057_泛型类 / 泛型方法 / 泛型接口

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。与List不同，Set不允许存储重复元素（通过元素的equals()方法判断重复），且没有索引概念（不支持通过下标访问元素）。

Set接口的核心实现类包括HashSet、TreeSet和LinkedHashSet，它们在底层结构、有序性、去重机制和性能上存在显著差异，适用于不同的业务场景。

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——通过HashMap的key存储元素（value为固定空对象）。其核心特点是利用哈希表的特性实现快速查找和去重。

• 去重机制：添加元素时，先通过元素的hashCode()方法计算哈希值，定位到哈希表中的桶位置；再通过equals()方法比较桶中元素，若两者均相等则视为重复元素，拒绝添加。
• 初始容量与加载因子：默认初始容量为16，加载因子为0.75（当元素数量超过容量×加载因子时，触发扩容，容量翻倍）。

建议插入图片位置：此处可插入一张“HashSet底层哈希表示意图”，展示哈希表的桶结构，元素通过哈希值定位到桶，桶中无重复元素，标注“hashCode()定位桶”“equals()去重”的核心逻辑，直观呈现去重原理。

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（哈希表随机分布），迭代顺序不确定 不可重复 通过hashCode()和equals()判断元素重复，拒绝添加重复元素 查询高效 平均查询、添加、删除时间复杂度为O(1)（哈希表直接定位） 无索引 不支持通过下标访问元素，无get(int index)方法 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（如ConcurrentModificationException） 存储null 允许存储一个null元素（哈希表中null的哈希值为0）

2.3 常用方法示例

import java.util.HashSet;import java.util.Set;public class HashSetDemo { public static void main(String[] args) { Set<String> set = new HashSet<>(); // 添加元素（重复元素会被过滤） set.add(\"Apple\"); set.add(\"Banana\"); set.add(\"Apple\"); // 重复元素，添加失败 System.out.println(\"集合元素：\" + set); // [Apple, Banana]（顺序可能不同） // 判断元素是否存在 boolean contains = set.contains(\"Banana\"); System.out.println(\"是否包含Banana：\" + contains); // true // 删除元素 set.remove(\"Apple\"); System.out.println(\"删除后元素：\" + set); // [Banana] // 遍历元素（无固定顺序） for (String s : set) { System.out.println(s); } }}

2.4 注意事项与适用场景

• 元素必须重写hashCode()和equals()：否则无法正确去重（默认使用Object的方法，仅比较地址）。重写规则：equals()相等的元素，hashCode()必须相等；hashCode()相等的元素，equals()可不等（哈希冲突）。
• 适用场景：需快速去重、查询频繁且不关注元素顺序的场景（如存储用户ID、过滤重复数据）。

三、TreeSet详解

3.1 底层结构与核心原理

TreeSet是基于红黑树（自平衡二叉查找树） 实现的Set接口，其核心特点是元素有序且不可重复。红黑树通过节点间的比较关系维持有序性，保证增删查操作的时间复杂度为O(log n)。

• 有序性实现：元素需实现Comparable接口（自然排序），或通过构造器传入Comparator比较器（定制排序），通过compareTo()或compare()方法确定元素顺序。
• 去重机制：若比较结果为0（表示两元素相等），则视为重复元素，拒绝添加（无需依赖hashCode()和equals()）。

建议插入图片位置：此处可插入一张“TreeSet底层红黑树示意图”，展示红黑树的节点结构，节点按比较规则有序排列（如从小到大），标注“左小右大”的二叉查找树特性和“平衡调整”机制，直观呈现有序存储的原理。

3.2 核心特点

特点 说明 有序性 元素按自然排序或定制排序规则存储，迭代顺序为排序后的顺序 不可重复 通过比较器或Comparable接口的结果去重（比较结果为0则视为重复） 性能稳定 增删查操作时间复杂度为O(log n)（红黑树平衡特性） 无索引 不支持下标访问，可通过first()、last()等方法获取首尾元素 线程不安全 非同步实现，多线程环境需额外同步处理 不存储null JDK 7+后允许存储null，但需确保排序逻辑支持（否则可能抛NullPointerException）

3.3 常用方法示例

示例1：自然排序（元素实现Comparable）

import java.util.TreeSet;import java.util.Set;// 元素类实现Comparable接口（自然排序）class Student implements Comparable<Student> { private String name; private int age; public Student(String name, int age) { this.name = name; this.age = age; } // 按年龄排序 @Override public int compareTo(Student o) { return this.age - o.age; // 正数：当前元素大；0：相等；负数：当前元素小 } @Override public String toString() { return name + \"(\" + age + \")\"; }}public class TreeSetDemo1 { public static void main(String[] args) { Set<Student> set = new TreeSet<>(); set.add(new Student(\"Alice\", 20)); set.add(new Student(\"Bob\", 18)); set.add(new Student(\"Charlie\", 22)); // 迭代顺序为按年龄排序后的结果 for (Student s : set) { System.out.println(s); // Bob(18) → Alice(20) → Charlie(22) } }}

