Set集合架构和常用实现类的源码分析以及实例应用

说明：Set的实现类都是基于Map来实现的(HashSet是通过HashMap实现的，TreeSet是通过TreeMap实现的)。

(01) Set 是继承于Collection的接口。它是一个不允许有重复元素的集合。
(02) AbstractSet 是一个抽象类，它继承于AbstractCollection，AbstractCollection实现了Set中的绝大部分函数，为Set的实现类提供了便利。
(03) HastSet 和 TreeSet 是Set的两个实现类。
  HashSet依赖于HashMap，它实际上是通过HashMap实现的。HashSet中的元素是无序的。
  TreeSet依赖于TreeMap，它实际上是通过TreeMap实现的。TreeSet中的元素是有序的。

1、具体实现类之HashSet的介绍

1.1、HashSet的简介

HashSet 是一个没有重复元素的集合。
它是由HashMap实现的，不保证元素的顺序，而且HashSet允许使用 null 元素。
HashSet是非同步的。如果多个线程同时访问一个hashset，而其中至少一个线程修改了该 hashset，那么它必须保持外部同步。这通常是通过对自然封装该 set 的对象执行同步操作来完成的。如果不存在这样的对象，则应该使用 Collections.synchronizedSet 方法来“包装” set。最好在创建时完成这一操作，以防止对该 set 进行意外的不同步访问

Set s = Collections.synchronizedSet(new HashSet(...));

HashSet通过iterator()返回的迭代器是通过fail-fast机制检测错误的。

1.2、HashSet的数据结构

java.lang.Object
   ↳     java.util.AbstractCollection<E>
         ↳     java.util.AbstractSet<E>
               ↳     java.util.HashSet<E>

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

从图中可以看出：
(01) HashSet继承于AbstractSet，并且实现了Set接口。
(02) HashSet的本质是一个"没有重复元素"的集合，它是通过HashMap实现的。HashSet中含有一个"HashMap类型的成员变量"map，HashSet的操作函数，实际上都是通过map实现的

1.3、HashSet的源码分析

package java.util;

public class HashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;

    // HashSet是通过map(HashMap对象)保存内容的
    private transient HashMap<E,Object> map;

    // PRESENT是向map中插入key-value对应的value
    // 因为HashSet中只需要用到key，而HashMap是key-value键值对；
    // 所以，向map中添加键值对时，键值对的值统一固定都是PRESENT
    private static final Object PRESENT = new Object();

    // 默认构造函数
    public HashSet() {
        // 调用HashMap的默认构造函数，创建map
        map = new HashMap<E,Object>();
    }

    // 带集合的构造函数
    public HashSet(Collection<? extends E> c) {
        // 创建map。
        // 为什么要调用Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16)，从 (c.size()/.75f) + 1 和 16 中选择一个比较大的树呢？        
        // 首先，说明(c.size()/.75f) + 1
        //   因为从HashMap的综合效率(时间成本和空间成本)考虑，并且HashMap的加载因子是0.75。
        //   当HashMap的“阈值”(阈值=HashMap总的大小*加载因子) < “HashMap实际大小”时，
        //   就需要通过refrash将HashMap的容量翻倍。
        //   所以，(c.size()/.75f) + 1 计算出来的正好是总的空间大小。
        // 接下来，说明为什么是 16 。
        //   HashMap的总的大小，必须是2的指数倍。若创建HashMap时，指定的大小不是2的指数倍；
        //   HashMap的构造函数中也会重新计算，找出比“指定大小”大且还是最小的2的指数倍的数。
        //   所以，这里指定为16是从性能考虑。避免重复计算。
        map = new HashMap<E,Object>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
        // 将集合(c)中的全部元素添加到HashSet中
        addAll(c);
    }

    // 指定HashSet初始容量和加载因子的构造函数
    public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
        map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);
    }

    // 指定HashSet初始容量的构造函数
    public HashSet(int initialCapacity) {
        map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity);
    }

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

    // 返回HashSet的迭代器
    public Iterator<E> iterator() {
        // 实际上返回的是HashMap的“key集合的迭代器”，还是一个Set集合
        return map.keySet().iterator();
    }

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

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

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

    // 将元素(e)添加到HashSet中
    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }

    // 删除HashSet中的元素(o)
    public boolean remove(Object o) {
        return map.remove(o)==PRESENT;
    }

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

    // 克隆一个HashSet，并返回Object对象
    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();
        }
    }

    // java.io.Serializable的写入函数
    // 将HashSet的“总的容量，加载因子，实际容量，所有的元素”都写入到输出流中
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
        // Write out any hidden serialization magic
        s.defaultWriteObject();

        // Write out HashMap capacity and load factor
        s.writeInt(map.capacity());
        s.writeFloat(map.loadFactor());

