JAVA提高十四：HashSet深入分析

前面我们介绍了HashMap,Hashtable,那么还有一个hash家族，那就是HashSet;在讲解HashSet前，大家先要知道的是HashSet是单值集合的接口，即是Collection下面的，而HashMap是Map下面的，但是它和HashMap又是有关系的，所以在使用的时候大家需求要注意，重点还是要对下面的图需要熟悉，好了，我们开始分析。

一、HashSet 定义

翻看源码，HashSet的定义如下：

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

HashSet 是一个没有重复元素的集合。HashSet继承AbstractSet类，实现Set、Cloneable、Serializable接口。其中AbstractSet提供 Set 接口的骨干实现，从而最大限度地减少了实现此接口所需的工作。
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哈希 set，而其中至少一个线程修改了该 set，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fail-fast的。

HashSet和Map之间的关系：

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。

 二、构造方法

/** 
         * 默认构造函数 
         * 初始化一个空的HashMap，并使用默认初始容量为16和加载因子0.75。 
         */  
        public HashSet() {  
            map = new HashMap<>();  
        }  
          
        /** 
         * 构造一个包含指定 collection 中的元素的新 set。 
         */  
        public HashSet(Collection<? extends E> c) {  
            map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));  
            addAll(c);  
        }  
          
        /** 
         * 构造一个新的空 set，其底层 HashMap 实例具有指定的初始容量和指定的加载因子 
         */  
        public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {  
            map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);  
        }  
             
        /** 
         * 构造一个新的空 set，其底层 HashMap 实例具有指定的初始容量和默认的加载因子（0.75）。 
         */  
        public HashSet(int initialCapacity) {  
           map = new HashMap<>(initialCapacity);  
        }  
             
        /** 
         * 在API中我没有看到这个构造函数，今天看源码才发现（原来访问权限为包权限，不对外公开的） 
         * 以指定的initialCapacity和loadFactor构造一个新的空链接哈希集合。 
         * dummy 为标识 该构造函数主要作用是对LinkedHashSet起到一个支持作用 
         */  
        HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {  
           map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);  
        }  

 从构造函数中可以看出HashSet所有的构造都是构造出一个新的HashMap，其中最后一个构造函数，为包访问权限是不对外公开，仅仅只在使用LinkedHashSet时才会发生作用。

HashSet的主要API

boolean         add(E object)
void            clear()
Object          clone()
boolean         contains(Object object)
boolean         isEmpty()
Iterator<E>     iterator()
boolean         remove(Object object)
int             size()

三、源码分析

对于 HashSet 而言，它是基于 HashMap 实现的，HashSet 底层使用 HashMap 来保存所有元素，因此 HashSet 的实现比较简单，相关 HashSet 的操作，基本上都是直接调用底层 HashMap 的相关方法来完成，我们应该为保存到 HashSet 中的对象覆盖 hashCode() 和 equals()

add 方法

/**

 * @param e 将添加到此set中的元素。
 * @return 如果此set尚未包含指定元素，则返回true。
 */
public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
}

如果此 set 中尚未包含指定元素，则添加指定元素。更确切地讲，如果此 set 没有包含满足(e==null ? e2==null : e.equals(e2)) 的元素 e2，则向此 set 添加指定的元素 e。如果此 set 已包含该元素，则该调用不更改 set 并返回 false。但底层实际将将该元素作为 key 放入 HashMap。思考一下为什么？

由于 HashMap 的 put() 方法添加 key-value 对时，当新放入 HashMap 的 Entry 中 key 与集合中原有 Entry 的 key 相同（hashCode()返回值相等，通过 equals 比较也返回 true），新添加的 Entry 的 value 会将覆盖原来 Entry 的 value（HashSet 中的 value 都是PRESENT），但 key 不会有任何改变，因此如果向 HashSet 中添加一个已经存在的元素时，新添加的集合元素将不会被放入 HashMap中，原来的元素也不会有任何改变，这也就满足了 Set 中元素不重复的特性。

该方法如果添加的是在 HashSet 中不存在的，则返回 true；如果添加的元素已经存在，返回 false。其原因在于我们之前提到的关于 HashMap 的 put 方法。该方法在添加 key 不重复的键值对的时候，会返回 null。如下：

public V put(K key, V value) {
        if (key == null)
            return putForNullKey(value);
        int hash = hash(key.hashCode());
        int i = indexFor(hash, table.length);
        for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
            Object k;
            if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
                V oldValue = e.value;
                e.value = value;
                e.recordAccess(this);
                return oldValue;
            }
        }

        modCount++;
        addEntry(hash, key, value, i);
        return null;
    }

其余方法

public class HashSet<E>  
   extends AbstractSet<E>  
   implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable  
4{  
   static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;  
 
   // 底层使用HashMap来保存HashSet中所有元素。  
   private transient HashMap<E,Object> map;  
     
   // 定义一个虚拟的Object对象作为HashMap的value，将此对象定义为static final。  
   private static final Object PRESENT = new Object();  
 
   /** 
    * 默认的无参构造器，构造一个空的HashSet。 
    *  
    * 实际底层会初始化一个空的HashMap，并使用默认初始容量为16和加载因子0.75。 
    */  
   public HashSet() {  
   map = new HashMap<E,Object>();  
   }  
 
   /** 
    * 构造一个包含指定collection中的元素的新set。 
    * 
    * 实际底层使用默认的加载因子0.75和足以包含指定 
    * collection中所有元素的初始容量来创建一个HashMap。 
    * @param c 其中的元素将存放在此set中的collection。 
    */  
   public HashSet(Collection<? extends E> c) {  
   map = new HashMap<E,Object>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));  
   addAll(c);  
   }  
 
