JavaSE——集合5：Set(HashSet的底层原理)(重要!!!)

目录

一、Set接口基本介绍

二、Set接口的常用方法

三、Set接口实现类——HashSet

四、HashSet(HashMap底层原理:重要!!!)

(一)第一次添加元素

(二)第二次添加不同的元素

(三)添加重复的元素

1.仍旧走到了putVal(hash(key), key, value, false, true);方法

2.判断计算出的索引位置，是否为null，不为null，继续跳过下一个if，进入else中的第1个if

​3.添加失败的源码解读： 

4.关于扩容的源码解读 

5.转成红黑树源码解读

​五、练习题

1.练习1

2.练习2

一、Set接口基本介绍

  1. 无序(添加和取出的顺序不一致)，没有索引
  2. 不允许重复元素，所以最多包含一个null
  3. JDK API中Set接口的实现类有：

二、Set接口的常用方法

  1. 和List接口一样，Set接口也是Collection的子接口，因此，常用方法和Collection接口一样
  2. set 接口的实现类的对象(Set接口对象)，不能存放重复的元素，可以添加一个null
  3. set 接口对象存放数据是无序(即添加的顺序和取出的顺序不一致)
  4. 注意：取出的顺序虽然不是添加的顺序，但是它是固定的
  5. Set接口的遍历方式：迭代器、增强for，不能使用索引的方式来获取
public static void main(String[] args) {Set set = new HashSet();set.add("john");set.add("lucy");set.add("john");set.add("jack");set.add("marry");set.add(null);set.add(null);System.out.println("set=" + set);// set=[null, marry, john, lucy, jack]set.remove(null);// 遍历// 方式1： 使用迭代器Iterator iterator = set.iterator();while (iterator.hasNext()) {Object obj = iterator.next();System.out.println(obj);}// marry// john// lucy// jack// 方式2：增强forfor (Object o : set) {System.out.println("o=" + o);}// o=marry// o=john// o=lucy// o=jack// set 接口对象，不能通过索引来获取
}

三、Set接口实现类——HashSet

  1. HashSet实现了Set接口
  2. HashSet底层是HashMap，而HashMap底层是数组+链表+红黑树
  3. HashSet可以存放null值，但是只能有一个null
  4. HashSet不保证元素是有序的，取决于hash后，再确定索引的结果
  5. 不能有重复元素/对象 
public static void main(String[] args) {HashSet set = new HashSet();//说明//1. 在执行add方法后，会返回一个boolean值//2. 如果添加成功，返回 true, 否则返回false//3. 可以通过 remove 指定删除哪个对象System.out.println(set.add("john"));//TSystem.out.println(set.add("lucy"));//TSystem.out.println(set.add("john"));//FSystem.out.println(set.add("jack"));//TSystem.out.println(set.add("Rose"));//Tset.remove("john");System.out.println("set=" + set);// set=[Rose, lucy, jack]set = new HashSet();System.out.println("set=" + set);// set=[]//4 Hashset 不能添加相同的元素/数据?set.add("lucy");// 添加成功set.add("lucy");// 添加失败set.add(new Dog("tom"));// 添加成功set.add(new Dog("tom"));// 添加成功System.out.println("set=" + set);// set=[Dog{name='tom'}, Dog{name='tom'}, lucy]// 看源码，做分析，即 add 到底发生了什么?=> 底层机制set.add(new String("hello"));// 添加成功set.add(new String("hello"));// 添加失败System.out.println("set=" + set);// set=[Dog{name='tom'}, Dog{name='tom'}, hello, lucy]
}class Dog {private String name;public Dog(String name) {this.name = name;}@Overridepublic String toString() {return "Dog{" +"name='" + name + '\'' +'}';}
}

四、HashSet(HashMap底层原理:重要!!!)