        // Write out size
        s.writeInt(map.size());

        // Write out all elements in the proper order.
        for (Iterator i=map.keySet().iterator(); i.hasNext(); )
            s.writeObject(i.next());
    }


    // java.io.Serializable的读取函数
    // 将HashSet的“总的容量，加载因子，实际容量，所有的元素”依次读出
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        // Read in any hidden serialization magic
        s.defaultReadObject();

        // Read in HashMap capacity and load factor and create backing HashMap
        int capacity = s.readInt();
        float loadFactor = s.readFloat();
        map = (((HashSet)this) instanceof LinkedHashSet ?
               new LinkedHashMap<E,Object>(capacity, loadFactor) :
               new HashMap<E,Object>(capacity, loadFactor));

        // Read in size
        int size = s.readInt();

        // Read in all elements in the proper order.
        for (int i=0; i<size; i++) {
            E e = (E) s.readObject();
            map.put(e, PRESENT);
        }
    }
}

说明：HashSet的代码实际上非常简单，通过上面的注释应该很能够看懂。它是通过HashMap实现的，若对HashSet的理解有困难，建议先学习以下HashMap；学完HashMap之后，在学习HashSet就非常容易了

1.4、HashSet的遍历方式

通过Iterator遍历HashSet

// 假设set是HashSet对象
for(Iterator iterator = set.iterator();
       iterator.hasNext(); ) { 
    iterator.next();
}   

通过for-each遍历HashSet

// 假设set是HashSet对象，并且set中元素是String类型
String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);
for (String str:arr)
    System.out.printf("for each : %s
", str);

1.5、HashSet的常用API测试实例

import java.util.Random;
import java.util.Iterator;
import java.util.HashSet;

/*
 * @desc 介绍HashSet遍历方法
 *
 * @author skywang
 */
public class HashSetIteratorTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 新建HashSet
        HashSet set = new HashSet();

        // 添加元素 到HashSet中
        for (int i=0; i<5; i++)
            set.add(""+i);

        // 通过Iterator遍历HashSet
        iteratorHashSet(set) ;

        // 通过for-each遍历HashSet
        foreachHashSet(set);
    }

    /*
     * 通过Iterator遍历HashSet。推荐方式
     */
    private static void iteratorHashSet(HashSet set) {
        for(Iterator iterator = set.iterator();
               iterator.hasNext(); ) {
            System.out.printf("iterator : %s
", iterator.next());
        }
    }

    /*
     * 通过for-each遍历HashSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组
     */
    private static void foreachHashSet(HashSet set) {
        String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);
        for (String str:arr)
            System.out.printf("for each : %s
", str);
    }
}

iterator : 3
iterator : 2
iterator : 1
iterator : 0
iterator : 4
for each : 3
for each : 2
for each : 1
for each : 0
for each : 4

2、具体实现类之TreeSet的介绍

2.1、HashSet的简介

TreeSet 是一个有序的集合，它的作用是提供有序的Set集合。它继承于AbstractSet抽象类，实现了NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable接口。
TreeSet 继承于AbstractSet，所以它是一个Set集合，具有Set的属性和方法。
TreeSet 实现了NavigableSet接口，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。
TreeSet 实现了Cloneable接口，意味着它能被克隆。
TreeSet 实现了java.io.Serializable接口，意味着它支持序列化。

TreeSet是基于TreeMap实现的。TreeSet中的元素支持2种排序方式：自然排序 或者 根据创建TreeSet 时提供的 Comparator 进行排序。这取决于使用的构造方法。
TreeSet为基本操作（add、remove 和 contains）提供受保证的 log(n) 时间开销。
另外，TreeSet是非同步的。 它的iterator 方法返回的迭代器是fail-fast的。

2.2、HashSet的数据结构

java.lang.Object
   ↳     java.util.AbstractCollection<E>
         ↳     java.util.AbstractSet<E>
               ↳     java.util.TreeSet<E>

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

(01) TreeSet是有序的Set集合，因此支持add、remove、get等方法。
(02) 和NavigableSet一样，TreeSet的导航方法大致可以区分为两类，一类时提供元素项的导航方法，返回某个元素；另一类时提供集合的导航方法，返回某个集合。
lower、floor、ceiling 和 higher 分别返回小于、小于等于、大于等于、大于给定元素的元素，如果不存在这样的元素，则返回 null。 

2.3、HashSet的源码分析

package java.util;

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E>
    implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable
{
    // NavigableMap对象
    private transient NavigableMap<E,Object> m;

    // TreeSet是通过TreeMap实现的，
    // PRESENT是键-值对中的值。
    private static final Object PRESENT = new Object();

    // 不带参数的构造函数。创建一个空的TreeMap
    public TreeSet() {
        this(new TreeMap<E,Object>());
    }

