JDK 源码解析 —— 集合（五）哈希集合 HashSet

1. 概述

HashSet ，基于 HashMap 的 Set 实现类。在业务中，如果我们有排重的需求，一般会考虑使用 HashSet 。

在 Redis 提供的 Set 数据结构，不考虑编码的情况下，它是基于 Redis 自身的 Hash 数据结构实现的。这点，JDK 和 Redis 是相同的。

2. 类图

HashSet 实现的接口、继承的类，如下图所示：

• 实现 java.util.Set 接口，并继承 java.util.AbstractSet 抽像类。
• 实现 java.io.Serializable 接口。
• 实现 java.lang.Cloneable 接口。

3. 属性

HashSet 只有一个属性，那就是 map 。代码如下：

// HashSet.java

private transient HashMap<E, Object> map;

• map 的 key ，存储 HashSet 的每个 key 。

• map 的 value ，因为 HashSet 没有 value 的需要，所以使用一个统一的 PRESENT 即可。代码如下：

  // HashSet.java
  
  // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
  private static final Object PRESENT = new Object();
  

4. 构造方法

HashSet 一共有 5 个构造方法，代码如下：

// HashSet.java

public HashSet() {
    map = new HashMap<>();
}

public HashSet(Collection<? extends E> c) {
    // 最小必须是 16 。
    // (int) (c.size()/.75f) + 1 避免扩容
    map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
    // 批量添加
    addAll(c);
}

public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

public HashSet(int initialCapacity) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity);
}

HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
    map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor); // 注意，这种情况下的构造方法，创建的是 LinkedHashMap 对象
}

• 在构造方法中，会创建 HashMap 或 LinkedHashMap 对象。

5. 添加单个元素

#add(E e) 方法，添加单个元素。代码如下：

// HashSet.java

public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
}

• map 的 value 值，就是我们看到的 PRESENT 。

而添加多个元素，继承自 AbstractCollection 抽象类，通过 #addAll(Collection c) 方法，代码如下：

// AbstractCollection.java

public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
    boolean modified = false;
    // 遍历 c 集合，逐个添加
    for (E e : c)
        if (add(e))
            modified = true;
    return modified;
}

• 在方法内部，会逐个调用 #add(E e) 方法，逐个添加单个元素。

6. 移除单个元素

#remove(Object key) 方法，移除 key 对应的 value ，并返回该 value 。代码如下：

// HashSet.java

public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o) == PRESENT;
}

7. 查找单个元素

#contains(Object key) 方法，判断 key 是否存在。代码如下：

// HashSet.java

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

8. 转换成数组

#toArray(T[] a) 方法，转换出 key 数组返回。代码如下：

// HashSet.java

@Override
public Object[] toArray() {
    return map.keysToArray(new Object[map.size()]);
}

@Override
public <T> T[] toArray(T[] a) {
    return map.keysToArray(map.prepareArray(a));
}

9. 清空

#clear() 方法，清空 HashSet 。代码如下：

// HashSet.java

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

10. 序列化

#writeObject(ObjectOutputStream s) 方法，序列化 HashSet 对象。代码如下：

// HashSet.java

@java.io.Serial
private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
    throws java.io.IOException {
    // Write out any hidden serialization magic
    // 写入非静态属性、非 transient 属性
    s.defaultWriteObject();

    // Write out HashMap capacity and load factor
    // 写入 map table 数组大小
    s.writeInt(map.capacity());
    // 写入 map 加载因子
    s.writeFloat(map.loadFactor());

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

    // Write out all elements in the proper order.
    // 遍历 map ，逐个 key 序列化
    for (E e : map.keySet())
        s.writeObject(e);
}

11. 反序列化

#readObject(ObjectInputStream s) 方法，反序列化成 HashSet 对象。代码如下：

// HashSet.java

@java.io.Serial
private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
    throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
    // Read in any hidden serialization magic
    // 读取非静态属性、非 transient 属性
    s.defaultReadObject();

    // Read capacity and verify non-negative.
    // 读取 HashMap table 数组大小
    int capacity = s.readInt();
    // 校验 capacity 参数
    if (capacity < 0) {
        throw new InvalidObjectException("Illegal capacity: " +
                                         capacity);
    }

    // Read load factor and verify positive and non NaN.
    // 获得加载因子 loadFactor
    float loadFactor = s.readFloat();
    // 校验 loadFactor 参数
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) {
        throw new InvalidObjectException("Illegal load factor: " +
                                         loadFactor);
    }

    // Read size and verify non-negative.
    // 读取 key-value 键值对数量 size
    int size = s.readInt();
    // 校验 size 参数
    if (size < 0) {
        throw new InvalidObjectException("Illegal size: " +
                                         size);
    }

    // Set the capacity according to the size and load factor ensuring that
    // the HashMap is at least 25% full but clamping to maximum capacity.
    // 计算容量
    capacity = (int) Math.min(size * Math.min(1 / loadFactor, 4.0f),
            HashMap.MAXIMUM_CAPACITY);

    // Constructing the backing map will lazily create an array when the first element is
    // added, so check it before construction. Call HashMap.tableSizeFor to compute the
    // actual allocation size. Check Map.Entry[].class since it's the nearest public type to
    // what is actually created.
    SharedSecrets.getJavaObjectInputStreamAccess()
                 .checkArray(s, Map.Entry[].class, HashMap.tableSizeFor(capacity)); // 不知道作甚，哈哈哈。

    // Create backing HashMap
    // 创建 LinkedHashMap 或 HashMap 对象
    map = (((HashSet<?>)this) instanceof LinkedHashSet ?
           new LinkedHashMap<>(capacity, loadFactor) :
           new HashMap<>(capacity, loadFactor));

    // Read in all elements in the proper order.
    // 遍历读取 key 键，添加到 map 中
    for (int i=0; i<size; i++) {
        @SuppressWarnings("unchecked")
            E e = (E) s.readObject();
        map.put(e, PRESENT);
    }
}

12. 克隆

#clone() 方法，克隆 HashSet 对象。代码如下：

// HashSet.java

public Object clone() {
    try {
        // 调用父方法，克隆创建 newSet 对象
        HashSet<E> newSet = (HashSet<E>) super.clone();
        // 可控 mao 属性，赋值给 newSet
        newSet.map = (HashMap<E, Object>) map.clone();
        // 返回
        return newSet;
    } catch (CloneNotSupportedException e) {
        throw new InternalError(e);
    }
}

13. 获得迭代器

#iterator() 方法，获得迭代器。代码如下：

// HashSet.java

public Iterator<E> iterator() {
    return map.keySet().iterator();
}

总结

可能偶尔我们会使用到 LinkedHashSet ，它是 HashSet 的子类，可以自己去看。更加简单~

关于 HashSet 的总结，只有一句话：HashSet 是基于 HashMap 的 Set 实现类。