Java集合干货系列-（五）HashSet源码解析

前言

今天来介绍下HashSet。前面，我们已经系统的对List和Map进行了学习。接下来，我们开始可以学习Set。相信经过Map的了解之后，学习Set会容易很多。毕竟，Set的实现类都是基于Map来实现的(HashSet是通过HashMap实现的)。
构造图如下:
蓝色线条：继承
绿色线条：接口实现

正文

对于HashSet而言，它是基于HashMap来实现的，底层采用HashMap来保存元素。所以如果对HashMap比较熟悉，那么HashSet是so easy!!

HashSet简介

HashSet定义

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

HashSet 是一个没有重复元素的集合。
它是由HashMap实现的，不保证元素的顺序，而且HashSet允许使用 null 元素。
HashSet是非同步的。如果多个线程同时访问一个哈希 set，而其中至少一个线程修改了该 set，那么它必须 保持外部同步。这通常是通过对自然封装该 set 的对象执行同步操作来完成的。如果不存在这样的对象，则应该使用 Collections.synchronizedSet 方法来“包装” set。最好在创建时完成这一操作，以防止对该 set 进行意外的不同步访问：

Set s = Collections.synchronizedSet(new HashSet(...));

HashSet通过iterator()返回的迭代器是fail-fast的。

HashSet属性

// 底层使用HashMap来保存HashSet的元素
    private transient HashMap<E,Object> map;
    // Dummy value to associate with an Object in the backing Map
    // 由于Set只使用到了HashMap的key，所以此处定义一个静态的常量Object类，来充当HashMap的value
    private static final Object PRESENT = new Object();

看到这里就明白了，和我们前面说的一样，HashSet是用HashMap来保存数据，而主要使用到的就是HashMap的key。

看到private static final Object PRESENT = new Object();不知道你有没有一点疑问呢。这里使用一个静态的常量Object类来充当HashMap的value，既然这里map的value是没有意义的，为什么不直接使用null值来充当value呢？比如写成这样子private final Object PRESENT = null;我们都知道的是，Java首先将变量PRESENT分配在栈空间，而将new出来的Object分配到堆空间，这里的new Object()是占用堆内存的（一个空的Object对象占用8byte），而null值我们知道，是不会在堆空间分配内存的。那么想一想这里为什么不使用null值。想到什么吗，看一个异常类java.lang.NullPointerException， 噢买尬，这绝对是Java程序员的一个噩梦，这是所有Java程序猿都会遇到的一个异常，你看到这个异常你以为很好解决，但是有些时候也不是那么容易解决，Java号称没有指针，但是处处碰到NullPointerException。所以啊，为了从根源上避免NullPointerException的出现，浪费8个byte又怎么样，在下面的代码中我再也不会写这样的代码啦if (xxx == null) { … } else {….}，好爽。

HashSet构造函数

/**     * 使用HashMap的默认容量大小16和默认加载因子0.75初始化map，构造一个HashSet     */
     * 使用HashMap的默认容量大小16和默认加载因子0.75初始化map，构造一个HashSet
     */
    public HashSet() {
        map = new HashMap<E,Object>();
    }

    /**     * 构造一个指定Collection参数的HashSet，这里不仅仅是Set，只要实现Collection接口的容器都可以     */
     * 构造一个指定Collection参数的HashSet，这里不仅仅是Set，只要实现Collection接口的容器都可以
     */
    public HashSet(Collection<? extends E> c) {
        map = new HashMap<E,Object>(Math. max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
       // 使用Collection实现的Iterator迭代器，将集合c的元素一个个加入HashSet中
       addAll(c);
    }

    /**     * 使用指定的初始容量大小和加载因子初始化map，构造一个HashSet     */
     * 使用指定的初始容量大小和加载因子初始化map，构造一个HashSet
     */
    public HashSet( int initialCapacity, float loadFactor) {
        map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);
    }

    /**     * 使用指定的初始容量大小和默认的加载因子0.75初始化map，构造一个HashSet     */
     * 使用指定的初始容量大小和默认的加载因子0.75初始化map，构造一个HashSet
     */
    public HashSet( int initialCapacity) {
        map = new HashMap<E,Object>(initialCapacity);
    }

