【Java集合】Set集合背后的秘密:为什么它比List接口更严格?

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- 2023.11.21 -

简单来说,Set是一个不允许重复元素的集合。这意味着,如果你向Set中添加一个已经存在的元素,那么这个元素将被忽略。正是因为这个特性,Set在处理数据时具有很高的效率。

上篇我们介绍了单列集合中常用的list接口,本篇我们来聊聊单列集合中的另外一个重要接口Set集合。

一、Set 介绍

java.util.Set接口和java.util.List接口一样,同样实现了Collection接口,它与Collection接口中的方法基本一致,并没有对Collection接口进行功能上的扩充,只是比Collection接口更加严格了。

与List接口不同的是,Set接口中元素无序,并且都会以某种规则保证存入的元素不出现重复,这里的某种规则,我们在后面中给大家揭秘,大家不要着急。

  • 无序
  • 不可重复

它没有索引,所以不能使用普通for 循环进行遍历。

Set 集合 遍历元素的方式 迭代器,增强for

来,我们通过案例练习来看看

java 复制代码
//创建集合对象

                HashSet<String> hs = new HashSet<String>();

                //使用Collection的方法添加元素

                hs.add("hello");

                hs.add("world");

                hs.add("java");

                //无法添加,在执行这行代码时,会报错误

                hs.add("world");

                //遍历

                for(String s : hs) {

                    System.out.println(s);

                }
  
  • Set接口类型,定义变量,Collection的常用方法 add()没有报错,说明Set 完全实现了Collection中的方法;
  • 添加代码 hs.add("world");无法加入,验证了 Set的不可重复;
  • 多次运行遍历发现,输入的顺序是改变的,说明Set是无序的。
  • Set集合有多个实现子类,这里我们介绍其中的java.util.HashSet、java.util.LinkedHashSet这两个集合。

二、HashSet 集合介绍

通过java文档,我们知道java.util.HashSet是Set接口的一个实现类

  • 它所存储的元素是不可重复的
  • 元素都是无序的(即存取顺序不一致)
  • 没有索引,没有带索引的方法,也不能使用普通for循环遍历
  • java.util.HashSet 是由哈希表(实际上是一个 HashMap 实例)支持,换句话说它的底层的实现数据结构是哈希表结构,而哈希表结构的特点是查询速度非常快。

我们先来使用一下HashSet集合,体验一下,再进行讲解:

java 复制代码
public class Demo1Set {


        public static void main(String[] args) {


                //创建集合对象

                HashSet<String> hs = new HashSet<String>();
    

                //添加元素

                hs.add("hello");

                hs.add("world");

                hs.add("java");


                hs.add("world");


                //使用增强for遍历

                for(String s : hs) {

                    System.out.println(s);

                }
 
        }

    }

输出结果如下:

    world

    java

    hello

发现world 单词只存储了一个,集合中没有重复元素。

三、HashSet集合存储数据的结构

3.1 哈希表数据结构

我们在前面的文章中,已经介绍过基本的数据结构,大家可以回顾一下。

哈希表是什么呢?简单的理解,在Java中,哈希表有两个版本,在jdk1.8 之前,哈希表 = 数组+链表 ,而在 jdk1.8 之后,哈希表 = 数组+链表+红黑树(一种特殊的二叉树) 我们在这里对哈希表的讲述,为了便于我们学习,只需要记住它在计算机中的结构图即可。

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再一个,现在我们大多使用的jdk版本是1.8之后的,所以我们讲解的哈希表结构是第二个版本。我们在之前已经介绍过数组和链表的结构图,所以我们在这里就简单介绍一下红黑树结构。

我们在生活中树的结构,树根-树枝-叶子。计算机世界的树,刚好与我们现实中的树成镜像相反,树根在上,树枝在下。那每个树枝上只有不超过两个叶子的就叫做二叉树,而红黑树就是我们一棵特殊的二叉树,结构就是这样:

说完红黑二叉树呢,我们来看看我们的哈希表结构图:

  • 有数组
  • 有链表
  • 有红黑树

3.2 哈希值

我们刚刚通过哈希表的介绍,知道元素在结构中的存放位置,是根据hash值来决定的,而 链表的长度达到某些条件就可能触发把链表演化为一个红黑树结构。那么hash值是什么呢?说白了就是个数字,只不过是通过一定算法计算出来的。

接下来我们介绍一下:

  • 哈希值:是JDK 根据对象地址或者字符串或者数字算出来的 int 类型的数值
  • 如何获取哈希值?

