由浅入深理解java集合(二)——集合-Set

上一篇文章介绍了Set集合的通用知识。Set集合中包含了三个比较重要的实现类:HashSet、TreeSet和EnumSet。本篇文章将重点介绍这三个类。

一、HashSet类

HashSet简介

HashSet是Set接口的典型实现,实现了Set接口中的所有方法,并没有添加额外的方法,大多数时候使用Set集合时就是使用这个实现类。HashSet按Hash算法来存储集合中的元素。因此具有很好的存取和查找性能。

HashSet特点

1.不能保证元素的排列顺序,顺序可能与添加顺序不同,顺序也有可能发生变化。
2.HashSet不是同步的,如果多个线程同时访问一个HashSet,则必须通过代码来保证其同步。
3.集合元素值可以是null。
除此之外,HashSet判断两个元素是否相等的标准也是其一大特点。HashSet集合判断两个元素相等的标准是两个对象通过equals()方法比较相等,并且两个对象的hashCode()方法返回值也相等。

写到这里,我们就要介绍下equals()和hashCode()方法了。

equals()和hashCode()

equals()

equals() 的作用是 用来判断两个对象是否相等。

equals() 定义在JDK的Object.java中。通过判断两个对象的地址是否相等(即,是否是同一个对象)来区分它们是否相等。源码如下:

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public boolean equals(Object obj) {
return (this == obj);
}

既然Object.java中定义了equals()方法,这就意味着所有的Java类都实现了equals()方法,所有的类都可以通过equals()去比较两个对象是否相等。 但是,使用默认的“equals()”方法,等价于“==”方法。我们也可以在Object的子类中重写此方法,自定义“equals()”方法,在其中定义自己的判断逻辑,如果满足则返回true,不满足则返回false。下面我们自定义一个类 Person,并认为年龄,身高相等的两个Person对象,equals()方法比较结果相等。

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public class Person {
public int age;
public int height;
@Override
public boolean equals(Object obj) {
if (this == obj)
return true;
if (obj == null)
return false;
if (getClass() != obj.getClass())
return false;
Person other = (Person) obj;
if (age != other.age)
return false;
if (height != other.height)
return false;
return true;
}
}

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public class EqualTest {
public static void main(String[] args){
Person p1 = new Person();
Person p2 =new Person();
System.out.println(p1.equals(p2));
}
}

输出结果:

true

下面根据“类是否覆盖equals()方法”,将它分为2类。
(01) 若某个类没有覆盖equals()方法,当它的通过equals()比较两个对象时,实际上是比较两个对象是不是同一个对象。这时,等价于通过“==”去比较这两个对象,即两个对象的内存地址是否相同。
(02) 我们可以覆盖类的equals()方法,来让equals()通过其它方式比较两个对象是否相等。通常的做法是:若两个对象的内容相等,则equals()方法返回true;否则,返回fasle。

hashCode()

hashCode() 的作用是获取哈希码,也称为散列码;它实际上是返回一个int整数。这个哈希码的作用是确定该对象在哈希表中的索引位置。

hashCode() 定义在JDK的Object.java中,这就意味着Java中的任何类都包含有hashCode() 函数。虽然,每个Java类都包含hashCode() 函数。但是,仅仅当创建某个“类”的散列表时,该类的hashCode() 才有用。更通俗地说就是创建包含该类的HashMap,Hashtable,HashSet集合时,hashCode() 才有用。因为HashMap,Hashtable,HashSet就是散列表集合。
在散列表中,hashCode()作用是:确定该类的每一个对象在散列表中的位置;其它情况下类的hashCode() 没有作用。在散列表中hashCode() 的作用是获取对象的散列码,进而确定该对象在散列表中的位置。

hashCode()也分两种情况。一种是Object类中默认的方法,另一种是在子类中重写的方法。
(01) 若某个类没有覆盖hashCode()方法,当它的通过hashCode()比较两个对象时,实际上是比较两个对象是不是同一个对象。这时,等价于通过“==”去比较这两个对象,即两个对象的内存地址是否相同。
(02) 我们可以覆盖类的hashCode()方法,来让hashCode()通过其它方式比较两个对象是否相等。通常的做法是:若两个对象的内容相等,则hashCode()方法返回true;否则,返回fasle。

通过对以上两个方法的了解。我们可以接下来学习HashSet集合中如何判断两个元素是否相等?

