050_Set接口（HashSet / TreeSet / LinkedHashSet）
一、Set 接口概述
Set是 Java 集合框架中无序、不可重复的集合接口，继承自Collection接口。其核心特性是：
- 不可重复性：集合中不允许存储重复元素（通过equals()方法判断是否重复）。
- 无序性：元素存储顺序与插入顺序无关（TreeSet和LinkedHashSet除外，有特殊有序性）。
- 允许存储null元素，但最多只能有一个null（因不可重复）。
Set接口没有提供额外的方法，所有方法均继承自Collection，主要实现类包括HashSet、TreeSet和LinkedHashSet，三者在底层结构、有序性和性能上差异显著。
二、HashSet 详解
2.1 底层结构与核心原理
HashSet是Set接口最常用的实现类，底层基于哈希表（HashMap） 实现（JDK 8 + 中哈希表为 “数组 + 链表 / 红黑树” 结构）。其核心原理是：
- 元素存储在HashMap的key位置（value为固定常量），利用HashMap的key不可重复特性实现去重。
- 通过元素的hashCode()方法计算哈希值，确定元素在哈希表中的存储位置；通过equals()方法判断元素是否重复。
2.2 核心特点
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 无序性 | 元素存储顺序与插入顺序无关（哈希值决定存储位置，不保证顺序） |
| 不可重复性 | 依赖hashCode()和equals()方法去重：若两元素hashCode()相等且equals()返回true，则视为重复 |
| 性能优异 | 新增（add()）、查询（contains()）、删除（remove()）操作的平均时间复杂度为O(1) |
| 允许 null | 最多存储一个null元素（因不可重复） |
| 线程不安全 | 非同步实现，多线程并发修改可能导致数据异常 |
2.3 去重原理与关键方法重写
HashSet的去重逻辑依赖元素的hashCode()和equals()方法，必须同时重写这两个方法才能保证去重正确性：
- 第一步：计算元素的hashCode()，确定在哈希表中的存储桶位置。
- 第二步：若桶中已有元素，通过equals()方法逐一比较，若返回true则视为重复，不存储；否则存入桶中（哈希冲突时以链表或红黑树形式存储）。
示例：自定义对象去重
import java.util.HashSet;
import java.util.Objects;// 自定义类（需重写hashCode和equals）
class Student {private String id;private String name;public Student(String id, String name) {this.id = id;this.name = name;}// 重写hashCode：以id作为哈希计算依据（id相同则哈希值相同）@Overridepublic int hashCode() {return Objects.hash(id);}// 重写equals：id相同则视为同一对象@Overridepublic boolean equals(Object obj) {if (this == obj) return true;if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;Student student = (Student) obj;return Objects.equals(id, student.id);}
}public class HashSetDemo {public static void main(String[] args) {HashSet<Student> set = new HashSet<>();set.add(new Student("001", "张三"));set.add(new Student("001", "李四")); // id重复，视为重复元素，不存储set.add(new Student("002", "王五"));System.out.println(set.size()); // 输出：2（去重后保留2个元素）}
}
2.4 适用场景
- 需快速去重且对元素顺序无要求的场景（如存储用户 ID、标签集合）。
- 新增、查询、删除操作频繁的场景（依赖哈希表的高效性能）。
三、LinkedHashSet 详解
3.1 底层结构与核心原理
LinkedHashSet是HashSet的子类，底层基于哈希表（HashMap）+ 双向链表实现。其核心改进是：
- 继承HashSet的哈希表结构，保证去重和查询性能。
- 通过双向链表维护元素的插入顺序，使集合迭代时按插入顺序返回元素。
链表的每个节点记录前一个和后一个元素的引用，因此迭代遍历速度比HashSet更快（无需遍历哈希表中的空桶）。
3.2 核心特点
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 有序性 | 元素按插入顺序存储和迭代（链表维护顺序，哈希表保证去重） |
| 不可重复性 | 同HashSet，依赖hashCode()和equals()方法去重 |
| 性能 | 新增、删除性能略低于HashSet（需额外维护链表指针），迭代性能更高 |
| 内存开销 | 比HashSet大（需存储链表节点的前后引用） |
| 线程不安全 | 同HashSet，非同步实现 |
3.3 与 HashSet 的对比
| 维度 | HashSet | LinkedHashSet |