示例2：定制排序（传入Comparator）

import java.util.TreeSet;import java.util.Comparator;public class TreeSetDemo2 { public static void main(String[] args) { // 按字符串长度排序（定制排序） Set<String> set = new TreeSet<>(Comparator.comparingInt(String::length)); set.add(\"apple\"); // 5 set.add(\"banana\"); // 6 set.add(\"pear\"); // 4 for (String s : set) { System.out.println(s); // pear(4) → apple(5) → banana(6) } }}

3.4 适用场景

• 需要有序存储的场景（如排行榜、按规则排序的数据集）。
• 频繁需要范围查询的场景（如获取小于/大于某值的元素，通过subSet()等方法实现）。
• 元素可通过比较规则定义相等性的场景。

四、LinkedHashSet详解

4.1 底层结构与核心原理

LinkedHashSet是HashSet的子类，底层基于哈希表+双向链表实现。哈希表保证元素快速查找和去重，双向链表记录元素的插入顺序，因此兼具HashSet的查询效率和LinkedList的插入顺序维护特性。

• 结构继承：继承HashSet，内部通过LinkedHashMap实现（哈希表+链表），链表记录元素插入的先后关系。
• 性能特点：查询效率与HashSet接近，但因维护链表额外开销，插入和删除性能略低；迭代顺序为元素的插入顺序。

建议插入图片位置：此处可插入一张“LinkedHashSet底层结构示意图”，展示哈希表的桶结构，同时通过双向链表将元素按插入顺序连接，标注“哈希表：快速查询”“双向链表：维护插入顺序”的双重特性，直观呈现有序+高效的结合。

4.2 核心特点

特点 说明 有序性 维护元素的插入顺序，迭代顺序与插入顺序一致（区别于HashSet的无序） 不可重复 同HashSet，依赖元素的hashCode()和equals()方法去重 查询高效 哈希表支持快速查找，时间复杂度O(1)（与HashSet相当） 线程不安全 非同步实现，多线程并发修改需额外同步 内存开销 比HashSet大（需存储链表指针）

4.3 常用方法示例

import java.util.LinkedHashSet;import java.util.Set;public class LinkedHashSetDemo { public static void main(String[] args) { Set<String> set = new LinkedHashSet<>(); // 添加元素（维护插入顺序） set.add(\"Java\"); set.add(\"Python\"); set.add(\"C++\"); set.add(\"Java\"); // 重复元素，添加失败 // 迭代顺序与插入顺序一致 System.out.println(\"集合元素：\" + set); // [Java, Python, C++] // 其他方法与HashSet一致 set.remove(\"Python\"); System.out.println(\"删除后元素：\" + set); // [Java, C++] }}

4.4 适用场景

• 需要有序且去重的场景（如日志记录、历史记录追踪）。
• 迭代频率高且需保持插入顺序的场景（避免HashSet的随机迭代顺序）。
• 既需要快速查询，又需要顺序访问的场景。

五、HashSet、TreeSet、LinkedHashSet对比

维度 HashSet TreeSet LinkedHashSet 底层结构 哈希表（HashMap） 红黑树（自平衡二叉树） 哈希表+双向链表（LinkedHashMap） 有序性 无序（迭代顺序随机） 自然排序/定制排序 插入顺序（迭代与插入一致） 去重机制 hashCode()+equals() Comparable/Comparator（比较结果为0） hashCode()+equals() 线程安全性 不安全 不安全 不安全 增删查性能 快（O(1)） 稳定（O(log n)） 较快（O(1)，略低于HashSet） 内存开销 低（仅哈希表） 中（红黑树节点） 高（哈希表+链表指针） 核心优势 查询高效 有序存储 有序+查询高效结合 适用场景 去重+快速查询，无需有序 有序存储+范围查询 去重+插入顺序维护

建议插入图片位置：此处可插入一张“三者核心特性对比表图”，将上述维度以表格形式可视化，用不同颜色标注各实现类的优势领域（如HashSet的“查询高效”、TreeSet的“有序存储”），帮助快速选择适用类。

六、使用注意事项

1. 去重逻辑一致性：

   • HashSet和LinkedHashSet需确保元素重写hashCode()和equals()，且两者逻辑一致（equals()相等则hashCode()必须相等）。
   • TreeSet需保证排序逻辑与equals()一致（避免比较结果为0但equals()不等的情况，否则可能出现逻辑矛盾）。

2. 线程安全处理：三者均为线程不安全，多线程环境下可通过Collections.synchronizedSet(new HashSet())包装，或使用ConcurrentSkipListSet（线程安全的有序Set）。

3. 元素不可变性：存储在Set中的元素应尽量不可变（如String、基本类型包装类），若元素属性修改可能导致哈希值变化或排序异常，破坏Set的一致性。

4. 初始容量设置：HashSet和LinkedHashSet可通过构造器指定初始容量和加载因子（如new HashSet(100, 0.75f)），减少扩容次数提升性能。

七、总结

Set接口的三大实现类各有侧重，选择时需根据核心需求判断：

• 无需有序，追求查询效率 → HashSet（日常开发首选）。
• 需要有序存储或范围查询 → TreeSet（依赖排序规则）。
• 需要保持插入顺序且去重 → LinkedHashSet（平衡有序与效率）。

理解三者的底层结构和特性，能帮助在去重、有序性、性能之间做出最优选择，提升集合操作的效率和代码可读性。