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一、概述

HashSet是 Java 集合框架中的一个核心类，实现了Set接口，基于哈希表（实际是HashMap）实现。

主要特点：

• 不允许重复元素

• 允许 null 元素

• 不保证插入顺序

• 线程不安全

• 初始容量和负载因子可配置

二、内部实现由来及原理

HashSet继承和实现关系

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

一、继承关系分析

1.extends AbstractSet<E>

作用：代码复用和通用实现

// AbstractSet提供的核心实现： // 1. 通用方法实现 public abstract class AbstractSet<E> extends AbstractCollection<E> implements Set<E> { // equals() 方法的通用实现 public boolean equals(Object o) { if (o == this) return true; if (!(o instanceof Set)) return false; Collection<?> c = (Collection<?>) o; if (c.size() != size()) return false; try { // 核心算法：检查是否包含所有元素 return containsAll(c); } catch (ClassCastException | NullPointerException unused) { return false; } } // hashCode() 方法的通用实现 public int hashCode() { int h = 0; Iterator<E> i = iterator(); // 所有元素hashCode之和 while (i.hasNext()) { E obj = i.next(); if (obj != null) h += obj.hashCode(); } return h; } // 批量删除的优化实现 public boolean removeAll(Collection<?> c) { Objects.requireNonNull(c); boolean modified = false; if (size() > c.size()) { // 遍历小集合更高效 for (Iterator<?> i = c.iterator(); i.hasNext(); ) modified |= remove(i.next()); } else { // 遍历自身删除 for (Iterator<E> i = iterator(); i.hasNext(); ) { if (c.contains(i.next())) { i.remove(); modified = true; } } } return modified; } }

为什么继承AbstractSet而不是AbstractCollection？

• AbstractSet提供了针对Set接口的专门实现

• 特别是优化了equals()和removeAll()方法

• 确保Set的数学特性（唯一性）得到维护

二、实现接口分析

1.implements Set<E>

作用：声明行为契约

public interface Set<E> extends Collection<E> { // Set接口特有的约束 // 添加元素（不允许重复） boolean add(E e); // 添加集合（去重） boolean addAll(Collection<? extends E> c); // 其他从Collection继承的方法... // Set的数学性质定义 // A ∪ B（并集）: addAll() // A ∩ B（交集）: retainAll() // A - B（差集）: removeAll() }

Set接口保证的特性：

• 唯一性：元素不重复（基于equals()和hashCode()）

• 无顺序：不保证插入顺序（具体实现可能提供）

• 空值：通常允许一个null元素

2.implements Cloneable

作用：支持对象克隆（浅拷贝）

// HashSet中的clone()实现 public Object clone() { try { HashSet<E> newSet = (HashSet<E>) super.clone(); // 复制HashMap（浅拷贝） newSet.map = (HashMap<E, Object>) map.clone(); return newSet; } catch (CloneNotSupportedException e) { throw new InternalError(e); } } // 使用示例 HashSet<String> original = new HashSet<>(Arrays.asList("A", "B", "C")); HashSet<String> cloned = (HashSet<String>) original.clone(); // 注意：这是浅拷贝！ HashSet<Person> persons = new HashSet<>(); persons.add(new Person("Alice")); HashSet<Person> clonedPersons = (HashSet<Person>) persons.clone(); clonedPersons.iterator().next().setName("Bob"); // 会影响原集合中的对象！

