Java 23 集合框架详解：Set 接口及实现类（HashSet、TreeSet、LinkedHashSet）

最新推荐文章于 2025-11-08 13:15:18 发布

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📚 Java 23 集合框架详解：`Set` 接口及实现类（`HashSet`、`TreeSet`、`LinkedHashSet`）

📖 概述

Set 是 Java 集合框架中用于存储 无序、不重复元素 的接口。它的实现类包括 HashSet、TreeSet 和 LinkedHashSet，它们在底层数据结构、排序规则和性能特性上存在显著差异。

本文将详细介绍 Set 接口及其实现类 的使用案例、底层实现、性能优化方案、多线程优化及注意事项。

🏗️ 1. Set 接口的常用实现类

实现类	底层数据结构	排序方式	是否允许 `null`	线程安全性
`HashSet`	哈希表	无序	允许	否
`TreeSet`	红黑树	自然顺序/自定义排序	不允许	否
`LinkedHashSet`	哈希表 + 双向链表	按插入顺序	允许	否

📋 2. `HashSet` 详解

✅ 2.1 特点

基于哈希表实现，元素按 哈希值 存储，存取效率高。
不保证元素顺序。
允许存储一个 null 值。
插入、删除、查找操作的平均时间复杂度为 O(1)。

🔧 2.2 使用案例

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add("Alice");
        set.add("Bob");
        set.add("Charlie");

        // 尝试添加重复元素
        set.add("Alice");

        // 遍历
        set.forEach(System.out::println);
    }
}

输出：

Alice
Bob
Charlie

🛠 2.3 优化方案

指定初始容量和负载因子：

HashSet<String> set = new HashSet<>(16, 0.75f);

避免频繁扩容，设置合适的初始容量，减少性能开销。

⚠️ 2.4 多线程优化

HashSet 是 线程不安全的，可以使用 Collections.synchronizedSet() 方法或 ConcurrentHashMap 来实现线程安全。

import java.util.Collections;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;

public class SynchronizedHashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());

        synchronizedSet.add("Alice");
        synchronizedSet.add("Bob");

        synchronized (synchronizedSet) {
            synchronizedSet.forEach(System.out::println);
        }
    }
}

📋 3. `TreeSet` 详解

✅ 3.1 特点

基于红黑树实现，元素按 自然顺序 或 自定义顺序 排序。
不允许存储 null 值。
插入、删除、查找操作的时间复杂度为 O(log n)。

🔧 3.2 使用案例

import java.util.TreeSet;

public class TreeSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>();
        set.add(20);
        set.add(10);
        set.add(30);

        // 遍历
        set.forEach(System.out::println);
    }
}

输出：

10
20
30

🔧 使用自定义排序

import java.util.TreeSet;
import java.util.Comparator;

public class CustomTreeSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet<String> set = new TreeSet<>(Comparator.reverseOrder());
        set.add("Alice");
        set.add("Bob");
        set.add("Charlie");

        set.forEach(System.out::println);
    }
}

输出：

Charlie
Bob
Alice

🛠 3.3 优化方案

避免使用 null 值，因为 TreeSet 不允许存储 null。
选择合适的排序规则，根据业务需求使用 自然顺序 或 自定义排序。

⚠️ 3.4 多线程优化

TreeSet 是 线程不安全的，可以使用 Collections.synchronizedSet() 来实现线程安全。

import java.util.Collections;
import java.util.TreeSet;
import java.util.Set;

public class SynchronizedTreeSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        Set<Integer> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new TreeSet<>());

        synchronizedSet.add(10);
        synchronizedSet.add(20);

        synchronized (synchronizedSet) {
            synchronizedSet.forEach(System.out::println);
        }
    }
}

📋 4. `LinkedHashSet` 详解

✅ 4.1 特点

基于哈希表和双向链表实现。
保留元素的插入顺序。
允许存储一个 null 值。

🔧 4.2 使用案例

import java.util.LinkedHashSet;

public class LinkedHashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedHashSet<String> set = new LinkedHashSet<>();
        set.add("Alice");
        set.add("Bob");
        set.add("Charlie");

        // 遍历
        set.forEach(System.out::println);
    }
}

输出：

Alice
Bob
Charlie

🛠 4.3 优化方案

使用 LinkedHashSet 时，考虑内存占用问题，因为双向链表会占用更多内存。
适用于需要按插入顺序遍历的场景。

⚠️ 4.4 多线程优化

LinkedHashSet 是 线程不安全的，可以使用 Collections.synchronizedSet() 来实现线程安全。

import java.util.Collections;
import java.util.LinkedHashSet;
import java.util.Set;

public class SynchronizedLinkedHashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        Set<String> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new LinkedHashSet<>());

        synchronizedSet.add("Alice");
        synchronizedSet.add("Bob");

        synchronized (synchronizedSet) {
            synchronizedSet.forEach(System.out::println);
        }
    }
}

🔄 5. 三者对比总结

特性	HashSet	TreeSet	LinkedHashSet
底层数据结构	哈希表	红黑树	哈希表 + 双向链表
是否允许 `null`	是	否	是
排序方式	无序	自然顺序/自定义排序	插入顺序
插入/删除性能	O(1)	O(log n)	O(1)
适用场景	快速查找和去重	排序数据集	保留插入顺序