HashSet中判断集合元素相等

两个对象比较 具体分为如下四个情况:
1.如果有两个元素通过equal()方法比较返回false,但它们的hashCode()方法返回不相等,HashSet将会把它们存储在不同的位置。

2.如果有两个元素通过equal()方法比较返回true,但它们的hashCode()方法返回不相等,HashSet将会把它们存储在不同的位置。

3.如果两个对象通过equals()方法比较不相等,hashCode()方法比较相等,HashSet将会把它们存储在相同的位置,在这个位置以链表式结构来保存多个对象。这是因为当向HashSet集合中存入一个元素时,HashSet会调用对象的hashCode()方法来得到对象的hashCode值,然后根据该hashCode值来决定该对象存储在HashSet中存储位置。

4.如果有两个元素通过equal()方法比较返回true,但它们的hashCode()方法返回true,HashSet将不予添加。

HashSet判断两个元素相等的标准:两个对象通过equals()方法比较相等,并且两个对象的hashCode()方法返回值也相等。

注意:HashSet是根据元素的hashCode值来快速定位的,如果HashSet中两个以上的元素具有相同的hashCode值,将会导致性能下降。所以如果重写类的equals()方法和hashCode()方法时,应尽量保证两个对象通过hashCode()方法返回值相等时,通过equals()方法比较返回true。

LinkedHashSet类

LinkedHashSet是HashSet对的子类,也是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置,同时使用链表维护元素的次序,使得元素是以插入的顺序来保存的。当遍历LinkedHashSet集合里的元素时,LinkedHashSet将会按元素的添加顺序来访问集合里的元素。但是由于要维护元素的插入顺序,在性能上略低与HashSet,但在迭代访问Set里的全部元素时有很好的性能。
注意:LinkedHashSet依然不允许元素重复,判断重复标准与HashSet一致。

补充:HashSet的实质是一个HashMap。HashSet的所有集合元素,构成了HashMap的key,其value为一个静态Object对象。因此HashSet的所有性质,HashMap的key所构成的集合都具备。可以参考后续文章中HashMap的相关内容进行比对。

二、TreeSet类

TreeSet简介

TreeSet是SortedSet接口的实现类,正如SortedSet名字所暗示的,TreeSet可以确保集合元素处于排序状态。此外,TreeSet还提供了几个额外的方法。

TreeSet的方法

comparator():返回对此 set 中的元素进行排序的比较器;如果此 set 使用其元素的自然顺序,则返回null。
first():返回此 set 中当前第一个(最低)元素。
last(): 返回此 set 中当前最后一个(最高)元素。
lower(E e):返回此 set 中严格小于给定元素的最大元素;如果不存在这样的元素,则返回 null。
higher(E e):返回此 set 中严格大于给定元素的最小元素;如果不存在这样的元素,则返回 null。
subSet(E fromElement, E toElement):返回此 set 的部分视图,其元素从 fromElement(包括)到 toElement(不包括)。
headSet(E toElement):返回此 set 的部分视图,其元素小于toElement。
tailSet(E fromElement):返回此 set 的部分视图,其元素大于等于 fromElement。

TreeSet的排序方式

TreeSet中所谓的有序,不同于之前所讲的插入顺序,而是通过集合中元素属性进行排序方式来实现的。
TreeSet支持两种排序方法:自然排序和定制排序。在默认情况下,TreeSet采用自然排序。

1.自然排序

在讲自然排序之前,要先讲一下Comparable接口

Java提供了一个Comparable接口,该接口里定义了一个compareTo(Object obj)方法,该方法返回一个整数值,实现该接口的类必须实现该方法,实现了该接口的类的对象就可以比较大小了。当一个对象调用该方法与另一个对象比较时,例如obj1.compareTo(obj2),如果该方法返回0,则表明两个对象相等;如果该方法返回一个整数,则表明obj1大于obj2;如果该方法返回一个负整数,则表明oj1小于obj2。

TreeSet会调用集合中元素所属类的compareTo(Object obj)方法来比较元素之间的大小关系,然后将集合元素按升序排列,即把通过compareTo(Object obj)方法比较后比较大的的往后排。这种方式就是自然排序。

Java的一些常用类已经实现了Comparable接口,并提供了比较大小的标准。例如,String按字符串的UNICODE值进行比较,Integer等所有数值类型对应的包装类按它们的数值大小进行比较。
除了这些已经实现Comparable接口类之外,如果试图把一个对象添加到TreeSet时,则该对象的类必须实现Comparable接口,否则就会出现异常。
注意:TreeSet中只能添加同一种类型的对象,否则无法比较,会出现异常。

TreeSet中判断集合元素相等

对于TreeSet集合而言,判断两个对象是否相等的唯一标准是:两个对象通过compareTo(Object obj)方法比较是否返回0——如果通过compareTo(Object obj)方法比较返回0,TreeSet则会认为它们相等,不予添加入集合内;否则就认为它们不相等,添加到集合内。
TreeSet是根据红黑树结构找到集合元素的存储位置。