Cloneable接口的特点：

• 标记接口（没有方法）

• 允许Object.clone()方法被调用

• 默认是浅拷贝（只复制引用，不复制对象）

3.implements Serializable

作用：支持对象序列化

// HashSet的序列化实现 private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s) throws java.io.IOException { // 写入默认字段 s.defaultWriteObject(); // 写入容量、负载因子、大小 s.writeInt(map.capacity()); s.writeFloat(map.loadFactor()); s.writeInt(map.size()); // 写入所有元素 for (E e : map.keySet()) s.writeObject(e); } private void readObject(java.io.ObjectInputStream s) throws java.io.IOException, ClassNotFoundException { // 读取默认字段 s.defaultReadObject(); // 读取容量、负载因子、大小 int capacity = s.readInt(); float loadFactor = s.readFloat(); int size = s.readInt(); // 重建HashMap map = new HashMap<>(capacity, loadFactor); // 读取所有元素 for (int i = 0; i < size; i++) { @SuppressWarnings("unchecked") E e = (E) s.readObject(); map.put(e, PRESENT); } }

Serializable接口的作用：

• 允许对象转换为字节流

• 支持网络传输和持久化存储

• HashSet自定义了序列化逻辑以优化性能

三、设计模式分析

1.模板方法模式（Template Method）

// AbstractSet中的模板方法模式 public abstract class AbstractSet<E> { // 抽象方法，由子类实现 public abstract Iterator<E> iterator(); public abstract int size(); // 模板方法，使用抽象方法 public boolean equals(Object o) { // 使用iterator()和size()这些抽象方法 if (size() != ((Set<?>) o).size()) return false; return containsAll((Collection<?>) o); // 调用具体实现 } }

2.适配器模式（Adapter）

// HashSet通过HashMap实现Set接口，是适配器模式的体现 public class HashSet<E> { // 适配的目标对象 private HashMap<E, Object> map; // 适配方法：将Set操作转换为Map操作 public boolean add(E e) { return map.put(e, PRESENT) == null; // 适配 } }

四、各层级的责任划分

五、总结

继承AbstractSet的作用：

1. 避免重复代码：通用算法已实现

2. 保证正确性：Set特性的正确实现

3. 提高一致性：所有Set实现行为一致

实现Set接口的作用：

1. 定义契约：明确HashSet应提供的方法

2. 多态支持：可用Set类型引用HashSet

3. 框架集成：与其他集合类协同工作

实现Cloneable的作用：

1. 对象复制：提供浅拷贝能力

2. 原型模式：支持基于原型的对象创建

实现Serializable的作用：

1. 持久化：支持对象存储

2. 传输：支持网络传输

3. 分布式：支持远程方法调用

HashSet底层数据结构

// HashSet 内部实际上使用 HashMap 存储元素 private transient HashMap<E, Object> map; // 虚拟值，所有键共享同一个值 private static final Object PRESENT = new Object();

HashSet构造函数

// 默认构造函数：初始容量16，负载因子0.75 HashSet<String> set1 = new HashSet<>(); // 指定初始容量 HashSet<String> set2 = new HashSet<>(20); // 指定初始容量和负载因子 HashSet<String> set3 = new HashSet<>(20, 0.8f); // 从其他集合创建 HashSet<String> set4 = new HashSet<>(list);

三、核心方法分析

1. 添加元素 -add()

public boolean add(E e) { // 调用 HashMap 的 put 方法 // 如果键不存在，返回 null；如果已存在，返回旧值 return map.put(e, PRESENT) == null; }

2. 删除元素 -remove()

public boolean remove(Object o) { // 调用 HashMap 的 remove 方法 return map.remove(o) == PRESENT; }

3. 查询元素 -contains()

public boolean contains(Object o) { // 调用 HashMap 的 containsKey 方法 return map.containsKey(o); }

四、性能分析

时间复杂度

注意：最坏情况发生在所有元素哈希冲突时，退化为链表或需要树化的情况。

负载因子和扩容机制

// 默认负载因子：0.75 static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; // 扩容公式：size > capacity * loadFactor // 例如：容量16，负载因子0.75，当元素数>12时触发扩容 // 扩容为原来的2倍：newCapacity = oldCapacity * 2

五、重要特性详解

1. 元素唯一性原理

// 示例：验证唯一性 HashSet<String> set = new HashSet<>(); set.add("apple"); set.add("apple"); // 不会添加成功，返回 false // 依赖于 hashCode() 和 equals() 方法 // 1. 先比较 hashCode() // 2. 如果 hashCode 相同，再比较 equals()

