ListSet集合系列之剖析HashSet存储原理（HashMap底层）

Posted 2020-11-30 yichunguo

目录

• List接口
  • 1.1 List接口介绍
  • 1.2 List接口中常用方法
• List的子类
  • 2.1 ArrayList集合
  • 2.2 LinkedList集合
• Set接口
  • 3.1 Set接口介绍
• Set接口子类
  • 4.1 HashSet集合介绍
  • 4.2 HashSet集合存储数据的结构（哈希表）
  • 4.3源码分析
  • 4.4 HashSet存储自定义类型元素
  • 4.5 LinkedHashSet

前言

在之前的博客文章中已经介绍了Collection接口使用，本篇将介绍Collection接口中的子类的用法，至于为啥要讲它的子类这种小白问题就不要问我了。啥？有小白在看我写的文章...不好意思不好意思，原谅我刚才说的话，请允许博主我重新组织一下语言...咳咳，至于为啥要讲Collection接口的子类呢？小白童鞋啊，Collection接口他是接口哇，接口的目的是啥？就是定义一套规范，没有具体类去实现接口，接口就毫无意义了！小白童鞋你何什左咩鸭。

还有一点就是如果对Collection接口还不熟悉的小白童鞋强烈建议先去了解Collection接口之后再看这篇文章，不然只会事倍功半！好吧，我就知道就是博主我强烈建议过了肯定还有小白童鞋不去找，没事，博主没别的目的，就是想让小白童鞋好好学java，所以我已经准备好了下面这篇文章~点击蓝色字体即可进入~Collection集合以及Iterator迭代器实现原理

@

List接口

接下来，我们一起学习Collection中的常用两个子类java.util.List集合、java.util.Set集合。

1.1 List接口介绍

java.util.List接口继承自Collection接口，在List集合元素可重复、元素有序。所有的元素是以一种线性方式进行存储的，在程序中可以通过索引来访问集合中的指定元素，而且元素的存入顺序和取出顺序一致。

List接口特点分析：

1. 元素存取有序：例如，存元素的顺序是“我”、“是”、“佩”、“奇”，那么集合中，元素的存储就是按照“我”、“是”、“佩”、“奇”的顺序完成的。
2. 带有索引的集合：与数组的索引是一个道理
3. 元素重复：通过元素的equals方法，来比较是否为重复的元素。

1.2 List接口中常用方法

List作为Collection集合的子接口，不但继承了Collection接口中的全部方法，还有一些根据元素索引来操作集合的特有方法，如下：

public void add(int index, E element): 将指定的元素，添加到该集合中的指定位置上。- public E get(int index):返回集合中指定位置的元素。
public E remove(int index): 移除列表中指定位置的元素, 返回的是被移除的元素。
public E set(int index, E element):用指定元素替换集合中指定位置的元素,返回值的更新前的元素。

List集合特有的方法都是跟索引相关，代码如下：

public class ListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建List集合对象
        List<String> list = new ArrayList<String>();
        
        // 往 尾部添加 指定元素
        list.add("安琪拉屎");
        list.add("刘备胎");
        list.add("廉颇妇");
        
        System.out.println(list);
        // add(int index,String s) 往指定位置添加
        list.add(1,"猪脚亮");
        
        System.out.println(list);
        // String remove(int index) 删除指定位置元素  返回被删除元素
        // 删除索引位置为2的元素 
        System.out.println("删除索引位置为2的元素");
        System.out.println(list.remove(2));
        
        System.out.println(list);
        
        // String set(int index,String s)
        // 在指定位置 进行 元素替代（改） 
        // 修改指定位置元素
        list.set(0, "东皇太二");
        System.out.println(list);
        
        // String get(int index)  获取指定位置元素
        
        // 跟size() 方法一起用  来 遍历的 
        for(int i = 0;i<list.size();i++){
            System.out.println(list.get(i));
        }
        //还可以使用增强for
        for (String string : list) {
            System.out.println(string);
        }   
    }
}

List的子类

2.1 ArrayList集合

java.util.ArrayList集合数据存储的结构是数组结构。元素增删慢，查找快，由于日常开发中使用最多的功能为查询数据、遍历数据，所以ArrayList是最常用的集合。

