Java集合详解7：一文搞清楚HashSet，TreeSet与LinkedHashSet的异同

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今天我们来探索一下HashSet，TreeSet与LinkedHashSet的基本原理与源码实现，由于这三个set都是基于之前文章的三个map进行实现的，所以推荐大家先看一下前面有关map的文章，结合使用味道更佳。

本文参考
http://cmsblogs.com/?p=599

HashSet

定义

public class HashSet<E>    extends AbstractSet<E>    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable

HashSet继承AbstractSet类，实现Set、Cloneable、Serializable接口。其中AbstractSet提供 Set 接口的骨干实现，从而最大限度地减少了实现此接口所需的工作。
==Set接口是一种不包括重复元素的Collection，它维持它自己的内部排序，所以随机访问没有任何意义。==

本文基于1.8jdk进行源码分析。

基本属性

基于HashMap实现，底层使用HashMap保存所有元素

private transient HashMap<E,Object> map;//定义一个Object对象作为HashMap的valueprivate static final Object PRESENT = new Object();

构造函数

    public HashSet() {        map = new HashMap<>();    }        public HashSet(Collection<? extends E> c) {        map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));        addAll(c);    }        public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {        map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);    }        public HashSet(int initialCapacity) {       map = new HashMap<>(initialCapacity);    }        HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {       map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);    } 从构造函数中可以看出HashSet所有的构造都是构造出一个新的HashMap，其中最后一个构造函数，为包访问权限是不对外公开，仅仅只在使用LinkedHashSet时才会发生作用。

方法

既然HashSet是基于HashMap，那么对于HashSet而言，其方法的实现过程是非常简单的。

public Iterator<E> iterator() {        return map.keySet().iterator();    }

iterator()方法返回对此 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。

底层调用HashMap的keySet返回所有的key，这点反应了HashSet中的所有元素都是保存在HashMap的key中，value则是使用的PRESENT对象，该对象为static final。

public int size() {        return map.size();    }   size()返回此 set 中的元素的数量（set 的容量）。底层调用HashMap的size方法，返回HashMap容器的大小。

public boolean isEmpty() {        return map.isEmpty();    }    isEmpty()，判断HashSet()集合是否为空，为空返回 true，否则返回false。public boolean contains(Object o) {        return map.containsKey(o);}public boolean containsKey(Object key) {    return getNode(hash(key), key) != null;}//最终调用该方法进行节点查找final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;    //先检查桶的头结点是否存在    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&        (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {        if (first.hash == hash && // always check first node            ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))            return first;            //不是头结点，则遍历链表，如果是树节点则使用树节点的方法遍历，直到找到，或者为null        if ((e = first.next) != null) {            if (first instanceof TreeNode)                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);            do {                if (e.hash == hash &&                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                    return e;            } while ((e = e.next) != null);        }    }    return null;}

contains()，判断某个元素是否存在于HashSet()中，存在返回true，否则返回false。更加确切的讲应该是要满足这种关系才能返回true：(o==null ? e==null : o.equals(e))。底层调用containsKey判断HashMap的key值是否为空。

public boolean add(E e) {        return map.put(e, PRESENT)==null;}public V put(K key, V value) {    return putVal(hash(key), key, value, false, true);}map的put方法：final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,               boolean evict) {    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;    //确认初始化    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)        n = (tab = resize()).length;    //如果桶为空，直接插入新元素，也就是entry    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);    else {        Node<K,V> e; K k;        //如果冲突，分为三种情况        //key相等时让旧entry等于新entry即可        if (p.hash == hash &&            ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))            e = p;        //红黑树情况        else if (p instanceof TreeNode)            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);        else {            //如果key不相等，则连成链表            for (int binCount = 0; ; ++binCount) {                if ((e = p.next) == null) {                    p.next = newNode(hash, key, value, null);                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st                        treeifyBin(tab, hash);                    break;                }                if (e.hash == hash &&                    ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))                    break;                p = e;            }        }        if (e != null) { // existing mapping for key            V oldValue = e.value;            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)                e.value = value;            afterNodeAccess(e);            return oldValue;        }    }    ++modCount;    if (++size > threshold)        resize();    afterNodeInsertion(evict);    return null;}

这里注意一点，hashset只是不允许重复的元素加入，而不是不允许元素连成链表，因为只要key的equals方法判断为true时它们是相等的，此时会发生value的替换，因为所有entry的value一样，所以和没有插入时一样的。