(一)第一次添加元素

1. 执行 HashSet()public HashSet() {map = new HashMap<>();}2. 执行 add()// private static final Object PRESENT = new Object();// PRESENT 是一个静态常量，类型是Object，用于在map中进行占位的public boolean add(E e) { // e = "john"return map.put(e, PRESENT)==null;}3.执行 put()// key = "john" value = PRESENT 共享public V put(K key, V value) { return putVal(hash(key), key, value, false, true);}4.执行hash(key)该方法会key对象的hashCode进行运算，得到新的hash值注意：static final int hash(Object key) {int h;return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);}5.回到 putVal(hash(key), key, value, false, true);final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,boolean evict) {Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i; // 定义了辅助变量// table 就是 HashMap 的一个数组，类型是 Node[],初始长度为null// if 语句表示如果当前table 是null, 或者 大小=0// 进行第一次扩容，到16个空间 (在6中有讲解)if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)n = (tab = resize()).length; // 16// (1) 根据key,即传入的对象,得到新的hash// (2) i = (n - 1) & hash：计算该key应该存放到table表的哪个索引位置,// (3) p = tab[i = (n - 1) & hash] 把这个位置的对象，赋给 p// (4) 判断p 所在的索引位置是否为null// (4.1) 如果p 为null, 表示还没有存放元素, 就创建一个Node(key="john",value=PRESENT)// (4.2) 将key存放在该位置 tab[i] = newNode(hash, key, value, null)if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)tab[i] = newNode(hash, key, value, null);// newNode()方法：// Node<K,V> newNode(int hash, K key, V value, Node<K,V> next) {// return new Node<>(hash, key, value, next);// }else{......}++modCount; // 计算插入的次数// size 就是每加入一个结点Node(k,v,h,next), size++if (++size > threshold) // 查看添加次数是否到达临界值12resize(); // 扩容afterNodeInsertion(evict);// void afterNodeInsertion(boolean evict) { } 是一个空方法,// 是为了让HashMap的子类,例如LinkedHashMap来实现return null; // 返回null就是存放成功的意思}6.第一次扩容的resize()方法：
因为数组长度为0，所以进入到最后一个else
数组扩容到16，临界值为12=0.75*16
else { // static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // 16newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY; // 16// static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY); // 临界值：12}
}

(二)第二次添加不同的元素

        前面的都一样，只是这次数组长度不为null，是16，所以不会扩容；通过hash(key)方法计算出新的hash值，再根据新的hash值计算存放的索引位置，赋值给p，判断p所在的位置是否为null，为null，就创建新的结点存放进去。

存放成功后，再次返回null给putVal()方法

(三)添加重复的元素

1.仍旧走到了putVal(hash(key), key, value, false, true);方法

先判断数组长度是否为null，不为null，进入到下一个if

2.判断计算出的索引位置，是否为null，不为null，继续跳过下一个if，进入else中的第1个if

3.添加重复值的源码解读： 

else {// 一个开发技巧提示： 在需要局部变量(辅助变量)时候，再创建Node<K,V> e; K k;// 如果当前索引位置,对应的链表的第一个元素,和准备添加的key的hash值一样// 并且满足 下面两个条件之一:// (1) 准备加入的key 和 p 指向的Node 结点的 key 是同一个对象// (2) p 指向的Node 结点的 key 的equals() 和准备加入的key比较后相同// 就不能加入if (p.hash == hash &&((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))e = p;​// 再判断 p 是不是一颗红黑树：// 如果是一颗红黑树，就调用 putTreeVal 来进行添加else if (p instanceof TreeNode)e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);else {// 如果table对应索引位置，已经是一个链表, 就使用for循环比较// (1) 依次和该链表的每一个元素比较后，都不相同, 则加入到该链表的最后//     注意在把元素添加到链表后，立即判断 该链表是否已经达到8个结点,//     就调用 treeifyBin() 对当前这个链表进行树化(转成红黑树)//     注意：在转成红黑树之前，要调用treeifyBin()进行判断, 判断条件://     final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {//         int n, index; Node<K,V> e;//         if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY) //             resize();// static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64;// 如果链表>=7,但是整个数组的长度没有到64，那么不会转成红黑树，// 会执行resize()方法进行扩容//     只有上面条件不成立时(即链表=8 && 数组长度>=64)，才进行转成红黑树// (2) 依次和该链表的每一个元素比较过程中，如果有相同情况,就直接breakfor (int binCount = 0; ; ++binCount) {if ((e = p.next) == null) {p.next = newNode(hash, key, value, null);if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD(8) - 1) // -1 for 1sttreeifyBin(tab, hash);break;}if (e.hash == hash &&((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))break;p = e;}}// 添加重复值走下面的代码：// 注意：这里返回的oldValue是PRESENTif (e != null) { // existing mapping for keyV oldValue = e.value;if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)e.value = value;afterNodeAccess(e);return oldValue;}}// 添加成功走下面的代码：++modCount;// 每新增一个节点就会记录一次，当超过临界值12就会扩容if (++size > threshold)resize();afterNodeInsertion(evict);return null;}

