Java集合基础：HashSet和TreeSet介绍

2023-01-08 14:32:56

目录

Set集合简介：

1、Set集合及常用方法

2、HashSet集合

2.1、HashSet基本操作

2.2、HashSet元素添加分析

3、TreeSet

3.1、TreeSet基本操作

Set集合简介：

我们先上一个框架图，连接下set集合与Collection的关系：

Java集合基础：HashSet和TreeSet介绍

Set继承于Collection接口，是一个不允许出现重复元素，并且无序的集合，主要有HashSet和TreeSet两大实现类。

在判断重复元素的时候，Set集合会调用hashCode()和equal()方法来实现。

Set集合主要有两个分支：

  • HashSet：哈希表结构，主要利用HashMap的key来存储元素，计算插入元素的hashCode来获取元素在集合中的位置；
  • TreeSet：红黑树结构，每一个元素都是树中的一个节点，插入的元素都会进行排序；

1、Set集合及常用方法

与List接口一样，Set接口也提供了集合操作的基本方法。

但与List不同的是，Set还提供了equals(Object o)和hashCode()，供其子类重写，以实现对集合中插入重复元素的处理；

public interface Set<E> extends Collection<E> {

    A:添加功能
    boolean add(E e);
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);

    B:删除功能
    boolean remove(Object o);
    boolean removeAll(Collection<?> c);
    void clear();

    C:长度功能
    int size();

    D:判断功能
    boolean isEmpty();
    boolean contains(Object o);
    boolean containsAll(Collection<?> c);
    boolean retainAll(Collection<?> c); 

    E:获取Set集合的迭代器：
    Iterator<E> iterator();

    F:把集合转换成数组
    Object[] toArray();
    <T> T[] toArray(T[] a);
    
    //判断元素是否重复，为子类提高重写方法
    boolean equals(Object o);
    int hashCode();
}

2、HashSet集合

HashSet实现Set接口，底层由HashMap来实现，为哈希表结构，新增元素相当于HashMap的key，value默认为一个固定的Object。可以负责任的讲，HashSet就相当于一个阉割版的HashMap。

当有元素插入的时候，会计算元素的hashCode值，将元素插入到哈希表对应的位置中来；

HashSet继承于AbstractSet，实现了Set, Cloneable, Serializable接口：

  1. HashSet继承AbstractSet类，获得了Set接口大部分的实现，减少了实现此接口所需的工作，实际上是又继承了AbstractCollection类；
  2. HashSet实现了Set接口，获取Set接口的方法，可以自定义具体实现，也可以继承AbstractSet类中的实现；
  3. HashSet实现Cloneable，得到了clone()方法，可以实现克隆功能；
  4. HashSet实现Serializable，表示可以被序列化，通过序列化去传输，典型的应用就是hessian协议。

所以，它具备以下下特点：

  • 不允许出现重复因素；
  • 允许插入Null值；
  • 元素无序（添加顺序和遍历顺序不一致）；
  • 线程不安全，若2个线程同时操作HashSet，必须通过代码实现同步；

2.1、HashSet基本操作

HashSet底层由HashMap实现，插入的元素被当做是HashMap的key，根据hashCode值来确定集合中的位置，由于Set集合中并没有角标的概念，所以并没有像List一样提供get（）方法。当获取HashSet中某个元素时，只能通过遍历集合的方式进行equals()比较来实现；

public class HashSetTest {
    public static void main(String[] agrs){
        //创建HashSet集合：
        Set<String> hashSet = new HashSet<String>();
        System.out.println("HashSet初始容量大小："+hashSet.size());

        //元素添加：
        hashSet.add("my");
        hashSet.add("name");
        hashSet.add("is");
        hashSet.add("jiaboyan");
        hashSet.add(",");
        hashSet.add("hello");
        hashSet.add("world");
        hashSet.add("!");
        System.out.println("HashSet容量大小："+hashSet.size());

        //迭代器遍历：
        Iterator<String> iterator = hashSet.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            String str = iterator.next();
            System.out.println(str);
        }
        //增强for循环
        for(String str:hashSet){
            if("jiaboyan".equals(str)){
                System.out.println("你就是我想要的元素:"+str);
            }
            System.out.println(str);
        }

        //元素删除：
        hashSet.remove("jiaboyan");
        System.out.println("HashSet元素大小：" + hashSet.size());
        hashSet.clear();
        System.out.println("HashSet元素大小：" + hashSet.size());

        //集合判断：
        boolean isEmpty = hashSet.isEmpty();
        System.out.println("HashSet是否为空：" + isEmpty);
        boolean isContains = hashSet.contains("hello");
        System.out.println("HashSet是否为空：" + isContains);
    }
}

2.2、HashSet元素添加分析

Set集合不允许添加重复元素，那么到底是个怎么情况呢？来看一个简单的例子：

public class HashSetTest {

    public static void main(String[] agrs){
        //hashCode() 和 equals()测试：
        hashCodeAndEquals();
    }
    public static void hashCodeAndEquals(){
        //第一个 Set集合：
        Set<String> set1 = new HashSet<String>();
        String str1 = new String("jiaboyan");
        String str2 = new String("jiaboyan");
        set1.add(str1);
        set1.add(str2);
        System.out.println("长度："+set1.size()+",内容为："+set1);

        //第二个 Set集合：
        Set<App> set2 = new HashSet<App>();
        App app1 = new App();
        app1.setName("jiaboyan");

        App app2 = new App();
        app2.setName("jiaboyan");

        set2.add(app1);
        set2.add(app2);
        System.out.println("长度："+set2.size()+",内容为："+set2);

        //第三个 Set集合：
        Set<App> set3 = new HashSet<App>();
        App app3 = new App();
        app3.setName("jiaboyan");
        set3.add(app3);
        set3.add(app3);
        System.out.println("长度："+set3.size()+",内容为："+set3);
    }
}