而当两个hashcode相同但key不相等的entry插入时，仍然会连成一个链表，长度超过8时依然会和hashmap一样扩展成红黑树，看完源码之后笔者才明白自己之前理解错了。所以看源码还是蛮有好处的。hashset基本上就是使用hashmap的方法再次实现了一遍而已，只不过value全都是同一个object，让你以为相同元素没有插入，事实上只是value替换成和原来相同的值而已。

当add方法发生冲突时，如果key相同，则替换value，如果key不同，则连成链表。

add()如果此 set 中尚未包含指定元素，则添加指定元素。如果此Set没有包含满足(e==null ? e2==null : e.equals(e2)) 的e2时，则将e2添加到Set中，否则不添加且返回false。

由于底层使用HashMap的put方法将key = e，value=PRESENT构建成key-value键值对，当此e存在于HashMap的key中，则value将会覆盖原有value，但是key保持不变，所以如果将一个已经存在的e元素添加中HashSet中，新添加的元素是不会保存到HashMap中，所以这就满足了HashSet中元素不会重复的特性。

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

remove如果指定元素存在于此 set 中，则将其移除。底层使用HashMap的remove方法删除指定的Entry。

public void clear() {    map.clear();}

clear从此 set 中移除所有元素。底层调用HashMap的clear方法清除所有的Entry。

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();        }    }

clone返回此 HashSet 实例的浅表副本：并没有复制这些元素本身。

后记：

由于HashSet底层使用了HashMap实现，使其的实现过程变得非常简单，如果你对HashMap比较了解，那么HashSet简直是小菜一碟。有两个方法对HashMap和HashSet而言是非常重要的，下篇将详细讲解hashcode和equals。

TreeSet

与HashSet是基于HashMap实现一样，TreeSet同样是基于TreeMap实现的。在《Java提高篇（二七）——-TreeMap》中LZ详细讲解了TreeMap实现机制，如果客官详情看了这篇博文或者多TreeMap有比较详细的了解，那么TreeSet的实现对您是喝口水那么简单。

TreeSet定义

我们知道TreeMap是一个有序的二叉树，那么同理TreeSet同样也是一个有序的，它的作用是提供有序的Set集合。通过源码我们知道TreeSet基础AbstractSet，实现NavigableSet、Cloneable、Serializable接口。

其中AbstractSet提供 Set 接口的骨干实现，从而最大限度地减少了实现此接口所需的工作。

NavigableSet是扩展的 SortedSet，具有了为给定搜索目标报告最接近匹配项的导航方法，这就意味着它支持一系列的导航方法。比如查找与指定目标最匹配项。Cloneable支持克隆，Serializable支持序列化。

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>    implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable

同时在TreeSet中定义了如下几个变量。

private transient NavigableMap<E,Object> m;//PRESENT会被当做Map的value与key构建成键值对 private static final Object PRESENT = new Object();

其构造方法：

//默认构造方法，根据其元素的自然顺序进行排序public TreeSet() {    this(new TreeMap<E,Object>());}//构造一个包含指定 collection 元素的新 TreeSet，它按照其元素的自然顺序进行排序。public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {        this(new TreeMap<>(comparator));}//构造一个新的空 TreeSet，它根据指定比较器进行排序。public TreeSet(Collection<? extends E> c) {    this();    addAll(c);}//构造一个与指定有序 set 具有相同映射关系和相同排序的新 TreeSet。public TreeSet(SortedSet<E> s) {    this(s.comparator());    addAll(s);}TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) {    this.m = m;}

TreeSet主要方法

add：将指定的元素添加到此 set（如果该元素尚未存在于 set 中）。

public boolean add(E e) {        return m.put(e, PRESENT)==null;    }public V put(K key, V value) {    Entry<K,V> t = root;    if (t == null) {    //空树时，判断节点是否为空        compare(key, key); // type (and possibly null) check        root = new Entry<>(key, value, null);        size = 1;        modCount++;        return null;    }    int cmp;    Entry<K,V> parent;    // split comparator and comparable paths    Comparator<? super K> cpr = comparator;    //非空树，根据传入比较器进行节点的插入位置查找    if (cpr != null) {        do {            parent = t;            //节点比根节点小，则找左子树，否则找右子树            cmp = cpr.compare(key, t.key);            if (cmp < 0)                t = t.left;            else if (cmp > 0)                t = t.right;                //如果key的比较返回值相等，直接更新值（一般compareto相等时equals方法也相等）            else                return t.setValue(value);        } while (t != null);    }    else {    //如果没有传入比较器，则按照自然排序        if (key == null)            throw new NullPointerException();        @SuppressWarnings("unchecked")            Comparable<? super K> k = (Comparable<? super K>) key;        do {            parent = t;            cmp = k.compareTo(t.key);            if (cmp < 0)                t = t.left;            else if (cmp > 0)                t = t.right;            else                return t.setValue(value);        } while (t != null);    }    //查找的节点为空，直接插入，默认为红节点    Entry<K,V> e = new Entry<>(key, value, parent);    if (cmp < 0)        parent.left = e;    else        parent.right = e;        //插入后进行红黑树调整    fixAfterInsertion(e);    size++;    modCount++;    return null;}    