    // 将TreeMap赋值给 "NavigableMap对象m"
    TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) {
        this.m = m;
    }

    // 带比较器的构造函数。
    public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) {
        this(new TreeMap<E,Object>(comparator));
    }

    // 创建TreeSet，并将集合c中的全部元素都添加到TreeSet中
    public TreeSet(Collection<? extends E> c) {
        this();
        // 将集合c中的元素全部添加到TreeSet中
        addAll(c);
    }

    // 创建TreeSet，并将s中的全部元素都添加到TreeSet中
    public TreeSet(SortedSet<E> s) {
        this(s.comparator());
        addAll(s);
    }

    // 返回TreeSet的顺序排列的迭代器。
    // 因为TreeSet时TreeMap实现的，所以这里实际上时返回TreeMap的“键集”对应的迭代器
    public Iterator<E> iterator() {
        return m.navigableKeySet().iterator();
    }

    // 返回TreeSet的逆序排列的迭代器。
    // 因为TreeSet时TreeMap实现的，所以这里实际上时返回TreeMap的“键集”对应的迭代器
    public Iterator<E> descendingIterator() {
        return m.descendingKeySet().iterator();
    }

    // 返回TreeSet的大小
    public int size() {
        return m.size();
    }

    // 返回TreeSet是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return m.isEmpty();
    }

    // 返回TreeSet是否包含对象(o)
    public boolean contains(Object o) {
        return m.containsKey(o);
    }

    // 添加e到TreeSet中
    public boolean add(E e) {
        return m.put(e, PRESENT)==null;
    }

    // 删除TreeSet中的对象o
    public boolean remove(Object o) {
        return m.remove(o)==PRESENT;
    }

    // 清空TreeSet
    public void clear() {
        m.clear();
    }

    // 将集合c中的全部元素添加到TreeSet中
    public  boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        // Use linear-time version if applicable
        if (m.size()==0 && c.size() > 0 &&
            c instanceof SortedSet &&
            m instanceof TreeMap) {
            SortedSet<? extends E> set = (SortedSet<? extends E>) c;
            TreeMap<E,Object> map = (TreeMap<E, Object>) m;
            Comparator<? super E> cc = (Comparator<? super E>) set.comparator();
            Comparator<? super E> mc = map.comparator();
            if (cc==mc || (cc != null && cc.equals(mc))) {
                map.addAllForTreeSet(set, PRESENT);
                return true;
            }
        }
        return super.addAll(c);
    }

    // 返回子Set，实际上是通过TreeMap的subMap()实现的。
    public NavigableSet<E> subSet(E fromElement, boolean fromInclusive,
                                  E toElement,   boolean toInclusive) {
        return new TreeSet<E>(m.subMap(fromElement, fromInclusive,
                                       toElement,   toInclusive));
    }

    // 返回Set的头部，范围是：从头部到toElement。
    // inclusive是是否包含toElement的标志
    public NavigableSet<E> headSet(E toElement, boolean inclusive) {
        return new TreeSet<E>(m.headMap(toElement, inclusive));
    }

    // 返回Set的尾部，范围是：从fromElement到结尾。
    // inclusive是是否包含fromElement的标志
    public NavigableSet<E> tailSet(E fromElement, boolean inclusive) {
        return new TreeSet<E>(m.tailMap(fromElement, inclusive));
    }

    // 返回子Set。范围是：从fromElement(包括)到toElement(不包括)。
    public SortedSet<E> subSet(E fromElement, E toElement) {
        return subSet(fromElement, true, toElement, false);
    }

    // 返回Set的头部，范围是：从头部到toElement(不包括)。
    public SortedSet<E> headSet(E toElement) {
        return headSet(toElement, false);
    }

    // 返回Set的尾部，范围是：从fromElement到结尾(不包括)。
    public SortedSet<E> tailSet(E fromElement) {
        return tailSet(fromElement, true);
    }

    // 返回Set的比较器
    public Comparator<? super E> comparator() {
        return m.comparator();
    }

    // 返回Set的第一个元素
    public E first() {
        return m.firstKey();
    }

    // 返回Set的最后一个元素
    public E first() {
    public E last() {
        return m.lastKey();
    }

    // 返回Set中小于e的最大元素
    public E lower(E e) {
        return m.lowerKey(e);
    }

    // 返回Set中小于/等于e的最大元素
    public E floor(E e) {
        return m.floorKey(e);
    }

    // 返回Set中大于/等于e的最小元素
    public E ceiling(E e) {
        return m.ceilingKey(e);
    }

    // 返回Set中大于e的最小元素
    public E higher(E e) {
        return m.higherKey(e);
    }

    // 获取第一个元素，并将该元素从TreeMap中删除。
    public E pollFirst() {
        Map.Entry<E,?> e = m.pollFirstEntry();
        return (e == null)? null : e.getKey();
    }

