本文详细介绍了 Java 中 Set 集合的各种实现类，包括 HashSet、LinkedHashSet、TreeSet 和 EnumSet 的特点及使用场景。探讨了 HashSet 的元素判断逻辑、LinkedHashSet 维护插入顺序的机制、TreeSet 的排序方式以及 EnumSet 的高效性。
Set集合的基本特征是不记录添加顺序，不允许元素重复（想想是为什么）。最常用的实现类是HashSet.
本文将要介绍以下内容
- HashSet类
- HashSe的特征
- HashSet的equals和hashCode
- LinkedHashSet的特征
- TreeSet的特征
- EnumSet的特征
HashSet类
HashSet类直接实现了Set接口， 其底层其实是包装了一个HashMap去实现的。HashSet采用HashCode算法来存取集合中的元素，因此具有比较好的读取和查找性能。
HashSet的特征
- 不仅不能保证元素插入的顺序，而且在元素在以后的顺序中也可能变化（这是由HashSet按HashCode存储对象（元素）决定的，对象变化则可能导致HashCode变化）
- HashSet是线程非安全的
- HashSet元素值可以为NULL
HashSet的equals和HashCode
前面说过，Set集合是不允许重复元素的，否则将会引发各种奇怪的问题。那么HashSet如何判断元素重复呢？
HashSet需要同时通过equals和HashCode来判断两个元素是否相等，具体规则是，如果两个元素通过equals为true，并且两个元素的hashCode相等，则这两个元素相等（即重复）。
所以如果要重写保存在HashSet中的对象的equals方法，也要重写hashCode方法，重写前后hashCode返回的结果相等（即保证保存在同一个位置）。所有参与计算 hashCode() 返回值的关键属性，都应该用于作为 equals() 比较的标准。
试想如果重写了equals方法但不重写hashCode方法，即相同equals结果的两个对象将会被HashSet当作两个元素保存起来，这与我们设计HashSet的初衷不符（元素不重复）。
另外如果两个元素哈市Code相等但equals结果不为true，HashSet会将这两个元素保存在同一个位置，并将超过一个的元素以链表方式保存，这将影响HashSet的效率。
如果重写了equals方法但没有重写hashCode方法，则HashSet可能无法正常工作，比如下面的例子。
package colection.HashSet;
import java.util.HashSet;
import java.util.Iterator;
public class R {
public int count;
public R(int count) {
this.count = count;
}
public String toString() {
return "R[count:" + count +" # hashCode:"+this.hashCode()+"]";
}
public boolean equals(Object obj) {
if(this == obj) return true;
if(obj != null && obj.getClass() == R.class) {
R r = (R)obj;
return this.count == r.count;
}
return false;
}
/*
public int hashCode() {
return this.count;
}
*/
public static void main(String[] args) {
HashSet hs = new HashSet();
hs.add(new R(5));
hs.add(new R(-3));
hs.add(new R(9));
hs.add(new R(-2));
System.out.println(hs.contains(new R(-3)));
System.out.println(hs);
}
}上面注释了hashCode方法，所以你将会看到下面的结果。
false
[R[count:9 # hashCode:14927396], R[count:5 # hashCode:24417480], R[count:-2 # hashCode:31817359], R[count:-3 # hashCode:13884241]] 取消注释，则结果就正确了
true
[R[count:5 # hashCode:5], R[count:9 # hashCode:9], R[count:-3 # hashCode:-3], R[count:-2 # hashCode:-2]] LinkedHashSet的特征
LinkedHashSet是HashSet的一个子类，LinkedHashSet也根据HashCode的值来决定元素的存储位置，但同时它还用一个链表来维护元素的插入顺序，插入的时候即要计算hashCode又要维护链表，而遍历的时候只需要按链表来访问元素。查看LinkedHashSet的源码发现它是样的，
//LinkedHashSet 源码
public class LinkedHashSet extends HashSet
implements Set, Cloneable, Serializable
{
public LinkedHashSet(int i, float f)
{
super(i, f, true);
}
.... 在JAVA7+中， LinkedHashSet没有定义任何方法，只有四个构造函数，它的构造函数调用了父类（HashSet)的带三个参数的构造方法，父类的构造函数如下，
public class LinkedHashSet<E>
extends HashSet<E>
implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = -2851667679971038690L;
/**
* Constructs a new, empty linked hash set with the specified initial
* capacity and load factor.