get：获取元素

public V get(Object key) {    Entry<K,V> p = getEntry(key);    return (p==null ? null : p.value);}

该方法与put的流程类似，只不过是把插入换成了查找

ceiling：返回此 set 中大于等于给定元素的最小元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。

public E ceiling(E e) {        return m.ceilingKey(e);    }

clear：移除此 set 中的所有元素。

public void clear() {        m.clear();    }

clone：返回 TreeSet 实例的浅表副本。属于浅拷贝。

public Object clone() {        TreeSet<E> clone = null;        try {            clone = (TreeSet<E>) super.clone();        } catch (CloneNotSupportedException e) {            throw new InternalError();        }        clone.m = new TreeMap<>(m);        return clone;    }

comparator：返回对此 set 中的元素进行排序的比较器；如果此 set 使用其元素的自然顺序，则返回 null。

public Comparator<? super E> comparator() {        return m.comparator();    }

contains：如果此 set 包含指定的元素，则返回 true。

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

descendingIterator：返回在此 set 元素上按降序进行迭代的迭代器。

public Iterator<E> descendingIterator() {        return m.descendingKeySet().iterator();    }

descendingSet：返回此 set 中所包含元素的逆序视图。

public NavigableSet<E> descendingSet() {        return new TreeSet<>(m.descendingMap());    }

first：返回此 set 中当前第一个（最低）元素。

public E first() {        return m.firstKey();    }

floor：返回此 set 中小于等于给定元素的最大元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。

public E floor(E e) {        return m.floorKey(e);    }

headSet：返回此 set 的部分视图，其元素严格小于 toElement。

public SortedSet<E> headSet(E toElement) {        return headSet(toElement, false);    }

higher：返回此 set 中严格大于给定元素的最小元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。

public E higher(E e) {        return m.higherKey(e);    }

isEmpty：如果此 set 不包含任何元素，则返回 true。

public boolean isEmpty() {        return m.isEmpty();    }

iterator：返回在此 set 中的元素上按升序进行迭代的迭代器。

public Iterator<E> iterator() {        return m.navigableKeySet().iterator();    }

last：返回此 set 中当前最后一个（最高）元素。

public E last() {        return m.lastKey();    }

lower：返回此 set 中严格小于给定元素的最大元素；如果不存在这样的元素，则返回 null。

public E lower(E e) {        return m.lowerKey(e);    }

pollFirst：获取并移除第一个（最低）元素；如果此 set 为空，则返回 null。

public E pollFirst() {        Map.Entry<E,?> e = m.pollFirstEntry();        return (e == null) ? null : e.getKey();    }

pollLast：获取并移除最后一个（最高）元素；如果此 set 为空，则返回 null。

public E pollLast() {        Map.Entry<E,?> e = m.pollLastEntry();        return (e == null) ? null : e.getKey();    }

remove：将指定的元素从 set 中移除（如果该元素存在于此 set 中）。

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

该方法与put类似，只不过把插入换成了删除，并且要进行删除后调整

size：返回 set 中的元素数（set 的容量）。

public int size() {        return m.size();    }

subSet：返回此 set 的部分视图

     public NavigableSet<E> subSet(E fromElement, boolean fromInclusive,             E toElement,   boolean toInclusive) {             return new TreeSet<>(m.subMap(fromElement, fromInclusive,                  toElement,   toInclusive));     }          public SortedSet<E> subSet(E fromElement, E toElement) {         return subSet(fromElement, true, toElement, false);     }

tailSet：返回此 set 的部分视图

    public NavigableSet<E> tailSet(E fromElement, boolean inclusive) {        return new TreeSet<>(m.tailMap(fromElement, inclusive));    }        public SortedSet<E> tailSet(E fromElement) {        return tailSet(fromElement, true);    }

