【转】Java 集合系列16之 HashSet详细介绍(源码解析)和使用示例--不错

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概要

这一章，我们对HashSet进行学习。
我们先对HashSet有个整体认识，然后再学习它的源码，最后再通过实例来学会使用HashSet。内容包括：
第1部分 HashSet介绍
第2部分 HashSet数据结构
第3部分 HashSet源码解析(基于JDK1.6.0_45)
第4部分 HashSet遍历方式
第5部分 HashSet示例

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第1部分 HashSet介绍

HashSet 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的构造函数

 // 默认构造函数
public HashSet() 

// 带集合的构造函数
public HashSet(Collection<? extends E> c) 

// 指定HashSet初始容量和加载因子的构造函数
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) 

// 指定HashSet初始容量的构造函数
public HashSet(int initialCapacity) 

// 指定HashSet初始容量和加载因子的构造函数,dummy没有任何作用
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) 

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()

第2部分 HashSet数据结构

HashSet的继承关系如下：

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 { }

HashSet与Map关系如下图：

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。

第3部分 HashSet源码解析(基于JDK1.6.0_45)

为了更了解HashSet的原理，下面对HashSet源码代码作出分析。

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，键值对的值固定是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的效率(时间成本和空间成本)考虑，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”大的最小的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”
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);
}
}
}

  1 package java.util;
  2 
  3 public class HashSet<E>
  4     extends AbstractSet<E>
  5     implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable
  6 {
  7     static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;
  8 
  9     // HashSet是通过map(HashMap对象)保存内容的
 10     private transient HashMap<E,Object> map;
 11 
 12     // PRESENT是向map中插入key-value对应的value
 13     // 因为HashSet中只需要用到key，而HashMap是key-value键值对；
 14     // 所以，向map中添加键值对时，键值对的值固定是PRESENT
 15     private static final Object PRESENT = new Object();
 16 
 17     // 默认构造函数
 18     public HashSet() {
 19         // 调用HashMap的默认构造函数，创建map
 20         map = new HashMap<E,Object>();
 21     }
 22 
 23     // 带集合的构造函数
 24     public HashSet(Collection<? extends E> c) {
 25         // 创建map。
 26         // 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？        
 27         // 首先，说明(c.size()/.75f) + 1
 28         //   因为从HashMap的效率(时间成本和空间成本)考虑，HashMap的加载因子是0.75。
 29         //   当HashMap的“阈值”(阈值=HashMap总的大小*加载因子) < “HashMap实际大小”时，
 30         //   就需要将HashMap的容量翻倍。
 31         //   所以，(c.size()/.75f) + 1 计算出来的正好是总的空间大小。
 32         // 接下来，说明为什么是 16 。
 33         //   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；
 34         //   HashMap的构造函数中也会重新计算，找出比“指定大小”大的最小的2的指数倍的数。
 35         //   所以，这里指定为16是从性能考虑。避免重复计算。
 36         map = new HashMap<E,Object>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
 37         // 将集合(c)中的全部元素添加到HashSet中
 38         addAll(c);
 39     }
 40 
 41     // 指定HashSet初始容量和加载因子的构造函数
 42     public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
 43         map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);
 44     }
 45 
 46     // 指定HashSet初始容量的构造函数
 47     public HashSet(int initialCapacity) {
 48         map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity);
 49     }
 50 
 51     HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
 52         map = new LinkedHashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);
 53     }
 54 
 55     // 返回HashSet的迭代器
 56     public Iterator<E> iterator() {
 57         // 实际上返回的是HashMap的“key集合的迭代器”
 58         return map.keySet().iterator();
 59     }
 60 
 61     public int size() {
 62         return map.size();
 63     }
 64 
 65     public boolean isEmpty() {
 66         return map.isEmpty();
 67     }
 68 
 69     public boolean contains(Object o) {
 70         return map.containsKey(o);
 71     }
 72 
 73     // 将元素(e)添加到HashSet中
 74     public boolean add(E e) {
 75         return map.put(e, PRESENT)==null;
 76     }
 77 
 78     // 删除HashSet中的元素(o)
 79     public boolean remove(Object o) {
 80         return map.remove(o)==PRESENT;
 81     }
 82 
 83     public void clear() {
 84         map.clear();
 85     }
 86 
 87     // 克隆一个HashSet，并返回Object对象
 88     public Object clone() {
 89         try {
 90             HashSet<E> newSet = (HashSet<E>) super.clone();
 91             newSet.map = (HashMap<E, Object>) map.clone();
 92             return newSet;
 93         } catch (CloneNotSupportedException e) {
 94             throw new InternalError();
 95         }
 96     }
 97 
 98     // java.io.Serializable的写入函数
 99     // 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
100     private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
101         throws java.io.IOException {
102         // Write out any hidden serialization magic
103         s.defaultWriteObject();
104 
105         // Write out HashMap capacity and load factor
106         s.writeInt(map.capacity());
107         s.writeFloat(map.loadFactor());
108 
109         // Write out size
110         s.writeInt(map.size());
111 
112         // Write out all elements in the proper order.
113         for (Iterator i=map.keySet().iterator(); i.hasNext(); )
114             s.writeObject(i.next());
115     }
116 
117 
118     // java.io.Serializable的读取函数
119     // 将HashSet的“总的容量，加载因子，实际容量，所有的元素”依次读出
120     private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
121         throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
122         // Read in any hidden serialization magic
123         s.defaultReadObject();
124 
125         // Read in HashMap capacity and load factor and create backing HashMap
126         int capacity = s.readInt();
127         float loadFactor = s.readFloat();
128         map = (((HashSet)this) instanceof LinkedHashSet ?
129                new LinkedHashMap<E,Object>(capacity, loadFactor) :
130                new HashMap<E,Object>(capacity, loadFactor));
131 
132         // Read in size
133         int size = s.readInt();
134 
135         // Read in all elements in the proper order.
136         for (int i=0; i<size; i++) {
137             E e = (E) s.readObject();
138             map.put(e, PRESENT);
139         }
140     }
141 }