在 HashSet 中，添加重复值时：

  • value 不会更新：

        HashSet 底层是使用 HashMap 来实现的，每个元素作为 HashMap 的键，值是一个固定的常量（PRESENT）。无论你往 HashSet 中添加多少次相同的元素，底层 HashMap 中该元素对应的 value 始终是 PRESENT。

        因此，当添加重复的元素时，value 不会更新，因为值永远是 PRESENT，不会发生变化。

  • key 也不会更新：

        在 HashSet 中，key 是唯一的（即元素是唯一的）。当你第一次添加某个元素时，HashMap 会将该元素作为 key 插入。

        当尝试添加重复的元素时，HashMap 会发现该 key 已经存在，于是不会再重新插入，也不会更新 key。

        所以，key 也不会更新，因为 HashMap 保证键的唯一性，重复添加相同的 key 不会导致键的覆盖或更新。

总结：

  • value：永远是 PRESENT，不会被更新。
  • key：如果 key 已经存在（即元素已经在 HashSet 中），则不会被重新插入或更新。
  • 因此，在 HashSet 中，添加重复的元素不会影响已有的键或值，元素的唯一性得到了保证。 

  1. 先获取元素的哈希值(hashCode方法)
  2. 对哈希值进行运算，得出一个索引值，即为要存放在哈希表中的位置号
  3. 如果该位置上没有其他元素，则直接存放；如果该位置上已经有其他元素，只需要进行equals判断，如果相等，则不再添加。如果不相等但计算后的hash值相同，则以链表的方式添加。
  4. 注意：传入的对象要看是否重写了equals方法，如果重写了，则判断内容相等，不再添加；如果没有重写，则判断地址值，重复的元素可以相加。
  1. HashSet底层是HashMap
  2. 添加一个元素时，先得到hash值，会转成索引值
  3. 找到存储数据表table，看这个索引位置是否已经存放有元素
  4. 如果没有，则直接加入
  5. 如果有，调用equals比较，如果相同，就放弃添加；如果不相同，创建新的结点，添加到最后
  6. 在JDK8中，如果一条链表的元素个数到达TREEIFY_THRESHOLD(默认是8)，并且table的大小>= MIN_TREEIFY_CAPACITY(默认64)，就会进行树化(红黑树)

4.关于扩容的源码解读 

  1. HashSet底层是HashMap，第一次添加时，table数组扩容到16，临界值(threshold)是16*加载因子(loadFactor)是0.75=12
  2. 如果table数组使用到了临界值12，就会扩容到16 * 2 = 32，新的临界值就是32 * 0.75 = 24，以此类推
  3. 注意：table数组使用到了临界值12的意思是，每添加一个元素，size就会++一次，加到12的时候就会扩容，而不是数组索引使用了12位或者使用到了12这个索引!!!!!
  4. 在JDK8中，如果一条链表的元素个数到达TREEIFY_THRESHLOD(默认是8)，并且table的大小>=MIN_TREEIFY_CAPACITY(默认64)，就会进行树化(红黑树)，否则仍然采用数组扩容机制

