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Java中Set集合的使用和底层原理解析

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Set系列集合介绍

Set集合概述

Set系列集合特点:

无序：存取数据的顺序是不一定的, 当数据存入后, 集合的顺序就固定下来了

不重复：可以去除重复

无索引：没有带索引的方法，所以不能使用普通for循环遍历，也不能通过索引来获取元素。

Set集合实现类特点:

HashSet : 无序、不重复、无索引。

public static void main(String[] args) {
  	// 无序, 不重复, 无索引
    Set<String> sets = new HashSet<>();
    sets.add("MySQL");
    sets.add("MySQL");
    sets.add("JAVA");
    sets.add("JAVA");
    sets.add("HTML");
    sets.add("HTML");
    sets.add("Vue");
    sets.add("Vue");
    System.out.println(sets); // [JAVA, MySQL, Vue, HTML]
}

LinkedHashSet：有序、不重复、无索引。

public static void main(String[] args) {
  	// 有序、不重复、无索引
    Set<String> sets = new LinkedHashSet<>();
    sets.add("MySQL");
    sets.add("MySQL");
    sets.add("JAVA");
    sets.add("JAVA");
    sets.add("HTML");
    sets.add("HTML");
    sets.add("Vue");
    sets.add("Vue");
    System.out.println(sets); // [MySQL, JAVA, HTML, Vue]
}

TreeSet：排序: 默认升序、不重复、无索引。

public static void main(String[] args) {
    // 排序、不重复、无索引
    Set<Integer> sets = new TreeSet<>();
    sets.add(10);
    sets.add(10);
    sets.add(20);
    sets.add(20);
    sets.add(30);
    sets.add(30);
    sets.add(40);
    sets.add(40);
    sets.add(50);
    sets.add(50);
    System.out.println(sets); // [10, 20, 30, 40, 50]
}

Set集合的功能上基本上与Collection的API一致, Set集合没有扩展额外的API。

HashSet无序原理

HashSet集合底层采取哈希表存储的数据。

哈希表是一种对于增删改查数据性能都较好的结构。

哈希表的组成:

JDK8之前的，底层使用数组+链表组成

JDK8开始后，底层采用数组+链表+红黑树组成。

哈希表是一种对于增删改查数据性能都较好的结构。

在了解哈希表之前需要先理解哈希值的概念

哈希值:

是JDK根据对象的地址，按照某种规则算出来的int类型的数值。

获取哈希值: 通过Object类的API:

public int hashCode()：返回对象的哈希值

对象的哈希值特点:

同一个对象多次调用hashCode()方法返回的哈希值是相同的

public static void main(String[] args) {
    String address = "成都市";
    System.out.println(address.hashCode()); // 25299637
    System.out.println(address.hashCode()); // 25299637
    System.out.println(address.hashCode()); // 25299637
}

默认情况下，不同对象的哈希值是不同的。

public static void main(String[] args) {
    String address = "成都市";
    System.out.println(address.hashCode()); // 25299637
    System.out.println(address.hashCode()); // 25299637
    System.out.println(address.hashCode()); // 25299637

    String address2 = "重庆市";
    System.out.println(address2.hashCode()); // 36643529
}

JDK8之前的版本HashSet原理解析：数组 + 链表 +（结合哈希算法）, 详细流程如下:

底层会默认创建一个默认长度16的数组，数组名table

在这里插入图片描述

根据元素的哈希值跟数组的长度求余计算出应存入的位置（哈希算法）

例如数组长度是16, 哈希值与16取余, 得出的结果一定是0到15之间的数字

判断当前位置是否为null，如果是null直接存入如果位置不为null，表示有元素，则调用equals方法比较如果一样，则不存，如果不一样，则存入数组

在JDK 7中, 新元素占老元素位置，并且新元素会指向老元素

在JDK 8中, 新元素挂在老元素下面

JDK8之后的版本HashSet原理解析:

底层结构：哈希表（数组、链表、红黑树的结合体）

当挂在元素下面的数据过多时，查询性能降低，从JDK8开始后，当链表长度超过8的时候，自动转换为红黑树。

在这里插入图片描述

JDK8开始后，哈希表对于红黑树的引入进一步提高了操作数据的性能。

Set集合对象去重

HashSet去重注意点:

Set集合在比较两个对象时, 默认比较的是两个对象的地址是否一致, 若地址不同则认为是两个不同的对象;

而如果希望Set集合认为2个内容一样的对象是重复的，则需要自己重写对象的hashCode()和equals()方法

我们来看下面这样一个案例:

需求: 创建一个存储学生对象的集合，存储多个学生对象，使用程序实现在控制台遍历该集合，要求：学生对象的成员变量值相同，我们就认为是同一个对象

分析:

定义学生类，创建Set集合对象, 创建学生对象
把学生添加到集合
在学生类中重写两个方法，hashCode()和equals()，自动生成即可

步骤一: 定义学生类

public class Student {
    private String name;
    private int age;
    private int id;

    // 构造器
    public Student() {};

    public Student(String name, int age, int id) {
        this.name = name;
        this.age = age;
        this.id = id;
    }

    // getter和setter方法
    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    public int getId() {
        return id;
    }

    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }
  
    // 重写toString方法
    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                ", id=" + id +
                '}';
    }
}

步骤二: 创建学生对象和HashSet集合, 并将学生对象存入HashSet集合中, 如下代码:

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建集合存储学生对象
        Set<Student> students = new HashSet<>();
        // 创建学生对象
        Student stu1 = new Student("小明", 18, 101);
        Student stu2 = new Student("小明", 18, 101);
        Student stu3 = new Student("小王", 20, 102);
        // 将学生对象添加到集合中
        students.add(stu1);
        students.add(stu2);
        students.add(stu3);

        System.out.println(students);
        // 打印结果如下: 
        //  [Student{name='小明', age=18, id=101}, 
        //  Student{name='小明', age=18, id=101}, 
        //  Student{name='小王', age=20, id=102}]
    }
}

步骤三: 我们发现步骤二代码中, stu1和stu2对象的内容完全一样, 但是由于对象的地址不一样, 会被当成两个不同的对象存入到集合中; 因此我们需要在学生类中重写两个方法，hashCode()和equals()，自动生成即可

@Override
public boolean equals(Object o) {
    if (this == o) return true;
    if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
    Student student = (Student) o;
    return age == student.age && id == student.id && Objects.equals(name, student.name);
}

@Override
public int hashCode() {
  	// 该方法传入的参数相同, 就会返回相同的哈希值
    return Objects.hash(name, age, id);
}

步骤四: 此时再将stu1和stu2对象存入集合, 由于内容一样就会被去掉重复的

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建集合存储学生对象
        Set<Student> students = new HashSet<>();
        // 创建学生对象
        Student stu1 = new Student("小明", 18, 101);
        Student stu2 = new Student("小明", 18, 101);
        Student stu3 = new Student("小王", 20, 102);
        // 将学生对象添加到集合中
        students.add(stu1);
        students.add(stu2);
        students.add(stu3);

        System.out.println(students);
        //  [Student{name='小王', age=20, id=102}, Student{name='小明', age=18, id=101}]
    }
}

LinkedHashSet

LinkedHashSet集合概述和特点:

有序、不重复、无索引。

这里的有序指的是保证存储和取出的元素顺序一致

原理：

底层数据结构是依然哈希表，只是每个元素又额外的多了一个双链表的机制记录存储的顺序。

在这里插入图片描述

TreeSet排序规则

TreeSet集合特点:

不重复、无索引、可排序

可排序：按照元素的大小默认升序（有小到大）排序。

TreeSet集合底层是基于红黑树的数据结构实现排序的，增删改查性能都较好。

注意：TreeSet集合是一定要排序的，可以将元素按照指定的规则进行排序。

TreeSet默认排序规则:

对于数值类型：Integer , Double，官方默认按照大小进行升序排序。

public static void main(String[] args) {
    Set<Integer> sets1 = new TreeSet<>();
    sets1.add(50);
    sets1.add(10);
    sets1.add(30);
    sets1.add(20);
    System.out.println(sets1); // [10, 20, 30, 50]