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。

第4部分 HashSet遍历方式

4.1 通过Iterator遍历HashSet

第一步：根据iterator()获取HashSet的迭代器。
第二步：遍历迭代器获取各个元素。

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

4.2 通过for-each遍历HashSet

第一步：根据toArray()获取HashSet的元素集合对应的数组。
第二步：遍历数组，获取各个元素。

// 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);

HashSet的遍历测试程序如下： 

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);
}
}

 1 import java.util.Random;
 2 import java.util.Iterator;
 3 import java.util.HashSet;
 4 
 5 /*
 6  * @desc 介绍HashSet遍历方法
 7  *
 8  * @author skywang
 9  */
10 public class HashSetIteratorTest {
11 
12     public static void main(String[] args) {
13         // 新建HashSet
14         HashSet set = new HashSet();
15 
16         // 添加元素 到HashSet中
17         for (int i=0; i<5; i++)
18             set.add(""+i);
19 
20         // 通过Iterator遍历HashSet
21         iteratorHashSet(set) ;
22 
23         // 通过for-each遍历HashSet
24         foreachHashSet(set);
25     }
26 
27     /*
28      * 通过Iterator遍历HashSet。推荐方式
29      */
30     private static void iteratorHashSet(HashSet set) {
31         for(Iterator iterator = set.iterator();
32                iterator.hasNext(); ) {
33             System.out.printf("iterator : %s
", iterator.next());
34         }
35     }
36 
37     /*
38      * 通过for-each遍历HashSet。不推荐！此方法需要先将Set转换为数组
39      */
40     private static void foreachHashSet(HashSet set) {
41         String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);
42         for (String str:arr)
43             System.out.printf("for each : %s
", str);
44     }
45 }

运行结果： 

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

第5部分 HashSet示例

下面我们通过实例学习如何使用HashSet

 

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

/*
* @desc HashSet常用API的使用。
*
* @author skywang
*/
public class HashSetTest {

public static void main(String[] args) {
// HashSet常用API
testHashSetAPIs() ;
}

/*
* HashSet除了iterator()和add()之外的其它常用API
*/
private static void testHashSetAPIs() {
// 新建HashSet
HashSet set = new HashSet();

// 将元素添加到Set中
set.add("a");
set.add("b");
set.add("c");
set.add("d");
set.add("e");

// 打印HashSet的实际大小
System.out.printf("size : %d ", set.size());

// 判断HashSet是否包含某个值
System.out.printf("HashSet contains a :%s ", set.contains("a"));
System.out.printf("HashSet contains g :%s ", set.contains("g"));

// 删除HashSet中的“e”
set.remove("e");

// 将Set转换为数组
String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);
for (String str:arr)
System.out.printf("for each : %s ", str);

// 新建一个包含b、c、f的HashSet
HashSet otherset = new HashSet();
otherset.add("b");
otherset.add("c");
otherset.add("f");

// 克隆一个removeset，内容和set一模一样
HashSet removeset = (HashSet)set.clone();
// 删除“removeset中，属于otherSet的元素”
removeset.removeAll(otherset);
// 打印removeset
System.out.printf("removeset : %s ", removeset);

// 克隆一个retainset，内容和set一模一样
HashSet retainset = (HashSet)set.clone();
// 保留“retainset中，属于otherSet的元素”
retainset.retainAll(otherset);
// 打印retainset
System.out.printf("retainset : %s ", retainset);

// 遍历HashSet
for(Iterator iterator = set.iterator();
iterator.hasNext(); )
System.out.printf("iterator : %s ", iterator.next());

// 清空HashSet
set.clear();

// 输出HashSet是否为空
System.out.printf("%s ", set.isEmpty()?"set is empty":"set is not empty");
}

}

运行结果： 

size : 5
HashSet contains a :true
HashSet contains g :false
for each : d
for each : b
for each : c
for each : a
removeset : [d, a]
retainset : [b, c]
iterator : d
iterator : b
iterator : c
iterator : a
set is empty

生活的悲欢离合永远在地平线以外，而眺望是一种青春的姿态... PS.文章是笔者分享的学习笔记，若你觉得可以、还行、过得去、甚至不太差的话，可以“推荐”一下的哦。就此谢过!