深入理解 Java Set 集合：原理、应用与高频面试题解析

深入理解 Java Set 集合：原理、应用与高频面试题解析

在 Java 中，Set 是一种重要的集合接口，用于存储不重复的元素。无论是在实际开发中，还是在面试场景中，Set 都是一个高频的知识点。本篇文章将详细介绍 Java Set 集合的基础知识、常见实现类、应用场景以及面试常考题，最后通过总结帮助大家快速掌握 Set 的核心内容。

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1. 什么是 Set 集合？

Set 是 Java 集合框架中的一个接口，用于表示不允许重复 的元素集合。与 List 不同，Set 不关心元素的顺序，更多关注元素的唯一性。

Set 的主要特点：

1. 元素唯一性：任何重复的元素都不会被加入到集合中。
2. 无序性（部分实现例外）：多数 Set 实现类无法保证元素的插入顺序。
3. 线程不安全 ：Set 默认不是线程安全的，如果需要线程安全版本，可以使用 Collections.synchronizedSet() 或 ConcurrentSkipListSet。

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2. Set 的常用实现类

Java 提供了三种常用的 Set 实现类，它们各有特点，适用于不同的应用场景。

实现类	特点	应用场景
HashSet	基于哈希表实现，操作效率高，存储顺序不可预测	快速去重，处理无序集合
LinkedHashSet	继承自 HashSet，内部使用链表维护插入顺序	保留插入顺序的去重集合
TreeSet	基于红黑树实现，元素按自然顺序或自定义排序存储	需要有序的集合，快速排序集合

示例代码：

以下代码展示了三种 Set 实现的基本用法：

import java.util.*;

public class SetExample {
    public static void main(String[] args) {
        // HashSet 示例
        Set<String> hashSet = new HashSet<>();
        hashSet.add("Apple");
        hashSet.add("Banana");
        hashSet.add("Apple"); // 重复元素不会添加
        System.out.println("HashSet: " + hashSet);

        // LinkedHashSet 示例
        Set<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
        linkedHashSet.add("Dog");
        linkedHashSet.add("Cat");
        linkedHashSet.add("Dog"); // 重复元素不会添加
        System.out.println("LinkedHashSet: " + linkedHashSet);

        // TreeSet 示例
        Set<Integer> treeSet = new TreeSet<>();
        treeSet.add(3);
        treeSet.add(1);
        treeSet.add(2);
        System.out.println("TreeSet (Sorted): " + treeSet);
    }
}

输出结果：

HashSet: [Banana, Apple]
LinkedHashSet: [Dog, Cat]
TreeSet (Sorted): [1, 2, 3]

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3. Set 的底层实现原理

3.1 HashSet

• HashSet 基于 HashMap 实现，元素存储在 HashMap 的 key 部分，而 value 是一个固定值（PRESENT）。
• 使用 hashCode() 和 equals() 方法保证元素唯一性。

3.2 LinkedHashSet

• LinkedHashSet 继承自 HashSet，使用链表维护元素的插入顺序。
• 元素存储方式与 HashSet 相同，但保留了顺序。

3.3 TreeSet

• TreeSet 基于红黑树实现，支持自然排序（Comparable）或自定义排序（Comparator）。
• 不允许存储 null 值。

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4. 高频面试题解析

4.1 Set 的主要实现类及其区别？

答： Set 的主要实现类包括：

1. HashSet：无序、不重复，基于哈希表实现，时间复杂度 O(1)。
2. LinkedHashSet：有序、不重复，保留插入顺序，性能略低于 HashSet。
3. TreeSet：排序、不重复，基于红黑树，时间复杂度 O(log n)。

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4.2 HashSet 如何保证元素唯一性？

答：

HashSet 使用 hashCode() 和 equals() 方法来保证元素的唯一性：

1. 当两个对象的 hashCode() 不同，它们会被存储在不同的哈希桶中。
2. 当两个对象的 hashCode() 相同，但 equals() 方法返回 false，则会存储在同一哈希桶的链表中。

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4.3 如何自定义对象的唯一性规则？

答：

在自定义对象时，需要重写 hashCode() 和 equals() 方法。示例如下：

import java.util.*;

class Person {
    String name;
    int age;

    Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj) return true;
        if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;
        Person person = (Person) obj;
        return age == person.age && Objects.equals(name, person.name);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return name + "(" + age + ")";
    }
}

public class CustomObjectSet {
    public static void main(String[] args) {
        Set<Person> set = new HashSet<>();
        set.add(new Person("Alice", 25));
        set.add(new Person("Bob", 30));
        set.add(new Person("Alice", 25)); // 重复对象不会添加
        System.out.println("Set 集合: " + set);
    }
}

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4.4 如何在多线程环境中使用 Set？

答：

1. 使用 Collections.synchronizedSet() ：

   Set<String> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());

2. 使用 ConcurrentSkipListSet ：

   • 线程安全且有序，基于跳表实现。

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5. 总结

1. Set 的核心特点：

   • 不允许重复元素。
   • 实现类（HashSet、LinkedHashSet、TreeSet）满足不同需求：快速操作、有序性、排序。

2. 面试中常考点：

   • HashSet 的底层实现（基于 HashMap）。
   • TreeSet 的排序规则（自然排序或自定义排序）。
   • 自定义对象的唯一性规则（重写 hashCode() 和 equals()）。
   • Set 的线程安全实现（synchronizedSet、ConcurrentSkipListSet）。

3. 使用建议：

   • 需要快速去重时，使用 HashSet。
   • 需要保留插入顺序时，使用 LinkedHashSet。
   • 需要排序时，使用 TreeSet。
   • 如果需要线程安全，优先选择 ConcurrentSkipListSet。

通过本篇文章的学习，希望你能对 Java 的 Set 集合有更加深入的理解，并能在实际开发和面试中灵活应用！