|---|---|---|
| 顺序 | 无序（哈希值决定位置） | 有序（插入顺序，链表维护） |
| 迭代速度 | 较慢（可能遍历空桶） | 较快（链表顺序迭代，无空桶） |
| 内存占用 | 较低（仅哈希表） | 较高（哈希表 + 链表） |
| 适用场景 | 无顺序要求的去重 | 需保留插入顺序的去重 |
3.4 适用场景
- 需去重且需保留元素插入顺序的场景（如日志记录、历史操作轨迹）。
- 频繁迭代遍历的场景（链表迭代效率更高）。
四、TreeSet 详解
4.1 底层结构与核心原理
TreeSet是Set接口中唯一可排序的实现类，底层基于红黑树（TreeMap） 实现。其核心特性是：
- 元素存储在TreeMap的key位置，利用红黑树的自平衡排序特性保证元素有序。
- 元素需按指定规则排序（自然排序或定制排序），不允许存储无法比较的元素。
4.2 排序方式
- 自然排序（默认）
元素所属类实现Comparable接口，重写compareTo(T o)方法定义排序规则：
class User implements Comparable<User> {private String name;private int age;// 按年龄升序排序，年龄相同则按姓名排序@Overridepublic int compareTo(User o) {if (this.age != o.age) {return this.age - o.age; // 年龄升序}return this.name.compareTo(o.name); // 姓名字典序}
}
- 定制排序（外部比较器）
创建TreeSet时传入Comparator接口实现类，定义排序规则（无需元素类实现Comparable）：
// 按年龄降序排序的比较器
Comparator<User> ageDescComparator = (u1, u2) -> u2.age - u1.age;// 使用定制排序创建TreeSet
Set<User> treeSet = new TreeSet<>(ageDescComparator);
4.3 核心特点
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 有序性 | 元素按排序规则存储（非插入顺序），默认升序，可通过比较器定制 |
| 不可重复性 | 通过比较器结果去重：若compareTo()或compare()返回0，视为重复元素 |
| 性能 | 新增、删除、查询时间复杂度为O(log n)（红黑树平衡操作开销） |
| 无 null 元素 | 不允许存储null（排序时无法比较null，会抛出NullPointerException） |
| 线程不安全 | 非同步实现，多线程需额外同步处理 |
4.4 适用场景
- 需对元素排序的场景（如排行榜、成绩排序、区间查询）。
- 需按自定义规则去重和排序的场景（如按对象属性去重 + 排序）。
五、HashSet、TreeSet、LinkedHashSet 对比
| 维度 | HashSet | TreeSet | LinkedHashSet |
|---|---|---|---|
| 底层结构 | 哈希表（数组 + 链表 / 红黑树） | 红黑树 | 哈希表 + 双向链表 |
| 有序性 | 无序（哈希值决定） | 有序（排序规则） | 有序（插入顺序） |
| 去重依据 | hashCode()+equals() | compareTo()/compare() | hashCode()+equals() |
| 新增 / 删除性能 | 最高（O(1)） | 中（O(log n)） | 中（略低于 HashSet） |
| 迭代性能 | 中（可能遍历空桶） | 中（红黑树中序遍历） | 最高（链表顺序迭代） |
| 是否允许 null | 允许（最多 1 个） | 不允许 | 允许（最多 1 个） |
| 典型应用场景 | 快速去重，无序需求 | 排序场景，区间查询 | 去重 + 保留插入顺序 |
六、使用注意事项
- 重写hashCode()和equals()的规范（针对 HashSet/LinkedHashSet）：
- 若两元素equals()返回true，则hashCode()必须相等（否则哈希表会视为不同元素，导致重复存储）。
- 若两元素hashCode()相等，equals()可返回false（哈希冲突，通过链表 / 红黑树存储）。
- TreeSet 的排序一致性：
- 排序规则（compareTo()/compare()）需与equals()保持一致：若compareTo()返回0，则equals()应返回true（否则会出现 “逻辑重复但未去重” 的矛盾）。
- 线程安全性：
- 三者均为线程不安全集合，多线程并发修改需通过Collections.synchronizedSet()包装，或使用ConcurrentHashMap（JDK 8+）的相关实现。
- 性能优化：
- HashSet初始化时指定容量（避免频繁扩容）。
- 避免在TreeSet中存储无法比较的元素（会抛出ClassCastException）。
七、总结
Set接口的三大实现类各有侧重，选择时需结合顺序需求、性能需求和去重规则：
- HashSet：优先选择，适用于无序、快速去重场景，性能最优。
- LinkedHashSet：需保留插入顺序时使用，迭代性能优于 HashSet，内存开销略高。
- TreeSet：需排序或区间查询时使用，依赖比较器实现有序性和去重。
理解三者的底层结构（哈希表 / 红黑树 / 链表）是掌握其特性的核心，合理选择可显著提升集合操作
的效率和代码可读性。