Set 集合详解：无序、不重复的集合！

开篇语

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前言

在 Java 中，Set 集合是一种非常常用的集合类型，它与 List 不同，最大的特点是无序且不重复。如果你需要存储一组不重复的数据，同时不关心元素的顺序，Set 就是一个理想的选择。在本文中，我们将详细分析 Set 集合的实现原理，讲解 HashSet、LinkedHashSet、TreeSet 的特点，以及它们在实际项目中的应用场景。

1. HashSet 实现原理

HashSet 是 Java 中最常用的 Set 集合实现类。它基于哈希表（HashMap）实现，存储元素时依赖于元素的哈希值。下面我们来详细了解一下 HashSet 的实现原理。

1.1 HashSet 的基本特点

• 无序：HashSet 不保证元素的顺序，因此存入集合的元素不一定按照插入顺序排列。
• 不重复：HashSet 不允许存储重复元素。如果尝试加入一个重复元素，添加操作会被忽略。
• 线程不安全：HashSet 是线程不安全的，如果多线程环境下使用它，需要外部进行同步控制。

1.2 HashSet 的底层原理

HashSet 通过 HashMap 来实现。具体来说，HashSet 的每个元素都被存储为 HashMap 的键，而 HashMap 的值是一个固定的常量对象。这使得 HashSet 能够通过哈希表来保证元素的快速查找，同时保证不重复。

• 在向 HashSet 中添加元素时，HashSet 会计算元素的哈希值，并将元素作为 HashMap 的键添加到哈希表中。
• 如果插入的元素已经存在（即哈希值相同且 equals() 方法返回 true），则该元素不会被重复添加。

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add("Apple");
        set.add("Banana");
        set.add("Orange");
        set.add("Apple");  // 重复元素，不会被添加

        System.out.println(set);  // 输出 [Orange, Banana, Apple]
    }
}

1.3 HashSet 的性能

• 查找、删除和添加的时间复杂度：由于 HashSet 基于哈希表，它的查找、删除和添加操作的平均时间复杂度为 O(1)，非常高效。

2. LinkedHashSet 特点

LinkedHashSet 是 HashSet 的一个子类，它结合了哈希表和链表的特点。与 HashSet 相比，LinkedHashSet 的主要特点是维护了元素的插入顺序。

2.1 LinkedHashSet 的基本特点

• 有序：LinkedHashSet 保证元素的插入顺序，遍历时会按照元素被添加到集合中的顺序返回。
• 不重复：与 HashSet 一样，LinkedHashSet 不允许重复元素。
• 线程不安全：LinkedHashSet 也是线程不安全的，适用于单线程环境或需要手动同步的场景。

2.2 LinkedHashSet 的底层原理

LinkedHashSet 内部使用了 HashMap 来存储数据，并且使用一个双向链表来维护元素的插入顺序。每次插入元素时，LinkedHashSet 会通过哈希表来保证元素的唯一性，同时通过链表来记录插入顺序。

import java.util.LinkedHashSet;

public class LinkedHashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        LinkedHashSet<String> set = new LinkedHashSet<>();
        set.add("Apple");
        set.add("Banana");
        set.add("Orange");

        System.out.println(set);  // 输出 [Apple, Banana, Orange]
    }
}

2.3 LinkedHashSet 的性能

• 查找、删除和添加的时间复杂度：LinkedHashSet 由于是基于哈希表实现的，查找、删除和添加操作的平均时间复杂度为 O(1)。
• 插入顺序：由于 LinkedHashSet 维护了元素的插入顺序，因此它的插入、删除、访问顺序有一定的额外开销。

3. TreeSet 和排序

TreeSet 是 Set 接口的另一个实现类，它基于 TreeMap 实现，元素按自然顺序或自定义顺序进行排序。

3.1 TreeSet 的基本特点

• 有序：TreeSet 中的元素是有序的，默认按照元素的自然顺序进行排序，也可以通过传入 Comparator 对象来实现自定义排序。
• 不重复：与其他 Set 实现一样，TreeSet 也不允许重复元素。
• 线程不安全：TreeSet 是线程不安全的。

3.2 TreeSet 的底层原理

TreeSet 底层是基于红黑树实现的，红黑树是一种自平衡的二叉查找树，能够保证插入、删除、查找等操作的时间复杂度为 O(log n)。

• 在 TreeSet 中，元素按升序排列（使用 Comparable 或 Comparator 进行排序）。
• 插入元素时，TreeSet 会根据元素的大小关系进行位置排序。

import java.util.TreeSet;

public class TreeSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>();
        set.add(10);
        set.add(20);
        set.add(5);
        set.add(15);

        System.out.println(set);  // 输出 [5, 10, 15, 20]
    }
}

3.3 自定义排序

你可以通过传入自定义的 Comparator 来实现自定义排序规则。例如，按降序排列元素：

import java.util.TreeSet;
import java.util.Comparator;

public class CustomSortExample {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>(Comparator.reverseOrder());
        set.add(10);
        set.add(20);
        set.add(5);
        set.add(15);

        System.out.println(set);  // 输出 [20, 15, 10, 5]
    }
}

3.4 TreeSet 的性能

• 查找、删除和添加的时间复杂度：由于 TreeSet 基于红黑树实现，它的查找、删除和添加操作的时间复杂度为 O(log n)，比 HashSet 的 O(1) 慢，但它具有排序功能。

4. Set 集合的应用场景

Set 集合广泛应用于需要存储不重复元素的场景，它在以下几种应用中表现得尤为出色：

4.1 数据去重

在处理大量数据时，我们通常需要去重操作。Set 集合可以有效地保证元素不重复。例如，去除列表中的重复元素：

import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.ArrayList;

public class RemoveDuplicatesExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("Apple");
        list.add("Banana");
        list.add("Apple");
        list.add("Orange");

        HashSet<String> set = new HashSet<>(list);
        System.out.println(set);  // 输出 [Apple, Banana, Orange]
    }
}

4.2 统计唯一元素

Set 适用于统计唯一元素。例如，统计一组数据中有多少种不同的元素：

import java.util.HashSet;

public class UniqueElementsExample {
    public static void main(String[] args) {
        String[] data = {"apple", "banana", "apple", "orange", "banana"};
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        
        for (String item : data) {
            set.add(item);
        }
        
        System.out.println("Unique elements: " + set.size());  // 输出 Unique elements: 3
    }
}

4.3 排序元素

如果需要有序的元素（例如按升序或自定义规则排序），可以使用 TreeSet，它会自动排序。例如，存储一组数字并按升序排序：

import java.util.TreeSet;

public class SortedSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>();
        set.add(5);
        set.add(1);
        set.add(9);
        set.add(3);

        System.out.println(set);  // 输出 [1, 3, 5, 9]
    }
}

4.4 快速查找和删除

Set 的查找、删除操作通常比 List 更高效，尤其在使用 HashSet 时。它适用于需要频繁查找和删除元素的场景。

总结

• HashSet：基于哈希表实现，存储无序、不可重复的元素，性能高，但不保证顺序。
• LinkedHashSet：继承自 HashSet，同时保持元素的插入顺序，适用于需要有序存储的场景。
• TreeSet：基于红黑树实现，自动排序，适用于需要排序的场景，但性能稍逊色。

Set 集合的应用非常广泛，特别适用于去重、统计唯一元素、排序和高效查找等场景。在实际开发中，根据具体需求选择合适的 Set 实现类，能够大大提高程序的性能和可维护性。

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文末

好啦，以上就是我这期的全部内容，如果有任何疑问，欢迎下方留言哦，咱们下期见。

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