2.2 LinkedList集合

java.util.LinkedList集合数据存储的结构是链表结构。元素增删快，查找慢的集合。

LinkedList是一个双向链表，那么双向链表是什么样子的呢？

实际开发中对一个集合元素的添加与删除经常涉及到首尾操作，而LinkedList提供了大量首尾操作的方法。下面这些方法我们作为了解即可：

• public void addFirst(E e):将指定元素插入此列表的开头。
• public void addLast(E e):将指定元素添加到此列表的结尾。
• public E getFirst():返回此列表的第一个元素。
• public E getLast():返回此列表的最后一个元素。
• public E removeFirst():移除并返回此列表的第一个元素。
• public E removeLast():移除并返回此列表的最后一个元素。
• public E pop():从此列表所表示的堆栈处弹出一个元素。
• public void push(E e):将元素推入此列表所表示的堆栈。
• public boolean isEmpty()：如果列表不包含元素，则返回true。

LinkedList是List的子类，List中的方法LinkedList都是可以使用，这里就不做详细介绍，我们只需要了解LinkedList的特有方法即可。在开发时，LinkedList集合也可以作为堆栈，队列的结构使用。（了解即可）

方法代码如下：

public class LinkedListDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedList<String> link = new LinkedList<String>();
        //添加元素
        link.addFirst("大乔");
        link.addFirst("小桥");
        link.addFirst("老乔");
        System.out.println(link);
        // 获取元素
        System.out.println(link.getFirst());
        System.out.println(link.getLast());
        // 删除元素
        System.out.println(link.removeFirst());
        System.out.println(link.removeLast());

        while (!link.isEmpty()) { //判断集合是否为空
            System.out.println(link.pop()); //弹出集合中的栈顶元素
        }

        System.out.println(link);
    }
}

好了，到这里，list集合就先告一段落。

Set接口

3.1 Set接口介绍

java.util.Set接口和java.util.List接口一样，同样继承自Collection接口，它与Collection接口中的方法基本一致，并没有对Collection接口进行功能上的扩充，只是比Collection接口更加严格了。与List接口不同的是，Set接口中元素无序且不重复，刚好全与list相反，set会以某种规则保证存入的元素不出现重复。

Set集合有多个子类，这里我们介绍其中的java.util.HashSet、java.util.LinkedHashSet这两个集合。

Set集合取出元素的方式可以采用：迭代器、增强for。

Set接口子类

4.1 HashSet集合介绍

java.util.HashSet是Set接口的一个实现类，它所存储的元素是不可重复、无序(即存取顺序不一致)。java.util.HashSet底层的实现其实是一个java.util.HashMap支持。

HashSet是根据对象的哈希值来确定元素在集合中的存储位置，因此具有良好的存取和查找性能。保证元素唯一性的方式依赖于：hashCode与equals方法。

我们先来使用一下Set集合存储，看下现象，再进行原理的讲解:

public class HashSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        //创建 Set集合
        HashSet<String>  set = new HashSet<String>();

        //添加元素
        set.add(new String("安琪拉屎"));
        set.add("刘备胎");
        set.add("猪八戒烟"); 
        set.add("安琪拉屎");  
        //遍历
        for (String name : set) {
            System.out.println(name);
        }
    }
}

输出结果如下，说明集合中不能存储重复元素：

安琪拉屎
刘备胎
猪八戒烟

根据结果我们发现字符串 "安琪拉屎" 只存储了一个，也就是说重复的元素set集合不存储。

4.2 HashSet集合存储数据的结构（哈希表）

什么是哈希表呢？

在JDK1.8之前，哈希表底层采用数组+链表实现，即使用链表处理冲突，同一hash值的链表都存储在一个链表里。但是当位于一个桶中的元素较多，即hash值相等的元素较多时，通过key值依次查找的效率较低。而JDK1.8中，哈希表存储采用数组+链表+红黑树实现，当链表长度超过阈值（8）时，将链表转换为红黑树，这样大大减少了查找时间。

简单的来说，哈希表是由数组+链表+红黑树（JDK1.8增加了红黑树部分）实现的，如下图所示。

看到这张图就有童鞋要问了，这个是怎么存储的呢？看下图就明白了

总而言之，JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能，那么对于我们来讲保证HashSet集合元素的唯一，其实就是根据对象的hashCode和equals方法来决定的。如果我们往集合中存放自定义的对象，那么保证其唯一，就必须复写hashCode和equals方法建立属于当前对象的比较方式。

至于数据结构关于数组以及链表我之前写过，为了方便各位阅读，我就贴在下面了

【数据结构01】浅谈数组

【数据结构03】浅谈链表

啥？还要看红黑树？额...暂时还没写，如果不是特别急着看博主就往后推一点写，~毕竟忙嘛~ 实在急着看博主尽量抽空写一篇出来...