    /**     * 不对外公开的一个构造方法（默认default修饰），底层构造的是LinkedHashMap，dummy只是一个标示参数，无具体意义     */
     * 不对外公开的一个构造方法（默认default修饰），底层构造的是LinkedHashMap，dummy只是一个标示参数，无具体意义
     */
    HashSet( int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
        map = new LinkedHashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);
}

从构造方法可以很轻松的看出，HashSet的底层是一个HashMap，理解了HashMap后，这里没什么可说的。只有最后一个构造方法有写区别，这里构造的是LinkedHashMap，该方法不对外公开，实际上是提供给LinkedHashSet使用的，而第三个参数dummy是无意义的，只是为了区分其他构造方法。

API方法摘要

HashSet源码解析(基于JDK1.6.0_45)

增加和删除

/**     * 利用HashMap的put方法实现add方法     */
     * 利用HashMap的put方法实现add方法
     */
    public boolean add(E e) {
        return map .put(e, PRESENT)== null;
    }

    /**     * 利用HashMap的remove方法实现remove方法     */
     * 利用HashMap的remove方法实现remove方法
     */
    public boolean remove(Object o) {
        return map .remove(o)==PRESENT;
    }

    /**     * 添加一个集合到HashSet中，该方法在AbstractCollection中     */
     * 添加一个集合到HashSet中，该方法在AbstractCollection中
     */
    public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
        boolean modified = false;
       // 取得集合c迭代器Iterator
       Iterator<? extends E> e = c.iterator();
       // 遍历迭代器
        while (e.hasNext()) {
           // 将集合c的每个元素加入到HashSet中
           if (add(e.next()))
              modified = true;
       }
        return modified;
    }
    
    /**     * 删除指定集合c中的所有元素，该方法在AbstractSet中     */
     * 删除指定集合c中的所有元素，该方法在AbstractSet中
     */
    public boolean removeAll(Collection<?> c) {
        boolean modified = false;

        // 判断当前HashSet元素个数和指定集合c的元素个数，目的是减少遍历次数
        if (size() > c.size()) {
            // 如果当前HashSet元素多，则遍历集合c，将集合c中的元素一个个删除
            for (Iterator<?> i = c.iterator(); i.hasNext(); )
                modified |= remove(i.next());
        } else {
            // 如果集合c元素多，则遍历当前HashSet，将集合c中包含的元素一个个删除
            for (Iterator<?> i = iterator(); i.hasNext(); ) {
                if (c.contains(i.next())) {
                    i.remove();
                    modified = true;
                }
            }
        }
        return modified;
}

是否包含

/**     * 利用HashMap的containsKey方法实现contains方法     */
     * 利用HashMap的containsKey方法实现contains方法
     */
    public boolean contains(Object o) {
        return map .containsKey(o);
    }
      
    /**     * 检查是否包含指定集合中所有元素，该方法在AbstractCollection中     */
     * 检查是否包含指定集合中所有元素，该方法在AbstractCollection中
     */
    public boolean containsAll(Collection<?> c) {
       // 取得集合c的迭代器Iterator
       Iterator<?> e = c.iterator();
       // 遍历迭代器，只要集合c中有一个元素不属于当前HashSet，则返回false
        while (e.hasNext())
           if (!contains(e.next()))
               return false;
        return true;
}

由于HashMap基于hash表实现，hash表实现的容器最重要的一点就是可以快速存取，那么HashSet对于contains方法，利用HashMap的containsKey方法，效率是非常之快的。在我看来，这个方法也是HashSet最核心的卖点方法之一。

容量检查

/**     * Returns the number of elements in this set (its cardinality).     *     * @return the number of elements in this set (its cardinality)     */
     * Returns the number of elements in this set (its cardinality).
     *
     * @return the number of elements in this set (its cardinality)
     */
    public int size() {
        return map .size();
    }