在java基础中,我们学习过 Object类是所有类的基类,每个类都默认继承Object类。通过API 文档查找,有个方法 public int hashCode():返回对象的哈希码值。

我们看下这个方法的使用:

首先定义一个person类,具有两个属性,设置getset方法,设置构造函数。

java 复制代码
public class Demo2HashCode {


       public static void main(String[] args) {


           String str1 = "hello";

           String str2 = new String("hello");


           System.out.println("str1 hashcode =" + str1.hashCode());

           System.out.println("str2 hashcode =" + str2.hashCode());


           //通过上下两段代码的对比,我们可以知道  String 类重写了HashCode()方法。


           Student student = new Student("玛丽", 20);

           Student student2 = new Student("沈腾", 30);

           System.out.println("student hashcode =" + student.hashCode());

           System.out.println("student2 hashcode =" + student2.hashCode());


       }

   }

好,我们了解了hash值概念和获取方式,那我们就来看看元素事怎么加入到 hashset中的。

3.3 添加元素过程

那么向 HashSet集合中,添加一个元素时,到底执行了哪些流程呢?

首先我们在实例化HashSet 对象,通过api文档,在调用空参构造器后,创建了一个长度为16的数组。 其次在调用add方法之后,它的执行流程如下:

1)根据对象的哈希值计算存储位置

  • 如果当前位置没有元素则直接存入;

  • 如果当前位置有元素存在,则进入第二步。

2)当前元素的元素和已经存在的元素比较哈希值如果哈希值不同,则将当前元素进行存储如果哈希值相同,则进入第三步

3)通过equals()方法比较两个元素的内容如果内容不相同,则将当前元素进行存储如果内容相同,则不存储当前元素

用流程图来表示:

了解了元素添加的原理后,在添加元素的过程中,如果说某一条链表达到一定数量,就会触发条件,去演化为一条红黑树,防止我们学起来太吃力,在这里不做深入探究。

总而言之,JDK1.8引入红黑树大程度优化了HashMap的性能,那么对于我们来讲保证HashSet集合元素的唯一,其实就是根据对象的hashCode和equals方法来决定的。如果我们往集合中存放自定义的对象,那么保证其唯一,就必须复写hashCode和equals方法建立属于当前对象的比较方式。

四、HashSet 存储自定义类型元素

java 复制代码
 //优化后的student

    public class Student {

        private String name;

        private int age;

        public Student(String name, int age) {

            this.name = name;

            this.age = age;

        }


        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;

        }


        @Override

        public String toString() {

            return "Student{" +

                    "name='" + name + '\'' +

                    ", age=" + age +

                    '}';

        }


        @Override

        public boolean equals(Object o) {

            if (this == o) return true;

            if (!(o instanceof Student)) return false;


            Student student = (Student) o;

    

            if (age != student.age) return false;

            return name.equals(student.name);

        }


        @Override

        public int hashCode() {

            int result = name.hashCode();

            result = 31 * result + age;

            return result;

        }

    }

    

    public class Demo3HashSet {


        public static void main(String[] args) {


            HashSet<Student> students = new HashSet<>();


            Student student = new Student("玛丽", 20);

            Student student2 = new Student("沈腾", 30);

            Student student3 = new Student("沈腾", 30);


            students.add(student);

            students.add(student2);

            students.add(student3);


            for (Student studentObj : students) {

                System.out.println("Hashset 元素=" + studentObj);

            }

        }

    }

执行结果:

ini 复制代码
Hashset 元素=Student{name='玛丽', age=20}

Hashset 元素=Student{name='沈腾', age=30}

五、LinkedHashSet

我们知道HashSet 保证元素的唯一,可元素存放进去是没有顺序的,那么我们有没有办法保证有序呢? 打开API文档,我们查看 HashSet下面有一个子类 java.util.LinkedHashSet,这个名字听起来和我们之前学过的LinedList 有点像呢。

通过文档,LinkedHashSet 具有可预知迭代顺序的 Set 接口的哈希表和链接列表实现。此实现与 HashSet 的不同之外在于,后者维护着一个运行于所有条目的双重链接列表。

简单的理解为:在进行集合添加元素的同时,不仅经过程序的执行形成一个哈希表结构,还维护了一个记录插入前后顺序的双向链表。 我们通过案例来感受一下:

java 复制代码
public class Demo4LinkedHashSet {


        public static void main(String[] args) {


    //        Set<String> demo = new HashSet<>();


            Set<String> demo = new LinkedHashSet<>();

            demo.add("hello");

            demo.add("world");

            demo.add("ni");

            demo.add("hao");

            demo.add("hello");

    

            for (String content : demo) {

                System.out.println("---" + content);

            }

        }

    }

执行结果:

css 复制代码
    第一次:

    ---world

    ---hao

    ---hello

    ---ni

  


    第二次:

    ---hello

    ---world

    ---ni

    ---hao

六、总结

到这里我们已经讲完了单列集合的两种基本接口,分别是List 和 Set,然后通过一些简单的案例,我们也初步了解了它们的使用,其实大家可能还是有些懵逼的;

但是在这里,还是要多练习,多看看别人的代码,看看别的优秀的代码,是在怎样的场景下使用的,是怎么互相转换使用的。

希望大家在阅读这个系列文章时,能够受到一点启发,让自己的学习和工作都能更加高效。更重要的是,让大家认识到技术的出现是为了解决问题而创造出来的,它本质上就是为了解决生活中的难题,只不过采用了一些好的、快捷的方式罢了。

我们下期再见!

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