4.3源码分析

QnQ

public class HashSet<E>  
    extends AbstractSet<E>  
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable  
{  
    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;  
 
    // 底层使用HashMap来保存HashSet中所有元素。  
    private transient HashMap<E,Object> map;  
 
    // 定义一个虚拟的Object对象作为HashMap的value，将此对象定义为static final。  
    private static final Object PRESENT = new Object();  
 
    /** 
     * 默认的无参构造器，构造一个空的HashSet。 
     *  
     * 实际底层会初始化一个空的HashMap，并使用默认初始容量为16和加载因子0.75。 
     */  
    public HashSet() {  
    map = new HashMap<E,Object>();  
    }  
 
    /** 
     * 构造一个包含指定collection中的元素的新set。 
     * 
     * 实际底层使用默认的加载因子0.75和足以包含指定 
     * collection中所有元素的初始容量来创建一个HashMap。 
     * @param c 其中的元素将存放在此set中的collection。 
     */  
    public HashSet(Collection<? extends E> c) {  
    map = new HashMap<E,Object>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));  
    addAll(c);  
    }  
 
    /** 
     * 以指定的initialCapacity和loadFactor构造一个空的HashSet。 
     * 
     * 实际底层以相应的参数构造一个空的HashMap。 
     * @param initialCapacity 初始容量。 
     * @param loadFactor 加载因子。 
     */  
    public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {  
    map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);  
    }  
 
    /** 
     * 以指定的initialCapacity构造一个空的HashSet。 
     * 
     * 实际底层以相应的参数及加载因子loadFactor为0.75构造一个空的HashMap。 
     * @param initialCapacity 初始容量。 
     */  
    public HashSet(int initialCapacity) {  
    map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity);  
    }  
 
    /** 
     * 以指定的initialCapacity和loadFactor构造一个新的空链接哈希集合。 
     * 此构造函数为包访问权限，不对外公开，实际只是是对LinkedHashSet的支持。 
     * 
     * 实际底层会以指定的参数构造一个空LinkedHashMap实例来实现。 
     * @param initialCapacity 初始容量。 
     * @param loadFactor 加载因子。 
     * @param dummy 标记。 
     */  
    HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {  
    map = new LinkedHashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);  
    }  
 
    /** 
     * 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。 
     *  
     * 底层实际调用底层HashMap的keySet来返回所有的key。 
     * 可见HashSet中的元素，只是存放在了底层HashMap的key上， 
     * value使用一个static final的Object对象标识。 
     * @return 对此set中元素进行迭代的Iterator。 
     */  
    public Iterator<E> iterator() {  
    return map.keySet().iterator();  
    }  
 
    /** 
     * 返回此set中的元素的数量（set的容量）。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的size()方法返回Entry的数量，就得到该Set中元素的个数。 
     * @return 此set中的元素的数量（set的容量）。 
     */  
    public int size() {  
    return map.size();  
    }  
 
    /** 
     * 如果此set不包含任何元素，则返回true。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的isEmpty()判断该HashSet是否为空。 
     * @return 如果此set不包含任何元素，则返回true。 
     */  
    public boolean isEmpty() {  
    return map.isEmpty();  
    }  
 
    /** 
     * 如果此set包含指定元素，则返回true。 
     * 更确切地讲，当且仅当此set包含一个满足(o==null ? e==null : o.equals(e)) 
     * 的e元素时，返回true。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的containsKey判断是否包含指定key。 
     * @param o 在此set中的存在已得到测试的元素。 
     * @return 如果此set包含指定元素，则返回true。 
     */  
    public boolean contains(Object o) {  
    return map.containsKey(o);  
    }  
 
