Java Set系列集合詳解：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet底層原理與使用場景

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一、Set系列集合概述

1. 核心特點

• 無序性：存取順序不一致（LinkedHashSet除外）。
• 唯一性：元素不重復。
• 無索引：無法通過索引直接訪問元素，不能使用普通for循環遍歷。

2. 常見實現類

實現類	特點	底層數據結構
HashSet	無序、唯一、無索引	哈希表（數組+鏈表/紅黑樹）
LinkedHashSet	有序（存取順序一致）、唯一	哈希表+雙向鏈表
TreeSet	可排序（自然或自定義）、唯一	紅黑樹

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二、Set接口常用方法

Set繼承自Collection接口，常用方法如下：

方法	說明
boolean add(E e)	添加元素，成功返回true
void clear()	清空集合
boolean remove(E e)	刪除指定元素
`boolean contains(Object)	判斷是否包含元素
int size()	返回集合元素個數

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三、各實現類詳解

1. HashSet

底層原理

• JDK8前：數組 + 鏈表。
• JDK8后：數組 + 鏈表 + 紅黑樹（鏈表長度≥8且數組長度≥64時觸發轉換）。
• 哈希值計算：通過重寫hashCode()和equals()保證元素唯一性。

擴容機制

• 默認初始容量：16。
• 加載因子：0.75（當元素數量達到容量的75%時觸發擴容）。

代碼示例

Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("A");
set.add("A"); // 添加失敗
System.out.println(set); // 輸出無序，如 [A, B]

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2. LinkedHashSet

核心特點

• 繼承自HashSet，通過雙向鏈表維護插入順序。
• 性能略低于HashSet，但遍歷效率更高。

代碼示例

LinkedHashSet<String> linkedSet = new LinkedHashSet<>();
linkedSet.add("B");
linkedSet.add("A");
System.out.println(linkedSet); // 輸出順序固定為 [B, A]

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3. TreeSet

排序規則

• 自然排序：元素需實現Comparable接口，重寫compareTo()。
• 比較器排序：創建TreeSet時傳入Comparator自定義規則。

代碼示例

// 自然排序（按年齡升序）
TreeSet<Student> treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add(new Student("Tom", 20));
treeSet.add(new Student("Alice", 18));
// 輸出按年齡排序：Alice(18) → Tom(20)

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四、補充知識點

1. 線程安全性

• HashSet、TreeSet、LinkedHashSet均非線程安全。
• 解決方案：使用Collections.synchronizedSet()包裝。

Set<String> syncSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());

2. 哈希沖突解決策略

• 鏈地址法（HashSet采用）：沖突元素以鏈表形式存儲。
• 開放尋址法：線性探測或二次探測。

3. 紅黑樹簡介

• 一種自平衡二叉查找樹，保證插入、刪除、查找的時間復雜度為O(log n)。
• 特性：節點顏色交替、根節點為黑、葉子節點為黑、任意路徑黑節點數相同。

4. 性能對比

操作	HashSet	LinkedHashSet	TreeSet
插入	O(1)	O(1)	O(log n)
刪除	O(1)	O(1)	O(log n)
查詢	O(1)	O(1)	O(log n)
有序性	無	插入順序	自然/自定義

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五、應用場景總結

場景	推薦集合
去重且無需順序	HashSet
去重且保留插入順序	LinkedHashSet
去重且需排序	TreeSet
高頻查詢	HashSet
需要線程安全	Collections.synchronizedSet()

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六、常見面試題

1. HashSet如何保證元素唯一？
   通過hashCode()和equals()方法：先比較哈希值，再通過equals判斷內容是否相同。

2. TreeSet兩種排序方式如何選擇？

   • 默認使用自然排序（需實現Comparable）。
   • 若類無法修改或需多規則排序，使用Comparator。

3. HashSet和HashMap的關系？
   HashSet底層基于HashMap實現，元素存儲為HashMap的鍵（值固定為PRESENT占位對象）。

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