*
* @param initialCapacity the initial capacity of the linked hash set
* @param loadFactor the load factor of the linked hash set
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is less
* than zero, or if the load factor is nonpositive
*/
public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
super(initialCapacity, loadFactor, true);
}
/**
* Constructs a new, empty linked hash set with the specified initial
* capacity and the default load factor (0.75).
*
* @param initialCapacity the initial capacity of the LinkedHashSet
* @throws IllegalArgumentException if the initial capacity is less
* than zero
*/
public LinkedHashSet(int initialCapacity) {
super(initialCapacity, .75f, true);
}
/**
* Constructs a new, empty linked hash set with the default initial
* capacity (16) and load factor (0.75).
*/
public LinkedHashSet() {
super(16, .75f, true);
}
/**
* Constructs a new linked hash set with the same elements as the
* specified collection. The linked hash set is created with an initial
* capacity sufficient to hold the elements in the specified collection
* and the default load factor (0.75).
*
* @param c the collection whose elements are to be placed into
* this set
* @throws NullPointerException if the specified collection is null
*/
public LinkedHashSet(Collection<? extends E> c) {
super(Math.max(2*c.size(), 11), .75f, true);
addAll(c);
}
/**
* Creates a <em><a href="Spliterator.html#binding">late-binding</a></em>
* and <em>fail-fast</em> {@code Spliterator} over the elements in this set.
*
* <p>The {@code Spliterator} reports {@link Spliterator#SIZED},
* {@link Spliterator#DISTINCT}, and {@code ORDERED}. Implementations
* should document the reporting of additional characteristic values.
*
* @implNote
* The implementation creates a
* <em><a href="Spliterator.html#binding">late-binding</a></em> spliterator
* from the set's {@code Iterator}. The spliterator inherits the
* <em>fail-fast</em> properties of the set's iterator.
* The created {@code Spliterator} additionally reports
* {@link Spliterator#SUBSIZED}.
*
* @return a {@code Spliterator} over the elements in this set
* @since 1.8
*/
@Override
public Spliterator<E> spliterator() {
return Spliterators.spliterator(this, Spliterator.DISTINCT | Spliterator.ORDERED);
}
}
由此可知，LinkedHashSet本质上也是从LinkedHashMap而来，LinkedHashSet的所有方法都继承自HashSet, 而它能维持元素的插入顺序的性质则继承自LinkedHashMap.
下面是一个LinkedHashSet维持元素插入顺序的例子，
package colection.HashSet;
import java.util.LinkedHashSet;
public class LinkedHashSets {
public static void main(String[] args) {
LinkedHashSet lhs = new LinkedHashSet();
lhs.add("abc");
lhs.add("efg");
lhs.add("hij");
System.out.println(lhs);
lhs.remove(new String("efg"));
lhs.add("efg");
System.out.println(lhs);
}
} [abc, efg, hij]
[abc, hij, efg] TreeSet类的特征
TreeSet实现了SortedSet接口，顾名思义这是一种排序的Set集合，查看jdk源码发现底层是用TreeMap实现的，本质上是一个红黑树原理。 正因为它是排序了的，所以相对HashSet来说，TreeSet提供了一些额外的按排序位置访问元素的方法，例如first(), last(), lower(), higher(), subSet(), headSet(), tailSet().
TreeSet的排序分两种类型，一种是自然排序，另一种是定制排序。
自然排序（在元素中写排序规则）
TreeSet 会调用compareTo方法比较元素大小，然后按升序排序。所以自然排序中的元素对象，都必须实现了Comparable接口，否则会跑出异常。对于TreeSet判断元素是否重复的标准，也是调用元素从Comparable接口继承而来额compareTo方法，如果返回0则是重复元素（两个元素I相等）。Java的常见类都已经实现了Comparable接口，下面举例说明没有实现Comparable存入TreeSet时引发异常的情况。
package collection.Set;
import java.util.TreeSet;
class Err {
}
public class TreeSets {
public static void main(String[] args) {
TreeSet ts = new TreeSet();
ts.add(new Err());
ts.add(new Err());
System.out.println(ts);
}
} 运行程序会抛出如下异常
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: collection.Set.Err cannot be cast to java.lang.Comparable