    /** 
     * 如果此set中尚未包含指定元素，则添加指定元素。 
     * 更确切地讲，如果此 set 没有包含满足(e==null ? e2==null : e.equals(e2)) 
     * 的元素e2，则向此set 添加指定的元素e。 
     * 如果此set已包含该元素，则该调用不更改set并返回false。 
     * 
     * 底层实际将将该元素作为key放入HashMap。 
     * 由于HashMap的put()方法添加key-value对时，当新放入HashMap的Entry中key 
     * 与集合中原有Entry的key相同（hashCode()返回值相等，通过equals比较也返回true）， 
     * 新添加的Entry的value会将覆盖原来Entry的value，但key不会有任何改变， 
     * 因此如果向HashSet中添加一个已经存在的元素时，新添加的集合元素将不会被放入HashMap中， 
     * 原来的元素也不会有任何改变，这也就满足了Set中元素不重复的特性。 
     * @param e 将添加到此set中的元素。 
     * @return 如果此set尚未包含指定元素，则返回true。 
     */  
    public boolean add(E e) {  
    return map.put(e, PRESENT)==null;  
    }  
 
    /** 
     * 如果指定元素存在于此set中，则将其移除。 
     * 更确切地讲，如果此set包含一个满足(o==null ? e==null : o.equals(e))的元素e， 
     * 则将其移除。如果此set已包含该元素，则返回true 
     * （或者：如果此set因调用而发生更改，则返回true）。（一旦调用返回，则此set不再包含该元素）。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的remove方法删除指定Entry。 
     * @param o 如果存在于此set中则需要将其移除的对象。 
     * @return 如果set包含指定元素，则返回true。 
     */  
    public boolean remove(Object o) {  
    return map.remove(o)==PRESENT;  
    }  
 
    /** 
     * 从此set中移除所有元素。此调用返回后，该set将为空。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的clear方法清空Entry中所有元素。 
     */  
    public void clear() {  
    map.clear();  
    }  
 
    /** 
     * 返回此HashSet实例的浅表副本：并没有复制这些元素本身。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的clone()方法，获取HashMap的浅表副本，并设置到HashSet中。 
     */  
    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();  
        }  
    }  
}  

说白了，HashSet就是限制了功能的HashMap，所以了解HashMap的实现原理，这个HashSet自然就通,对于HashSet中保存的对象，主要要正确重写equals方法和hashCode方法，以保证放入Set对象的唯一性,虽说是Set是对于重复的元素不放入，倒不如直接说是底层的Map直接把原值替代了（这个Set的put方法的返回值真有意思）。HashSet没有提供get()方法，愿意是同HashMap一样，Set内部是无序的，只能通过迭代的方式获得。

4.4 HashSet存储自定义类型元素

给HashSet中存放自定义类型元素时，需要重写对象中的hashCode和equals方法，建立自己的比较方式，才能保证HashSet集合中的对象唯一

创建自定义Student类

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

    public Student() {
    }

    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;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o)
            return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass())
            return false;
        Student student = (Student) o;
        return age == student.age &&
               Objects.equals(name, student.name);
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }
}

public class HashSetDemo2 {
    public static void main(String[] args) {
        //创建集合对象   该集合中存储 Student类型对象
        HashSet<Student> stuSet = new HashSet<Student>();
        //存储 
        Student stu = new Student("程序员老王", 43);
        stuSet.add(stu);
        stuSet.add(new Student("程序员小王", 44));
        stuSet.add(new Student("程序员老王", 43));
        stuSet.add(new Student("程序员秃头哥", 23));
        stuSet.add(stu);

        for (Student stud : stuSet) {
            System.out.println(stud);
        }
    }
}
执行结果：
Student [name=程序员小王, age=44]
Student [name=程序员老王, age=43]
Student [name=程序员秃头哥, age=23]

4.5 LinkedHashSet

我们知道HashSet保证元素唯一，可是元素存放进去是没有顺序的，那么我们要保证有序，怎么办呢？在HashSet下面有一个子类java.util.LinkedHashSet，它是链表和哈希表组合的一个数据存储结构。

代码如下:

public class LinkedHashSetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> set = new LinkedHashSet<String>();
        set.add("秃头哥");
        set.add("地中海哥");
        set.add("平头哥");
        set.add("假发哥");
        Iterator<String> it = set.iterator();
        while (it.hasNext()) {
            System.out.println(it.next());
        }
    }
}
结果：
 秃头哥
 地中海哥
 平头哥
 假发哥

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