    // 获取最后一个元素，并将该元素从TreeMap中删除。
    public E pollLast() {
        Map.Entry<E,?> e = m.pollLastEntry();
        return (e == null)? null : e.getKey();
    }

    // 克隆一个TreeSet，并返回Object对象
    public Object clone() {
        TreeSet<E> clone = null;
        try {
            clone = (TreeSet<E>) super.clone();
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new InternalError();
        }

        clone.m = new TreeMap<E,Object>(m);
        return clone;
    }

    // java.io.Serializable的写入函数
    // 将TreeSet的“比较器、容量，所有的元素值”都写入到输出流中
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
        s.defaultWriteObject();

        // 写入比较器
        s.writeObject(m.comparator());

        // 写入容量
        s.writeInt(m.size());

        // 写入“TreeSet中的每一个元素”
        for (Iterator i=m.keySet().iterator(); i.hasNext(); )
            s.writeObject(i.next());
    }

    // java.io.Serializable的读取函数：根据写入方式读出
    // 先将TreeSet的“比较器、容量、所有的元素值”依次读出
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        // Read in any hidden stuff
        s.defaultReadObject();

        // 从输入流中读取TreeSet的“比较器”
        Comparator<? super E> c = (Comparator<? super E>) s.readObject();

        TreeMap<E,Object> tm;
        if (c==null)
            tm = new TreeMap<E,Object>();
        else
            tm = new TreeMap<E,Object>(c);
        m = tm;

        // 从输入流中读取TreeSet的“容量”
        int size = s.readInt();

        // 从输入流中读取TreeSet的“全部元素”
        tm.readTreeSet(size, s, PRESENT);
    }

    // TreeSet的序列版本号
    private static final long serialVersionUID = -2479143000061671589L;
}

总结：

(01) 通过阅读源码我们可以看出TreeSet实际上是基于TreeMap实现的。当我们构造TreeSet时；若使用不带参数的构造函数，则TreeSet的使用自然比较器；若用户需要使用自定义的比较器，则需要使用带比较器的参数。
(02) TreeSet是非线程安全的。
(03) TreeSet实现java.io.Serializable的方式。

   当写入到输出流时，依次写入“比较器、容量、全部元素”；当读出输入流时，再依次读取

2.4、HashSet的遍历方式

　　 Iterator顺序遍历

for(Iterator iter = set.iterator(); iter.hasNext(); ) { 
    iter.next();
}   

　　 Iterator顺序遍历

// 假设set是TreeSet对象
for(Iterator iter = set.descendingIterator(); iter.hasNext(); ) { 
    iter.next();
}

  for-each遍历HashSet

// 假设set是TreeSet对象，并且set中元素是String类型
String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);
for (String str:arr)
    System.out.printf("for each : %s
", str);

注意：TreeSet不支持快速随机遍历，只能通过迭代器进行遍历！

2.5、HashSet的常用API测试实例

import java.util.*;

/**
 *  TreeSet的遍历程序
 *
 */
public class TreeSetIteratorTest {

    public static void main(String[] args) {
        TreeSet set = new TreeSet();
        set.add("aaa");
        set.add("aaa");
        set.add("bbb");
        set.add("eee");
        set.add("ddd");
        set.add("ccc");

        // 顺序遍历TreeSet
        ascIteratorThroughIterator(set) ;
        // 逆序遍历TreeSet
        descIteratorThroughIterator(set);
        // 通过for-each遍历TreeSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组
        foreachTreeSet(set);
    }

    // 顺序遍历TreeSet
    public static void ascIteratorThroughIterator(TreeSet set) {
        System.out.print("
 ---- Ascend Iterator ----
");
        for(Iterator iter = set.iterator(); iter.hasNext(); ) {
            System.out.printf("asc : %s
", iter.next());
        }
    }

    // 逆序遍历TreeSet
    public static void descIteratorThroughIterator(TreeSet set) {
        System.out.printf("
 ---- Descend Iterator ----
");
        for(Iterator iter = set.descendingIterator(); iter.hasNext(); )
            System.out.printf("desc : %s
", (String)iter.next());
    }

    // 通过for-each遍历TreeSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组
    private static void foreachTreeSet(TreeSet set) {
        System.out.printf("
 ---- For-each ----
");
        String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);
        for (String str:arr)
            System.out.printf("for each : %s
", str);
    }
}

---- Ascend Iterator ----
asc : aaa
asc : bbb
asc : ccc
asc : ddd
asc : eee

 ---- Descend Iterator ----
desc : eee
desc : ddd
desc : ccc
desc : bbb
desc : aaa

 ---- For-each ----
for each : aaa
for each : bbb
for each : ccc
for each : ddd
for each : eee