Java集合，HashSet底层实现和原理

概述

文章的内容基于JDK1.7进行分析，之因此选用这个版本，是由于1.8的有些类作了改动，增长了阅读的难度，虽然是1.7，可是对于1.8作了重大改动的内容，文章也会进行说明。

HashSet是Set接口的典型实现，HashSet按照Hash算法来存储集合中的元素。存在如下特色：

• 不能保证元素的顺序，元素是无序的
• HashSet不是同步的，须要外部保持线程之间的同步问题
• 集合元素值容许为null

数据结构

继承关系

java.lang.Object 
    java.util.AbstractCollection<E> 
        java.util.AbstractSet<E> 
            java.util.HashSet<E>

实现接口

Serializable, Cloneable, Iterable<E>, Collection<E>, Set<E>

基本属性

private transient HashMap<E,Object> map;  //map集合，HashSet存放元素的容器
private static final Object PRESENT = new Object(); //map，中键对应的value值

重要方法深度解析

构造方法

//无参构造方法，完成map的建立
public HashSet() {
    map = new HashMap<>();
}
//指定集合转化为HashSet, 完成map的建立
public HashSet(Collection<? extends E> c) {
   map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
   addAll(c);
}
//指定初始化大小，和负载因子
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}
//指定初始化大小
public HashSet(int initialCapacity) {
    map = new HashMap<>(initialCapacity);
}
//指定初始化大小和负载因子，dummy 无实际意义
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
    map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
}

经过构造函数，不难发现，HashSet的底层是采用HashMap实现的。

Add()方法

public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
}

PRESENT为HashSet类中定义的一个使用static final 修饰的常量，并没有实际的意义，HashSet的add方法调用HashMap的put()方法实现，若是键已经存在，map.put()放回的是旧值，添加失败，若是添加成功map.put()方法返回的是null ,HashSet.add()方法返回true,要添加的元素可做为map中的key 。

remove()

public boolean remove(Object o) {
    return map.remove(o)==PRESENT;
}

删除方法，调用map.remove()方法实现，map.remove()能找到指定的key,则返回key对应的value,对于Hashset而言，它全部的key对应的值都是PRESENT。

源码解析

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

    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L; //序列化版本号

    private transient HashMap<E,Object> map;  //HashMap变量，用于存放HashSet的值

    private static final Object PRESENT = new Object(); //map中的值

    //构造方法
    public HashSet() {
        map = new HashMap<>();
    }

    //构造方法，将指定的集合转化为HashSet
    public HashSet(Collection<? extends E> c) {
        map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
        addAll(c);
    }

    //构造方法，指定初始化的大小和负载因子
    public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
        map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }
    //指定初始化大小
    public HashSet(int initialCapacity) {
        map = new HashMap<>(initialCapacity);
    }

    //构造方法，采用default修饰，只能是同一个包下的成员访问。包不相同没法访问
    HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
        map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }

    //HashSet的遍历操做
    //经过这个方法能够发现，HashSet调用了HashMap存放，由于HashSet并非键值对存储，因此它只是把它的值作了Map中的键，在遍历HashSet的集合元素时，其实是遍历的Map中Key的集合。
    public Iterator<E> iterator() {
        return map.keySet().iterator();
    }

    //返回集合中元素的容量
    public int size() {
        return map.size();
    }

    //判断是否为空
    public boolean isEmpty() {
        return map.isEmpty();
    }

    //是否包含指定的元素
    public boolean contains(Object o) {
        return map.containsKey(o);
    }

    //添加元素，添加的元素做为了Map中的key,value使用了一个常量表示
    public boolean add(E e) {
        return map.put(e, PRESENT)==null;
    }

    //删除元素
    public boolean remove(Object o) {
        return map.remove(o)==PRESENT;
    }

    //清空集合
    public void clear() {
        map.clear();
    }

    //克隆方法
    public Object clone() {
        try {
            HashSet<E> newSet = (HashSet<E>) super.clone();
            newSet.map = (HashMap<E, Object>) map.clone();
            return newSet;
        } catch (CloneNotSupportedException e) {
            throw new InternalError();
        }
    }

    //写入输出流操做。
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)
        throws java.io.IOException {
        // Write out any hidden serialization magic
        s.defaultWriteObject();

        // Write out HashMap capacity and load factor
        s.writeInt(map.capacity());
        s.writeFloat(map.loadFactor());

        // Write out size
        s.writeInt(map.size());

        // Write out all elements in the proper order.
        for (E e : map.keySet())
            s.writeObject(e);
    }

    //从输入流中读取对象
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException {
        // Read in any hidden serialization magic
        s.defaultReadObject();

        // Read in HashMap capacity and load factor and create backing HashMap
        int capacity = s.readInt();
        float loadFactor = s.readFloat();
        map = (((HashSet)this) instanceof LinkedHashSet ?
               new LinkedHashMap<E,Object>(capacity, loadFactor) :
               new HashMap<E,Object>(capacity, loadFactor));

        // Read in size
        int size = s.readInt();

        // Read in all elements in the proper order.
        for (int i=0; i<size; i++) {
            E e = (E) s.readObject();
            map.put(e, PRESENT);
        }
    }
}

总结

• HashSet的底层经过HashMap实现的。而HashMap在1.7以前使用的是数组+链表实现，在1.8+使用的数组+链表+红黑树实现。其实也能够这样理解，HashSet的底层实现和HashMap使用的是相同的方式，由于Map是无序的，所以HashSet也没法保证顺序。
• HashSet的方法，也是借助HashMap的方法来实现的。