最后

由于TreeSet是基于TreeMap实现的，所以如果我们对treeMap有了一定的了解，对TreeSet那是小菜一碟，我们从TreeSet中的源码可以看出，其实现过程非常简单，几乎所有的方法实现全部都是基于TreeMap的。

LinkedHashSet

LinkedHashSet内部是如何工作的

LinkedHashSet是HashSet的一个“扩展版本”，HashSet并不管什么顺序，不同的是LinkedHashSet会维护“插入顺序”。HashSet内部使用HashMap对象来存储它的元素，而LinkedHashSet内部使用LinkedHashMap对象来存储和处理它的元素。这篇文章，我们将会看到LinkedHashSet内部是如何运作的及如何维护插入顺序的。

我们首先着眼LinkedHashSet的构造函数。在LinkedHashSet类中一共有4个构造函数。这些构造函数都只是简单地调用父类构造函数（如HashSet类的构造函数）。
下面看看LinkedHashSet的构造函数是如何定义的。

//Constructor - 1public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor){      super(initialCapacity, loadFactor, true);              //Calling super class constructor}//Constructor - 2public LinkedHashSet(int initialCapacity){        super(initialCapacity, .75f, true);             //Calling super class constructor}//Constructor - 3public LinkedHashSet(){        super(16, .75f, true);                //Calling super class constructor}//Constructor - 4public LinkedHashSet(Collection<? extends E> c){        super(Math.max(2*c.size(), 11), .75f, true);          //Calling super class constructor        addAll(c);}

在上面的代码片段中，你可能注意到4个构造函数调用的是同一个父类的构造函数。这个构造函数（父类的，译者注）是一个包内私有构造函数（见下面的代码，HashSet的构造函数没有使用public公开，译者注），它只能被LinkedHashSet使用。

这个构造函数需要初始容量，负载因子和一个boolean类型的哑值（没有什么用处的参数，作为标记，译者注）等参数。这个哑参数只是用来区别这个构造函数与HashSet的其他拥有初始容量和负载因子参数的构造函数，下面是这个构造函数的定义，

HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy){        map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);}

显然，这个构造函数内部初始化了一个LinkedHashMap对象，这个对象恰好被LinkedHashSet用来存储它的元素。

LinkedHashSet并没有自己的方法，所有的方法都继承自它的父类HashSet，因此，对LinkedHashSet的所有操作方式就好像对HashSet操作一样。

唯一的不同是内部使用不同的对象去存储元素。在HashSet中，插入的元素是被当做HashMap的键来保存的，而在LinkedHashSet中被看作是LinkedHashMap的键。

这些键对应的值都是常量PRESENT（PRESENT是HashSet的静态成员变量，译者注）。

LinkedHashSet是如何维护插入顺序的

LinkedHashSet使用LinkedHashMap对象来存储它的元素，插入到LinkedHashSet中的元素实际上是被当作LinkedHashMap的键保存起来的。

LinkedHashMap的每一个键值对都是通过内部的静态类Entry实例化的。这个 Entry类继承了HashMap.Entry类。

这个静态类增加了两个成员变量，before和after来维护LinkedHasMap元素的插入顺序。这两个成员变量分别指向前一个和后一个元素，这让LinkedHashMap也有类似双向链表的表现。

private static class Entry<K,V> extends HashMap.Entry<K,V>{        // These fields comprise the doubly linked list used for iteration.        Entry<K,V> before, after;        Entry(int hash, K key, V value, HashMap.Entry<K,V> next) {            super(hash, key, value, next);        }}

从上面代码看到的LinkedHashMap内部类的前面两个成员变量——before和after负责维护LinkedHashSet的插入顺序。LinkedHashMap定义的成员变量header保存的是
这个双向链表的头节点。header的定义就像下面这样，

接下来看一个例子就知道LinkedHashSet内部是如何工作的了。

public class LinkedHashSetExample{    public static void main(String[] args)    {        //Creating LinkedHashSet        LinkedHashSet<String> set = new LinkedHashSet<String>();        //Adding elements to LinkedHashSet        set.add("BLUE");        set.add("RED");        set.add("GREEN");            set.add("BLACK");    }}

如果你知道LinkedHashMap内部是如何工作的，就非常容易明白LinkedHashSet内部是如何工作的。看一遍LinkedHashSet和LinkedHashMap的源码，
你就能够准确地理解在Java中LinkedHashSet内部是如何工作的。

参考文章

http://cmsblogs.com/?p=599

https://www.cnblogs.com/one-apple-pie/p/11036309.html

https://blog.csdn.net/learningcoding/article/details/79983248