirst() {
        Map.Entry<E,?> e = m.pollFirstEntry();
        return (e == null) ? null : e.getKey();
    }

19、pollLast：获取并移除最后一个（最高）元素；如果此 set 为空，则返回 null。

public E pollLast() {
        Map.Entry<E,?> e = m.pollLastEntry();
        return (e == null) ? null : e.getKey();
    }

20、remove：将指定的元素从 set 中移除（如果该元素存在于此 set 中）。

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

该方法与put类似，只不过把插入换成了删除，并且要进行删除后调整

21、size：返回 set 中的元素数（set 的容量）。

public int size() {
        return m.size();
    }

22、subSet：返回此 set 的部分视图

/**
     * 返回此 set 的部分视图，其元素范围从 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 的部分视图，其元素从 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 的部分视图

/**
     * 返回此 set 的部分视图，其元素大于（或等于，如果 inclusive 为 true）fromElement。
     */
    public NavigableSet<E> tailSet(E fromElement, boolean inclusive) {
        return new TreeSet<>(m.tailMap(fromElement, inclusive));
    }
    
    /**
     * 返回此 set 的部分视图，其元素大于等于 fromElement。
     */
    public SortedSet<E> tailSet(E fromElement) {
        return tailSet(fromElement, true);
    }

最后

由于TreeSet是基于TreeMap实现的，所以如果我们对treeMap有了一定的了解，对TreeSet那是小菜一碟，我们从TreeSet中的源码可以看出，其实现过程非常简单，几乎所有的方法实现全部都是基于TreeMap的。

LinkedHashSet

LinkedHashSet内部是如何工作的

LinkedHashSet是HashSet的一个“扩展版本”，HashSet并不管什么顺序，不同的是LinkedHashSet会维护“插入顺序”。HashSet内部使用HashMap对象来存储它的元素，而LinkedHashSet内部使用LinkedHashMap对象来存储和处理它的元素。这篇文章，我们将会看到LinkedHashSet内部是如何运作的及如何维护插入顺序的。

我们首先着眼LinkedHashSet的构造函数。在LinkedHashSet类中一共有4个构造函数。这些构造函数都只是简单地调用父类构造函数（如HashSet类的构造函数）。 下面看看LinkedHashSet的构造函数是如何定义的。

//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);
}

在上面的代码片段中，你可能注意到4个构造函数调用的是同一个父类的构造函数。这个构造函数（父类的，译者注）是一个包内私有构造函数（见下面的代码，HashSet的构造函数没有使用public公开，译者注），它只能被LinkedHashSet使用。

这个构造函数需要初始容量，负载因子和一个boolean类型的哑值（没有什么用处的参数，作为标记，译者注）等参数。这个哑参数只是用来区别这个构造函数与HashSet的其他拥有初始容量和负载因子参数的构造函数，下面是这个构造函数的定义，

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

显然，这个构造函数内部初始化了一个LinkedHashMap对象，这个对象恰好被LinkedHashSet用来存储它的元素。

LinkedHashSet并没有自己的方法，所有的方法都继承自它的父类HashSet，因此，对LinkedHashSet的所有操作方式就好像对HashSet操作一样。

唯一的不同是内部使用不同的对象去存储元素。在HashSet中，插入的元素是被当做HashMap的键来保存的，而在LinkedHashSet中被看作是LinkedHashMap的键。

这些键对应的值都是常量PRESENT（PRESENT是HashSet的静态成员变量，译者注）。

LinkedHashSet是如何维护插入顺序的

LinkedHashSet使用LinkedHashMap对象来存储它的元素，插入到LinkedHashSet中的元素实际上是被当作LinkedHashMap的键保存起来的。

LinkedHashMap的每一个键值对都是通过内部的静态类Entry<K, V>实例化的。这个 Entry<K, V>类继承了HashMap.Entry类。

这个静态类增加了两个成员变量，before和after来维护LinkedHasMap元素的插入顺序。这两个成员变量分别指向前一个和后一个元素，这让LinkedHashMap也有类似双向链表的表现。

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);
        }
}

从上面代码看到的LinkedHashMap内部类的前面两个成员变量——before和after负责维护LinkedHashSet的插入顺序。LinkedHashMap定义的成员变量header保存的是 这个双向链表的头节点。header的定义就像下面这样，

接下来看一个例子就知道LinkedHashSet内部是如何工作的了。

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");
    }
}

下面的图片展示了这个程序是如何运行的。

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