2. 自定义对象的存储

class Person { private String name; private int age; // 必须正确重写 hashCode() 和 equals() @Override public int hashCode() { return Objects.hash(name, age); } @Override public boolean equals(Object obj) { if (this == obj) return true; if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false; Person person = (Person) obj; return age == person.age && Objects.equals(name, person.name); } } // 使用 HashSet<Person> people = new HashSet<>(); people.add(new Person("Alice", 25)); people.add(new Person("Alice", 25)); // 不会重复添加

六、遍历方式

HashSet<String> set = new HashSet<>(Arrays.asList("A", "B", "C")); // 1. 迭代器遍历 Iterator<String> iterator = set.iterator(); while (iterator.hasNext()) { System.out.println(iterator.next()); } // 2. for-each 遍历（推荐） for (String item : set) { System.out.println(item); } // 3. Java 8+ Stream API set.stream().forEach(System.out::println); // 4. forEach 方法 set.forEach(System.out::println);

七、线程安全与同步

1. 非线程安全的解决方案

// 方法1：使用 Collections.synchronizedSet() Set<String> syncSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>()); // 方法2：使用 CopyOnWriteArraySet（适合读多写少的场景） Set<String> copyOnWriteSet = new CopyOnWriteArraySet<>(); // 方法3：使用 ConcurrentHashMap.newKeySet()（Java 8+） Set<String> concurrentSet = ConcurrentHashMap.newKeySet();

八、与相关集合的对比

九、最佳实践和注意事项

1. 选择合适的初始容量

// 预估元素数量，避免频繁扩容 int expectedSize = 1000; HashSet<String> set = new HashSet<>((int)(expectedSize / 0.75f) + 1);

2. 重写 hashCode() 的原则

// 好的 hashCode 方法应该： // 1. 一致性：同一对象多次调用返回相同值 // 2. 高效性：计算快速 // 3. 离散性：不同对象尽量不同哈希值

3. 常见陷阱

// 陷阱1：添加后修改对象 HashSet<Person> set = new HashSet<>(); Person p = new Person("Tom", 20); set.add(p); p.setName("Jerry"); // 修改对象属性 set.contains(p); // 可能返回 false // 陷阱2：并发修改 // 多线程环境下需要使用同步机制

十、性能优化建议

1. 预估容量：避免自动扩容开销

2. 调整负载因子：

   • 空间敏感：提高负载因子（如 0.8）

   • 时间敏感：降低负载因子（如 0.6）

3. 优化 hashCode()：

   • 避免频繁冲突

   • 计算成本低

4. 批量操作：

   // 一次性添加所有元素，减少扩容次数 HashSet<String> set = new HashSet<>(list);

十一、实际应用场景

// 场景1：去重 List<String> listWithDuplicates = Arrays.asList("a", "b", "a", "c"); List<String> uniqueList = new ArrayList<>(new HashSet<>(listWithDuplicates)); // 场景2：集合运算 HashSet<Integer> set1 = new HashSet<>(Arrays.asList(1, 2, 3)); HashSet<Integer> set2 = new HashSet<>(Arrays.asList(3, 4, 5)); // 并集 HashSet<Integer> union = new HashSet<>(set1); union.addAll(set2); // 交集 HashSet<Integer> intersection = new HashSet<>(set1); intersection.retainAll(set2); // 差集 HashSet<Integer> difference = new HashSet<>(set1); difference.removeAll(set2);

十二、Java 8+ 增强特性

// 1. removeIf：条件删除 HashSet<Integer> numbers = new HashSet<>(Arrays.asList(1, 2, 3, 4, 5)); numbers.removeIf(n -> n % 2 == 0); // 删除偶数 // 2. spliterator()：并行处理支持 Spliterator<String> spliterator = set.spliterator();