    /**     * Returns <tt>true</tt> if this set contains no elements.     *     * @return <tt> true</tt> if this set contains no elements     */
     * Returns <tt>true</tt> if this set contains no elements.
     *
     * @return <tt> true</tt> if this set contains no elements
     */
    public boolean isEmpty() {
        return map .isEmpty();
    }

HashSet遍历方式

通过Iterator遍历HashSet

第一步：根据iterator()获取HashSet的迭代器。
第二步：遍历迭代器获取各个元素。

// 假设set是HashSet对象
for(Iterator iterator = set.iterator();
       iterator.hasNext(); ) { 
    iterator.next();
}

通过for-each遍历HashSet

第一步：根据toArray()获取HashSet的元素集合对应的数组。
第二步：遍历数组，获取各个元素。

// 假设set是HashSet对象，并且set中元素是String类型
String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);
for (String str:arr)
    System.out.printf("for each : %s\n", str);

HashSet示例

下面我们通过实例学习如何使用HashSet

import java.util.Iterator;
import java.util.HashSet;

/* * @desc HashSet常用API的使用。 * * @author skywang */
 * @desc HashSet常用API的使用。
 *
 * @author skywang
 */
public class HashSetTest {
    public static void main(String[] args) {
        // HashSet常用API
        testHashSetAPIs() ;
    }
    /*     * HashSet除了iterator()和add()之外的其它常用API     */
     * HashSet除了iterator()和add()之外的其它常用API
     */
    private static void testHashSetAPIs() {
        // 新建HashSet
        HashSet set = new HashSet();
        // 将元素添加到Set中
        set.add("a");
        set.add("b");
        set.add("c");
        set.add("d");
        set.add("e");
        // 打印HashSet的实际大小
        System.out.printf("size : %d\n", set.size());
        // 判断HashSet是否包含某个值
        System.out.printf("HashSet contains a :%s\n", set.contains("a"));
        System.out.printf("HashSet contains g :%s\n", set.contains("g"));
        // 删除HashSet中的“e”
        set.remove("e");
        // 将Set转换为数组
        String[] arr = (String[])set.toArray(new String[0]);
        for (String str:arr)
            System.out.printf("for each : %s\n", str);
        // 新建一个包含b、c、f的HashSet
        HashSet otherset = new HashSet();
        otherset.add("b");
        otherset.add("c");
        otherset.add("f");
        // 克隆一个removeset，内容和set一模一样
        HashSet removeset = (HashSet)set.clone();
        // 删除“removeset中，属于otherSet的元素”
        removeset.removeAll(otherset);
        // 打印removeset
        System.out.printf("removeset : %s\n", removeset);
        // 克隆一个retainset，内容和set一模一样
        HashSet retainset = (HashSet)set.clone();
        // 保留“retainset中，属于otherSet的元素”
        retainset.retainAll(otherset);
        // 打印retainset
        System.out.printf("retainset : %s\n", retainset);
        // 遍历HashSet
        for(Iterator iterator = set.iterator();iterator.hasNext();) 
            System.out.printf("iterator : %s\n", iterator.next());
        // 清空HashSet
        set.clear();
        // 输出HashSet是否为空
        System.out.printf("%s\n", set.isEmpty()?"set is empty":"set is not empty");
    }

}

运行结果：

size : 5
HashSet contains a :true
HashSet contains g :false
for each : d
for each : b
for each : c
for each : a
removeset : [d, a]
retainset : [b, c]
iterator : d
iterator : b
iterator : c
iterator : a
set is empty

总结

HashSet和HashMap、Hashtable的区别

参考

该文为本人学习的笔记，方便以后自己跳槽前复习。参考网上各大帖子，取其精华整合自己的理解而成。集合框架源码面试经常会问，所以解读源码十分必要,希望对你有用。
java提高篇（二四）—–HashSet
Java 集合系列16之 HashSet详细介绍(源码解析)和使用示例
给jdk写注释系列之jdk1.6容器(6)-HashSet源码解析&Map迭代器

整理的集合框架思维导图

个人整理的Java集合框架思维导图，动态维护。导出的图片无法查看备注的一些信息，所以需要源文件的童鞋可以关注我个人主页上的公众号，回复Java集合框架即可获取源文件。

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