at java.util.TreeMap.compare(Unknown Source)
at java.util.TreeMap.put(Unknown Source)
at java.util.TreeSet.add(Unknown Source)
at collection.Set.TreeSets.main(TreeSets.java:13) 将上面的Err类实现Comparable接口之后程序就能正常运行了
class Err implements Comparable {
@Override
public int compareTo(Object o) {
// TODO Auto-generated method stub
return 0;
}
} 还有个重要问题是，因为TreeSet会调用元素的compareTo方法，这就要求所有元素的类型都相同，否则也会发生异常。也就是说，TreeSet只允许存入同一类的元素。例如下面这个例子就会抛出类型转换异常
package collection.Set;
import java.util.TreeSet;
class Err implements Comparable {
@Override
public int compareTo(Object o) {
// TODO Auto-generated method stub
return 0;
}
}
public class TreeSets {
public static void main(String[] args) {
TreeSet ts = new TreeSet();
ts.add(1);
ts.add("2");
System.out.println(ts);
}
}运行结果
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: java.lang.Integer cannot be cast to java.lang.String
at java.lang.String.compareTo(Unknown Source)
at java.util.TreeMap.put(Unknown Source)
at java.util.TreeSet.add(Unknown Source)
at collection.Set.TreeSets.main(TreeSets.java:18)
定制排序（在集合中写排序规则）
TreeSet还有一种排序就是定制排序，定制排序时候，需要关联一个 Comparator对象，由Comparator提供排序逻辑。下面就是一个使用Lambda表达式代替Comparator对象来提供定制排序的例子。 下面是一个定制排序的列子
package collection.Set;
import java.util.Comparator;
import java.util.TreeSet;
class M {
int age;
public M(int age) {
this.age = age;
}
public String toString() {
return "M[age:" + age + "]";
}
}
class MyCommpare implements Comparator{
public int compare(Object o1, Object o2){
M m1 = (M)o1;
M m2 = (M)o2;
return m1.age > m2.age ? 1 : m1.age < m2.age ? -1 : 0;
}
}
public class TreeSets {
public static void main(String[] args) {
TreeSet ts = new TreeSet(new MyCommpare());
ts.add(new M(5));
ts.add(new M(3));
ts.add(new M(9));
System.out.println(ts);
}
} 当然将Comparator直接写入TreeSet初始化中也可以。如下。
package collection.Set;
import java.util.Comparator;
import java.util.TreeSet;
class M {
int age;
public M(int age) {
this.age = age;
}
public String toString() {
return "M[age:" + age + "]";
}
}
public class TreeSets {
public static void main(String[] args) {
TreeSet ts = new TreeSet(new Comparator() {
public int compare(Object o1, Object o2) {
M m1 = (M)o1;
M m2 = (M)o2;
return m1.age > m2.age ? -1 : m1.age < m2.age ? 1 : 0;
}
});
ts.add(new M(5));
ts.add(new M(3));
ts.add(new M(9));
System.out.println(ts);
}
} EnumSet特征
EnumSet顾名思义就是专为枚举类型设计的集合，因此集合元素必须是枚举类型，否则会抛出异常。 EnumSet集合也是有序的，其顺序就是Enum类内元素定义的顺序。EnumSet存取的速度非常快，批量操作的速度也很快。EnumSet主要提供以下方法，allOf, complementOf, copyOf, noneOf, of, range等。注意到EnumSet并没有提供任何构造函数，要创建一个EnumSet集合对象，只需要调用allOf等方法，下面是一个EnumSet的例子。
package collection.Set;
import java.util.EnumSet;
enum Season
{
SPRING, SUMMER, FALL, WINTER
}
public class EnumSets {
public static void main(String[] args) {
//必须用元素对象的类类型来初始化，即Season.class
EnumSet es1 = EnumSet.allOf(Season.class);
System.out.println(es1);
EnumSet es2 = EnumSet.noneOf(Season.class);
es2.add(Season.WINTER);
es2.add(Season.SUMMER);
System.out.println(es2);
EnumSet es3 = EnumSet.of(Season.WINTER, Season.SUMMER);
System.out.println(es3);
EnumSet es4 = EnumSet.range(Season.SUMMER, Season.WINTER);
System.out.println(es4);
EnumSet es5 = EnumSet.complementOf(es4);
System.out.println(es5);
}
}执行结果
[SPRING, SUMMER, FALL, WINTER]
[SUMMER, WINTER]
[SUMMER, WINTER]
[SUMMER, FALL, WINTER]
[SPRING] 各种集合性能分析
- HashSet和TreeSet是Set集合中用得最多的I集合。HashSet总是比TreeSet集合性能好，因为HashSet不需要额维护元素的顺序。
- LinkedHashSet需要用额外的链表维护元素的插入顺序，因此在插入时性能比HashSet低，但在迭代访问（遍历）时性能更高。因为插入的时候即要计算hashCode又要维护链表，而遍历的时候只需要按链表来访问元素。
- EnumSet元素是所有Set元素中性能最好的，但是它只能保存Enum类型的元素
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