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Java Set系列集合详解：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet底层原理与使用场景

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一、Set系列集合概述

1. 核心特点

• 无序性：存取顺序不一致（LinkedHashSet除外）。
• 唯一性：元素不重复。
• 无索引：无法通过索引直接访问元素，不能使用普通for循环遍历。

2. 常见实现类

实现类	特点	底层数据结构
HashSet	无序、唯一、无索引	哈希表（数组+链表/红黑树）
LinkedHashSet	有序（存取顺序一致）、唯一	哈希表+双向链表
TreeSet	可排序（自然或自定义）、唯一	红黑树

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二、Set接口常用方法

Set继承自Collection接口，常用方法如下：

方法	说明
boolean add(E e)	添加元素，成功返回true
void clear()	清空集合
boolean remove(E e)	删除指定元素
`boolean contains(Object)	判断是否包含元素
int size()	返回集合元素个数

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三、各实现类详解

1. HashSet

底层原理

• JDK8前：数组 + 链表。
• JDK8后：数组 + 链表 + 红黑树（链表长度≥8且数组长度≥64时触发转换）。
• 哈希值计算：通过重写hashCode()和equals()保证元素唯一性。

扩容机制

• 默认初始容量：16。
• 加载因子：0.75（当元素数量达到容量的75%时触发扩容）。

代码示例

Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("A");
set.add("A"); // 添加失败
System.out.println(set); // 输出无序，如 [A, B]

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2. LinkedHashSet

核心特点

• 继承自HashSet，通过双向链表维护插入顺序。
• 性能略低于HashSet，但遍历效率更高。

代码示例

LinkedHashSet<String> linkedSet = new LinkedHashSet<>();
linkedSet.add("B");
linkedSet.add("A");
System.out.println(linkedSet); // 输出顺序固定为 [B, A]

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3. TreeSet

排序规则

• 自然排序：元素需实现Comparable接口，重写compareTo()。
• 比较器排序：创建TreeSet时传入Comparator自定义规则。

代码示例

// 自然排序（按年龄升序）
TreeSet<Student> treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add(new Student("Tom", 20));
treeSet.add(new Student("Alice", 18));
// 输出按年龄排序：Alice(18) → Tom(20)

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四、补充知识点

1. 线程安全性

• HashSet、TreeSet、LinkedHashSet均非线程安全。
• 解决方案：使用Collections.synchronizedSet()包装。

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

2. 哈希冲突解决策略

• 链地址法（HashSet采用）：冲突元素以链表形式存储。
• 开放寻址法：线性探测或二次探测。

3. 红黑树简介

• 一种自平衡二叉查找树，保证插入、删除、查找的时间复杂度为O(log n)。
• 特性：节点颜色交替、根节点为黑、叶子节点为黑、任意路径黑节点数相同。

4. 性能对比

操作	HashSet	LinkedHashSet	TreeSet
插入	O(1)	O(1)	O(log n)
删除	O(1)	O(1)	O(log n)
查询	O(1)	O(1)	O(log n)
有序性	无	插入顺序	自然/自定义

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五、应用场景总结

场景	推荐集合
去重且无需顺序	HashSet
去重且保留插入顺序	LinkedHashSet
去重且需排序	TreeSet
高频查询	HashSet
需要线程安全	Collections.synchronizedSet()

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六、常见面试题

1. HashSet如何保证元素唯一？
   通过hashCode()和equals()方法：先比较哈希值，再通过equals判断内容是否相同。

2. TreeSet两种排序方式如何选择？

   • 默认使用自然排序（需实现Comparable）。
   • 若类无法修改或需多规则排序，使用Comparator。

3. HashSet和HashMap的关系？
   HashSet底层基于HashMap实现，元素存储为HashMap的键（值固定为PRESENT占位对象）。

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