   /** 
    * 以指定的initialCapacity和loadFactor构造一个空的HashSet。 
    * 
    * 实际底层以相应的参数构造一个空的HashMap。 
    * @param initialCapacity 初始容量。 
    * @param loadFactor 加载因子。 
    */  
   public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {  
   map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);  
   }  
 
   /** 
    * 以指定的initialCapacity构造一个空的HashSet。 
    * 
    * 实际底层以相应的参数及加载因子loadFactor为0.75构造一个空的HashMap。 
    * @param initialCapacity 初始容量。 
    */  
   public HashSet(int initialCapacity) {  
   map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity);  
   }  
 
   /** 
    * 以指定的initialCapacity和loadFactor构造一个新的空链接哈希集合。 
    * 此构造函数为包访问权限，不对外公开，实际只是是对LinkedHashSet的支持。 
    * 
    * 实际底层会以指定的参数构造一个空LinkedHashMap实例来实现。 
    * @param initialCapacity 初始容量。 
    * @param loadFactor 加载因子。 
    * @param dummy 标记。 
    */  
   HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {  
   map = new LinkedHashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);  
   }  
 
   /** 
    * 返回对此set中元素进行迭代的迭代器。返回元素的顺序并不是特定的。 
    *  
    * 底层实际调用底层HashMap的keySet来返回所有的key。 
    * 可见HashSet中的元素，只是存放在了底层HashMap的key上， 
    * value使用一个static final的Object对象标识。 
    * @return 对此set中元素进行迭代的Iterator。 
    */  
   public Iterator<E> iterator() {  
   return map.keySet().iterator();  
   }  
 
   /** 
    * 返回此set中的元素的数量（set的容量）。 
    * 
    * 底层实际调用HashMap的size()方法返回Entry的数量，就得到该Set中元素的个数。 
    * @return 此set中的元素的数量（set的容量）。 
    */  
   public int size() {  
   return map.size();  
   }  
 
   /** 
    * 如果此set不包含任何元素，则返回true。 
    * 
    * 底层实际调用HashMap的isEmpty()判断该HashSet是否为空。 
    * @return 如果此set不包含任何元素，则返回true。 
    */  
   public boolean isEmpty() {  
   return map.isEmpty();  
   }  
 
   /** 
    * 如果此set包含指定元素，则返回true。 
    * 更确切地讲，当且仅当此set包含一个满足(o==null ? e==null : o.equals(e)) 
    * 的e元素时，返回true。 
    * 
    * 底层实际调用HashMap的containsKey判断是否包含指定key。 
    * @param o 在此set中的存在已得到测试的元素。 
    * @return 如果此set包含指定元素，则返回true。 
    */  
   public boolean contains(Object o) {  
   return map.containsKey(o);  
   }  
 
   /** 
    * 如果此set中尚未包含指定元素，则添加指定元素。 
    * 更确切地讲，如果此 set 没有包含满足(e==null ? e2==null : e.equals(e2)) 
    * 的元素e2，则向此set 添加指定的元素e。 
    * 如果此set已包含该元素，则该调用不更改set并返回false。 
    * 
    * 底层实际将将该元素作为key放入HashMap。 
    * 由于HashMap的put()方法添加key-value对时，当新放入HashMap的Entry中key 
    * 与集合中原有Entry的key相同（hashCode()返回值相等，通过equals比较也返回true）， 
    * 新添加的Entry的value会将覆盖原来Entry的value，但key不会有任何改变， 
    * 因此如果向HashSet中添加一个已经存在的元素时，新添加的集合元素将不会被放入HashMap中， 
    * 原来的元素也不会有任何改变，这也就满足了Set中元素不重复的特性。 
    * @param e 将添加到此set中的元素。 
    * @return 如果此set尚未包含指定元素，则返回true。 
    */  
   public boolean add(E e) {  
   return map.put(e, PRESENT)==null;  
   }  
 
   /** 
    * 如果指定元素存在于此set中，则将其移除。 
    * 更确切地讲，如果此set包含一个满足(o==null ? e==null : o.equals(e))的元素e， 
    * 则将其移除。如果此set已包含该元素，则返回true 
    * （或者：如果此set因调用而发生更改，则返回true）。（一旦调用返回，则此set不再包含该元素）。 
    * 
    * 底层实际调用HashMap的remove方法删除指定Entry。 
    * @param o 如果存在于此set中则需要将其移除的对象。 
    * @return 如果set包含指定元素，则返回true。 
    */  
   public boolean remove(Object o) {  
   return map.remove(o)==PRESENT;  
   }  
 
   /** 
    * 从此set中移除所有元素。此调用返回后，该set将为空。 
    * 
    * 底层实际调用HashMap的clear方法清空Entry中所有元素。 
    */  
   public void clear() {  
   map.clear();  
   }  
 
   /** 
    * 返回此HashSet实例的浅表副本：并没有复制这些元素本身。 
    * 
    * 底层实际调用HashMap的clone()方法，获取HashMap的浅表副本，并设置到  HashSet中。 
    */  
   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();  
       }  
   }  
}

由于HashSet底层使用了HashMap实现，使其的实现过程变得非常简单，如果你对HashMap比较了解，那么HashSet简直是小菜一碟。有两个方法对HashMap和HashSet而言是非常重要的，请注意正确重写其 equals 和 hashCode 方法，以保证放入的对象的唯一性。这两个方法是比较重要的，希望大家在以后的开发过程中需要注意一下。