Java基础知识--集合框架--Set及其实现类

小咪咪 2023-07-21 11:29 16阅读 0赞

***一.Set的定义和概念:***  
Set是Collection子接口，模拟了数学上的集的概念。  
Set集合存储特点:  
**1):不允许元素重复.  
2):不会记录元素的先后添加顺序.**

Set只包含从Collection继承的方法，不过Set无法记住添加的顺序，不允许包含重复的元素。**当试图添加两个相同元素进Set集合，添加操作失败，add()方法返回false**。  
Set判断两个对象是否相等用\*\*equals,\*\*而不是使用==。也就是说两个对象equals比较返回true，Set集合是不会接受这个两个对象的。

**二.HashSet**  
HashSet是Set接口最常用的实现类,顾名思义,底层才用了哈希表(散列/hash)算法.  
其底层其实也是一个数组,存在的意义是提供查询速度,插入速度也比较快,但是适用于少量数据的插入操作.

在HashSet中如何判断两个对象是否相同问题:  
1):两个对象的equals比较相等. 返回true,则说明是相同对象.  
2):两个对象的hashCode方法返回值相等.

对象的hashCode值决定了在哈希表中的存储位置.  
二者:缺一不可.  
当往HashSet集合中添加新的对象的时候,先回判断该对象和集合对象中的hashCode值:  
1):不等: 直接把该新的对象存储到hashCode指定的位置.  
2):相等: 再继续判断新对象和集合对象中的equals做比较.  
1>:hashCode相同,equals为true: 则视为是同一个对象,则不保存在哈希表中.  
2>:hashCode相同,equals为false:非常麻烦,存储在之前对象同槽为的链表上(拒绝,操作比较麻烦).  
对象的hashCode和equals方法的重要性:  
每一个存储到hash表中的对象,都得提供hashCode和equals方法,用来判断是否是同一个对象.  
存储在哈希表中的对象,都应该覆盖equals方法和hashCode方法,并且保证equals相等的时候,hashCode也应该相等.

**三.LinkedHashSet类**  
List接口: 允许元素重复,记录先后添加顺序.  
Set接口: 不允许元素重复,不记录先后添加顺序.  
需求: 不允许元素重复,但是需要保证先后添加的顺序.  
LinkedHashSet:底层才有哈希表和链表算法.  
哈希表:来保证唯一性,.此时就是HashSet,在哈希表中元素没有先后顺序.  
链表: 来记录元素的先后添加顺序.  
![在这里插入图片描述][202004032139413.png]  
**四.TreeSet类**  
TreeSet集合底层才有红黑树算法,会对存储的元素默认使用自然排序(从小到大).  
注意: 必须保证TreeSet集合中的元素对象是相同的数据类型,否则报错.  
TreeSet的排序规则:  
自然排序(从小到大):  
TreeSet调用集合元素的compareTo方法来比较元素的大小关系,然后讲集合元素按照升序排列(从小到大).  
注意:要求TreeSet集合中元素得实现java.util.Comparable接口.  
![在这里插入图片描述][20200403214105241.png]  
java.util.Comparable接口:可比较的.  
覆盖 public int compareTo(Object o)方法,在该方法中编写比较规则.  
在该方法中,比较当前对象(this)和参数对象o做比较(严格上说比较的是对象中的数据,比如按照对象的年龄排序).  
this > o: 返回正整数. 1  
this < o: 返回负整数. -1  
this == o: 返回0. 此时认为两个对象为同一个对象.

在TreeSet的自然排序中,认为如果两个对象做比较的compareTo方法返回的是0,则认为是同一个对象.

定制排序(从大到小,按照名字的长短来排序):  
在TreeSet构造器中传递java.lang.Comparator对象.并覆盖public int compare(Object o1, Object o2)再编写比较规则.

对于TreeSet集合来说,要么使用自然排序,要么使用定制排序.  
判断两个对象是否相等的规则:  
自然排序: compareTo方法返回0;  
定制排序: compare方法返回0;

五.Set实现类的性能对比的总结  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTU4ODc1MQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
Set接口的实现类:  
**共同的特点:  
1):都不允许元素重复.  
2):都不是线程安全的类.  
解决方案:Set s = Collections.synchronizedSet(Set对象);  
HashSet: 不保证元素的先后添加顺序.  
底层才有的是哈希表算法,查询效率极高.  
判断两个对象是否相等的规则:  
1):equals比较为true.  
2):hashCode值相同.  
要求:要求存在在哈希中的对象元素都得覆盖equals和hashCode方法.**

**LinkedHashSet:**  
HashSet的子类,底层也采用的是哈希表算法,但是也使用了链表算法来维持元素的先后添加顺序.  
判断两个对象是否相等的规则和HashSet相同.  
因为需要多使用一个链表俩记录元素的顺序,所以性能相对于HashSet较低.  
一般少用, 如果要求一个集合既要保证元素不重复,也需要记录添加先后顺序,才选择使用LinkedHashSet.

**TreeSet:**  
不保证元素的先后添加顺序,但是会对集合中的元素做排序操作.  
底层才有红黑树算法(树结构,比较擅长做范围查询).  
TreeSet要么才有自然排序,要么定制排序.  
自然排序: 要求在TreeSet集合中的对象必须实现java.lang.Comparable接口,并覆盖compareTo方法.  
定制排序: 要求在构建TreeSet对象的时候,传入一个比较器对象(必须实现java.lang.Comparator接口).  
在比较器中覆盖compare方法,并编写比较规则.  
TreeSet判断元素对象重复的规则:  
compareTo/compare方法是否返回0.如果返回0,则视为是同一个对象.  
**HashSet做等值查询效率高,TreeSet做范围查询效率高**.  
而我们更多的情况,都是做等值查询, 在数据库的索引中做范围查询较多,所以数结构主要用于做索引,用来提高查询效率.

**附录:HashSet的实现原理**  
（1）基于HashMap实现的，默认构造函数是构建一个初始容量为16，负载因子为0.75 的HashMap。封装了一个 HashMap 对象来存储所有的集合元素，所有放入 HashSet 中的集合元素实际上由 HashMap 的 key 来保存，而 HashMap 的 value 则存储了一个 PRESENT，它是一个静态的 Object 对象。

（2）当我们试图把某个类的对象当成 HashMap的 key，或试图将这个类的对象放入 HashSet 中保存时，重写该类的equals(Object obj)方法和 hashCode() 方法很重要，而且这两个方法的返回值必须保持一致：当该类的两个的 hashCode() 返回值相同时，它们通过 equals() 方法比较也应该返回 true。通常来说，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。

（3）HashSet的其他操作都是基于HashMap的。

它是基于HashMap实现的，HashSet底层使用HashMap来保存所有元素，因此HashSet 的实现比较简单，相关HashSet的操作，基本上都是直接调用底层HashMap的相关方法来完成， HashSet的源代码如下：

import java.util.AbstractSet;
    import java.util.Collection;
    import java.util.HashMap;
    import java.util.LinkedHashMap;
    import java.util.Set;
     
    import javax.swing.text.html.HTMLDocument.Iterator;
     
    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(); 
        } 
    } 
    }

[202004032139413.png]: /images/20230528/dadf0d0366ae481ca942cf5def060584.png
[20200403214105241.png]: /images/20230528/5d9f19938761440f826116eeb2490c84.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTU4ODc1MQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20230528/a325fef388f14a4db6f372c2b6b9df53.png