测试结果：

长度：1,内容为：[jiaboyan]
长度：2,内容为：[com.jiaboyan.collection.App@efb78af, com.jiaboyan.collection.App@5f3306ad]
长度：1,内容为：[com.jiaboyan.collection.App@1fb030d8]

可以看到，第一个Set集合中最终只有一个元素；第二个Set集合保留了2个元素；第三个集合也只有1个元素；

究竟是什么原因呢？

让我们来看看HashSet的add(E e)方法：

public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
}

在底层HashSet调用了HashMap的put(K key, V value)方法:

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

通过查看以上的源码，我们可以了解到：实际的逻辑都是在HashMap的put()方法中。

int hash = hash(key) 对传入的key计算hash值；

int i = indexFor(hash, table.length) 对hash值进行转换，转换成数组的index(HashMap中底层存储使用了Entry<K,V>[]数组)；

for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 判断对应index下是否存在元素；

如果存在，则if(e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))判断；

如果不存在，则addEntry(hash, key, value, i)直接添加；

简单概括如下：

在向HashMap中添加元素时，先判断key的hashCode值是否相同，

  • 如果相同，则调用equals()、==进行判断，若相同则覆盖原有元素；
  • 如果不同，则直接向Map中添加元素；

3、TreeSet

从名字上可以看出，此集合的实现和树结构有关。与HashSet集合类似，TreeSet也是基于Map来实现，具体实现TreeMap(后面讲解)，其底层结构为红黑树（特殊的二叉查找树）；

与HashSet不同的是，TreeSet具有排序功能，分为自然排序(123456)和自定义排序两类，默认是自然排序；在程序中，我们可以按照任意顺序将元素插入到集合中，等到遍历时TreeSet会按照一定顺序输出--倒序或者升序；

TreeSet继承于AbstractSet，实现NavigableSet, Cloneable, Serializable接口。

  1. 与HashSet同理，TreeSet继承AbstractSet类，获得了Set集合基础实现操作；
  2. TreeSet实现NavigableSet接口，而NavigableSet又扩展了SortedSet接口。这两个接口主要定义了搜索元素的能力，例如给定某个元素，查找该集合中比给定元素大于、小于、等于的元素集合，或者比给定元素大于、小于、等于的元素个数；简单地说，实现NavigableSet接口使得TreeSet具备了元素搜索功能；
  3. TreeSet实现Cloneable接口，意味着它也可以被克隆；
  4. TreeSet实现了Serializable接口，可以被序列化，可以使用hessian协议来传输；

所以，它具有如下特点：

  • 对插入的元素进行排序，是一个有序的集合（主要与HashSet的区别）;

  • 底层使用红黑树结构，而不是哈希表结构；

  • 允许插入Null值；

  • 不允许插入重复元素；

  • 线程不安全；

3.1、TreeSet基本操作

public class TreeSetTest {
    public static void main(String[] agrs){
        TreeSet<String> treeSet = new TreeSet<String>();
        System.out.println("TreeSet初始化容量大小："+treeSet.size());

        //元素添加：
        treeSet.add("my");
        treeSet.add("name");
        treeSet.add("jiaboyan");
        treeSet.add("hello");
        treeSet.add("world");
        treeSet.add("1");
        treeSet.add("2");
        treeSet.add("3");
        System.out.println("TreeSet容量大小：" + treeSet.size());
        System.out.println("TreeSet元素顺序为：" + treeSet.toString());

        //增加for循环遍历：
        for(String str:treeSet){
            System.out.println("遍历元素："+str);
        }

        //迭代器遍历：升序
        Iterator<String> iteratorAesc = treeSet.iterator();
        while(iteratorAesc.hasNext()){
            String str = iteratorAesc.next();
            System.out.println("遍历元素升序："+str);
        }

        //迭代器遍历：降序
        Iterator<String> iteratorDesc = treeSet.descendingIterator();
        while(iteratorDesc.hasNext()){
            String str = iteratorDesc.next();
            System.out.println("遍历元素降序："+str);
        }

        //元素获取:实现NavigableSet接口
        String firstEle = treeSet.first();//获取TreeSet头节点：
        System.out.println("TreeSet头节点为：" + firstEle);

        // 获取指定元素之前的所有元素集合：(不包含指定元素)
        SortedSet<String> headSet = treeSet.headSet("jiaboyan");
        System.out.println("jiaboyan节点之前的元素为："+headSet.toString());

        //获取给定元素之间的集合：（包含头，不包含尾）
        SortedSet subSet = treeSet.subSet("1","world");
        System.out.println("1--jiaboan之间节点元素为："+subSet.toString());

        //集合判断：
        boolean isEmpty = treeSet.isEmpty();
        System.out.println("TreeSet是否为空："+isEmpty);
        boolean isContain = treeSet.contains("who");
        System.out.println("TreeSet是否包含who元素："+isContain);

        //元素删除：
        boolean jiaboyanRemove = treeSet.remove("jiaboyan");
        System.out.println("jiaboyan元素是否被删除"+jiaboyanRemove);
        
        //集合中不存在的元素，删除返回false
        boolean whoRemove = treeSet.remove("who");
        System.out.println("who元素是否被删除"+whoRemove);

       //删除并返回第一个元素：如果set集合不存在元素，则返回null
        String pollFirst = treeSet.pollFirst();
        System.out.println("删除的第一个元素："+pollFirst);
        
        //删除并返回最后一个元素：如果set集合不存在元素，则返回null
        String pollLast = treeSet.pollLast();
        System.out.println("删除的最后一个元素："+pollLast);


        treeSet.clear();//清空集合:
    }
}

 

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