2.定制排序

TreeSet的自然排序是根据集合元素中compareTo(Object obj)比较的大小,以升序排列。而定制排序是通过Comparator接口的帮助。该接口包含一个int compare(T o1,T o2)方法,该方法用于比较o1,o2的大小:如果该方法返回正整数,则表明o1大于o2;如果该方法返回0,则表明o1等于o2;如果该方法返回负整数,则表明o1小于o2。
如果要实现定制排序,则需要在创建TreeSet时,调用一个带参构造器,传入Comparator对象。并有该Comparator对象负责集合元素的排序逻辑,集合元素可以不必实现Comparable接口。下面具体演示一下这种用法:

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public static void main(String[] args){
Person p1 = new Person();
p1.age =20;
Person p2 =new Person();
p2.age = 30;
Comparator<Person> comparator = new Comparator<Person>() {
@Override
public int compare(Person o1, Person o2) {
//年龄越小的排在越后面
if(o1.age<o2.age){
return 1;
}else if(o1.age>o2.age){
return -1;
}else{
return 0;
}
}
};
TreeSet<Person> set = new TreeSet<Person>(comparator);
set.add(p1);
set.add(p2);
System.out.println(set);
}

[Person[age=30], Person[age=20]]

总结:无论使用自然排序还是定制排序,都可以通过自定义比较逻辑实现各种各样的排序方式。

注意:如果向TreeSet中添加了一个可变对象后,并且后面程序修改了该可变对象的实例变量,这将导致它与其他对象的大小顺序发生了改变,但TreeSet不会再次调整它们。下面程序演示这一现象:

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TreeSet<Person> set = new TreeSet<Person>();
Person p1 = new Person();
p1.setAge(10);
Person p2 =new Person();
p2.setAge(30);
Person p3 =new Person();
p3.setAge(40);
set.add(p1);
set.add(p2);
set.add(p3);
System.out.println("初始年龄排序");
System.out.println(set);
//p1的年龄修改成50 最大
p1.age = 60;
System.out.println("修改p1年龄后集合排序");
System.out.println(set);
p2.age = 40;
System.out.println("修改p2年龄后集合排序");
System.out.println(set);
Person p4 = new Person();

其中Person实现Comparable接口,将Person对象按照年龄从小到大升序排列。
输出结果:

初始年龄排序
[Person[age=10], Person[age=30], Person[age=40]]
修改p1年龄后集合排序
[Person[age=60], Person[age=30], Person[age=40]]
修改p2年龄后集合排序
[Person[age=60], Person[age=40], Person[age=40]]

可以看到并没有发生变化,而且如果修改后进行元素删除操作可能会不成功,具体比较复杂。总之,推荐不要修改放入TreeSet集合中元素的关键实例变量。
补充:TreeSet也是非线程安全的。

三、EnumSet类

EnumSet简介

EnumSet是一个专为枚举类设计的集合类,EnumSet中的所有元素都必须是指定枚举类型的枚举值,该枚举类型在创建EnumSet时显示或隐式地指定。EnumSet的集合元素也是有序的,EnumSet以枚举值在EnumSet类内的定义顺序来决定集合元素的顺序。

EnumSet特点

1.EnumSet集合不允许加入null元素。EnumSet中的所有元素都必须是指定枚举类型的枚举值。
2.EnumSet类没有暴露任何构造器来创建该类的实例,程序应该通过它提供的类方法来创建EnumSet对象。

EnumSet没有其他额外增加的方法,只是增加了一些创建EnumSet对象的方法。

EnumSet创建对象的方法


补充:EnumSet 也是非线程安全的。

四、HashSet、TreeSet和EnumSet的性能对比

EnumSet性能>HashSet性能>LinkedHashSet>TreeSet性能

EnumSet内部以位向量的形式存储,结构紧凑、高效,且只存储枚举类的枚举值,所以最高效。HashSet以hash算法进行位置存储,特别适合用于添加、查询操作。LinkedHashSet由于要维护链表,性能比HashSet差点,但是有了链表,LinkedHashSet更适合于插入、删除以及遍历操作。而TreeSet需要额外的红黑树算法来维护集合的次序,性能最次。

但是具体使用要考虑具体的使用场景。
当需要一个特定排序的集合时,使用TreeSet集合。
当需要保存枚举类的枚举值时,使用EnumSet集合。
当经常使用添加、查询操作时,使用HashSet。
当经常插入排序或使用删除、插入及遍历操作时,使用LinkedHashSet。

后续文章将对java集合中的具体实现类进行深入了解。有兴趣的话可以观看后续内容,进一步了解java集合内容。