代码示例：

HashSet hashSet = new HashSet();for(int i = 1; i <= 100; i++) {hashSet.add(i);// 1,2,3,4,5...100}

存放到临界值之前：

存放到临界值之后，进行数组扩容：

数组2倍扩容部分源码：

5.转成红黑树源码解读

设置代码，让元素加到一条链表上

public static void main(String[] args) {HashSet hashSet = new HashSet();for(int i = 1; i <= 12; i++) {hashSet.add(new A(i));//}}
}class A {private int n;public A(int n) {this.n = n;}@Overridepublic int hashCode() {return 100;}
}

HashSet初始大小为null

添加第1个元素落到索引为4的位置上：

添加第2个元素，落入链表的下一个结点：

扩容数组到64后，继续添加

添加前：

添加后，链表变为红黑树：

五、练习题

1.练习1

        定义一个Employee类，该类包含：private成员属性name，age 要求：

  1. 创建3个Employee对象放入HashSet中
  2. 当name和age的值相同时，认为是相同员工，不能添加到HashSet集合中

代码实现：

public class HashSetExercise {public static void main(String[] args) {HashSet hashSet = new HashSet();hashSet.add(new Employee("张三", 20));hashSet.add(new Employee("李四", 25));hashSet.add(new Employee("张三", 20));for (Object o : hashSet) {System.out.println(o);}// Employee{name='张三', age=20}// Employee{name='李四', age=25}}
}class Employee {private String name;private int age;public Employee(String name, int age) {this.name = name;this.age = age;}@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;Employee employee = (Employee) o;return age == employee.age && Objects.equals(name, employee.name);}@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(name, age);}@Overridepublic String toString() {return "Employee{" +"name='" + name + '\'' +", age=" + age +'}';}
}

2.练习2

        定义一个Employee1类，该类包含：private成员属性name，sal，birthday(MyDate类型)，其中birthday为MyDate类型(属性包括：year、month、day)，要求：

  1. 创建3个Employee放入HashSet中
  2. 当name和birthday的值相同时，认为是相同员工，不能添加到HashSet集合中

代码实现：

public class HashSetExercise02 {public static void main(String[] args) {HashSet hashSet = new HashSet();hashSet.add(new Employee1("张三", 2000, new MyDate(1990, 1, 14)));hashSet.add(new Employee1("李四", 2000, new MyDate(1998, 10, 28)));hashSet.add(new Employee1("张三", 2900, new MyDate(1990, 1, 14)));for (Object o : hashSet) {System.out.println(o);}// Employee1{name='张三', sal=2000.0, birthday=MyDate{year=1990, month=1, day=14}}// Employee1{name='李四', sal=2000.0, birthday=MyDate{year=1998, month=10, day=28}}}
}class Employee1 {private String name;private double sal;private MyDate birthday;public Employee1(String name, double sal, MyDate birthday) {this.name = name;this.sal = sal;this.birthday = birthday;}@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;Employee1 employee1 = (Employee1) o;return name.equals(employee1.name) && birthday.equals(employee1.birthday);}@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(name, birthday);}@Overridepublic String toString() {return "Employee1{" +"name='" + name + '\'' +", sal=" + sal +", birthday=" + birthday +'}';}
}class MyDate {private int year;private int month;private int day;public MyDate(int year, int month, int day) {this.year = year;this.month = month;this.day = day;}@Overridepublic boolean equals(Object o) {if (this == o) return true;if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;MyDate myDate = (MyDate) o;return year == myDate.year && month == myDate.month && day == myDate.day;}@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(year, month, day);}@Overridepublic String toString() {return "MyDate{" +"year=" + year +", month=" + month +", day=" + day +'}';}
}

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