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但行好事 莫问前程

Java编程拾遗『容器——HashSet』

在介绍Java中的HashSet之前,我们首先来看一下数学上集合的特性:

  • 无序性:一个集合中,每个元素的地位都是相同的,元素之间是无序的。集合上可以定义序关系,定义了序关系后,元素之间就可以按照序关系排序。但就集合本身的特性而言,元素之间没有必然的序。
  • 互异性:一个集合中,任何两个元素都认为是不相同的,即每个元素只能出现一次。有时需要对同一元素出现多次的情形进行刻画,可以使用多重集,其中的元素允许出现多次。
  • 确定性:给定一个集合,任给一个元素,该元素或者属于或者不属于该集合,二者必居其一,不允许有模棱两可的情况出现。

Java中的Set概念上跟数学上的集合完全一致,也具有上述特性。了解了上节HashMap的实现后,再来看HashSet的实现就比较简单了,因为HashSet底层就是通过HashMap实现的,HashSet可以理解为一种value全为Object的HashMap,HashMap所有的key表示集合中的元素。HashSet实现了Set接口,集成了AbstractSet抽象类,同时实现了Serializable、Cloneable接口,如下图所示:

1. 使用规则

HashSet在Java API中声明如下:

public class HashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;

    private transient HashMap<E,Object> map;

    // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
    private static final Object PRESENT = new Object();

    //methods

}    

HashSet内部是通过HashMap实现的,静态final对象PRESENT是HashMap中所有key对应的默认value。

1.1 构造方法

S.N. 方法 说明
1 public HashSet() 无参构造函数
2 public HashSet(Collection<? extends E> c) 通过一个Collection初始化HashSet
3 public HashSet(int initialCapacity) 声明一定容量的HashSet
4 public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) 声明一定容量、负载因子的HashSet

1.2 Set接口

S.N. 方法 说明
1 boolean add(E e) 向Set中添加一个元素
2 boolean addAll(Collection<? extends E> c) 将Collection中的元素添加到Set中
3 boolean contains(Object o) 判断Set中是否包含o元素
4 boolean containsAll(Collection<?> c) 判断Collection中的元素是否全部存在于Set中
5 boolean equals(Object o) equals方法
6 int hashCode() hashCode方法
7 boolean isEmpty() 判断Set是否为空
8 Iterator<E> iterator() 返回Set的单向Iterator迭代器
9 boolean remove(Object o) 删除Set中的元素o
10 boolean removeAll(Collection<?> c) 删除Set中包含的Collection的所有元素,如果c也为Set,表示求差集
11 boolean retainAll(Collection<?> c) 保留Set中包含的Collection的所有元素,如果c也为Set,表示求交集
12 int size() 返回Set元素个数
13 default Spliterator<E> spliterator() 返回Set的并行流Spliterator迭代器
14 Object[] toArray() Set转Object[]数组
15 <T> T[] toArray(T[] a) Set转特定类型数组

2. 实现源码分析

HashSet实现比较简单,底层是通过HashMap实现的,只不过HashMap所有的value都是同一个Object对象。

2.1 构造函数

//调用HashMap默认构造函数,HashMap capacity为16,loadFactor为0.75
public HashSet() {

    map = new HashMap<>();
}

//调用HashMap(int initialCapacity)构造函数,容量为c.size() / 0.75 + 1大小的hashMap
//HashMap负载因子仍为0.75,如果c.size() / 0.75 + 1 < 16,则容量定义为16
public HashSet(Collection<? extends E> c) {
    map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
    addAll(c);
}

//调用HashMap(int initialCapacity)构造函数,声明容量为initialCapacity大小的HashMap
public HashSet(int initialCapacity) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity);
}

//调用HashMap(int initialCapacity, float loadFactor),声明特定容量和负载因子的HashMap
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

2.2 boolean add(E e)

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

就是调用HashMap的put方法,元素e用于HashMap的键,HashMap的值就是那个final的Object对象PRESENT,put返回null表示原来没有对应的键,添加成功了。HashMap中一个键只会保存一份,这也能解释为什么HashSet可以保证键不重复的原因。这里还要特别提一下,HashMap中要求key元素类型必须重写hashCode和equals方法,所以HashSet也要求元素重写hashCode和equals方法,如果两个对象,equals相同,则hashCode也必须相同,如果元素是自定义的类,一定要注意重写这两个方法

2.3 remove(Object o)

public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
}

调用HashMap的remove方法,返回值为PRESENT表示原来有对应的键且删除成功了。

2.4 contains(Object o)

public boolean contains(Object o) {
    return map.containsKey(o);
}

调用HashMap的containsKey方法,判断key o是不是存在。

3. HashSet特点

HashSet实现了Set接口,内部是通过HashMap实现的,这也决定了HashSet有如下特点:

  • HashSet中可以保证没有重复元素
  • 添加、删除、判断元素是否存在,效率很高,时间复杂度为O(1)。
  • HashSet无法保证元素顺序

基于以上特点,HashSet一般有以下使用场景:

  • 排重,如果对排重后的元素没有顺序要求,则HashSet可以方便的用于排重。
  • 集合运算,使用Set可以方便的进行数学集合中的运算,如交集、并集等运算

参考链接:

  1. Java API

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