    Set<Double> sets2 = new TreeSet<>();
    sets2.add(10.11);
    sets2.add(20.22);
    sets2.add(43.22);
    sets2.add(8.22);
    System.out.println(sets2); // [8.22, 10.11, 20.22, 43.22]
}

对于字符串类型：默认按照首字符的编号升序排序。

public static void main(String[] args) {
    Set<String> sets = new TreeSet<>();
    sets.add("bbb");
    sets.add("eee");
    sets.add("aaa");
    sets.add("ccc");
    System.out.println(sets); // [aaa, bbb, ccc, eee]
}

对于自定义类型如Student对象，TreeSet无法直接排序, 需要制定排序规则; 例如下面代码中向集合中添加学生类, TreeSet是无法进行排序的, 会崩溃报错。

// 错误演示
public static void main(String[] args) {
    // 创建学生对象
    Student stu1 = new Student("小明", 18, 101);
    Student stu2 = new Student("小赵", 18, 102);
    Student stu3 = new Student("小王", 18, 103);
    // 创建集合
    Set<Student> students = new TreeSet<>();
    students.add(stu1);
    students.add(stu2);
    students.add(stu3);
    System.out.println(students);
}

自定义排序规则: TreeSet集合存储对象的的时候有2种方式可以设计自定义比较规则

方式一: 让自定义的类（如学生类）实现Comparable接口, 并重写compareTo方法来定制比较规则。

// 实现Comparable接口
public class Student implements Comparable<Student> {
  	// 其他代码...
  
  	// 重写compareTo方法
    @Override
    public int compareTo(Student o) {
        // 例如按照id进行排序
        return this.id - o.id;
    }
}
public static void main(String[] args) {
    // 创建学生对象
    Student stu1 = new Student("小明", 18, 101);
    Student stu2 = new Student("小赵", 18, 102);
    Student stu3 = new Student("小王", 18, 103);
    // 创建集合
    Set<Student> students = new TreeSet<>();
    students.add(stu1);
    students.add(stu2);
    students.add(stu3);
    System.out.println(students);
    // 打印结果: 按照id升序
    // [Student{name='小明', age=18, id=101}, 
    // Student{name='小赵', age=18, id=102}, 
    // Student{name='小王', age=18, id=103}]
}

方式二: TreeSet集合有参数构造器自带比较器对象，来进行定制比较规则, 并且该方法如果和方式一同时出现, 会优先使用此方法的比较规则。

public class SetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建学生对象
        Student stu1 = new Student("小明", 18, 101);
        Student stu2 = new Student("小赵", 18, 102);
        Student stu3 = new Student("小王", 18, 103);
        // 创建集合
        // 方式二: 使用构造器自带的比较器对象
        Set<Student> students = new TreeSet<>(new Comparator<Student>() {
            @Override
            public int compare(Student o1, Student o2) {
                return o2.getId() - o1.getId();
            }
        });
        students.add(stu1);
        students.add(stu2);
        students.add(stu3);
        System.out.println(students);
        // 打印结果: 按照id降序
        // [Student{name='小王', age=18, id=103},
        // Student{name='小赵', age=18, id=102},
        // Student{name='小明', age=18, id=101}]
    }
}

并且可以使用Lambda表达式简化代码

public class SetDemo {
    public static void main(String[] args) {
        // 创建学生对象
        Student stu1 = new Student("小明", 18, 101);
        Student stu2 = new Student("小赵", 18, 102);
        Student stu3 = new Student("小王", 18, 103);
        // 创建集合
        // 方式二: 使用构造器自带的比较器对象
        Set<Student> students = new TreeSet<>((Student o1, Student o2) -> o2.getId() - o1.getId());
        
        students.add(stu1);
        students.add(stu2);
        students.add(stu3);
        System.out.println(students);
        // 打印结果: 按照id降序
        // [Student{name='小王', age=18, id=103},
        // Student{name='小赵', age=18, id=102},
        // Student{name='小明', age=18, id=101}]
    }
}

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