Java集合--Set(基础)

1.Set

上一篇,我们介绍Java中的List集合。本篇,让我们继续学习,来了解下Set集合;

Set继承于Collection接口,是一个不允许出现重复元素,并且无序的集合,主要有HashSet和TreeSet两大实现类。

在判断重复元素的时候,Set集合会调用hashCode()和equal()方法来实现。

HashSet是哈希表结构,主要利用HashMap的key来存储元素,计算插入元素的hashCode来获取元素在集合中的位置;

TreeSet是红黑树结构,每一个元素都是树中的一个节点,插入的元素都会进行排序;

Set集合框架结构:

1.1 Set常用方法

与List接口一样,Set接口也提供了集合操作的基本方法。

但与List不同的是,Set还提供了equals(Object o)和hashCode(),供其子类重写,以实现对集合中插入重复元素的处理;

public interface Set<E> extends Collection<E> {

    A:添加功能
    boolean add(E e);
    boolean addAll(Collection<? extends E> c);

    B:删除功能
    boolean remove(Object o);
    boolean removeAll(Collection<?> c);
    void clear();

    C:长度功能
    int size();

    D:判断功能
    boolean isEmpty();
    boolean contains(Object o);
    boolean containsAll(Collection<?> c);
    boolean retainAll(Collection<?> c); 

    E:获取Set集合的迭代器:
    Iterator<E> iterator();

    F:把集合转换成数组
    Object[] toArray();
    <T> T[] toArray(T[] a);
    
    //判断元素是否重复,为子类提高重写方法
    boolean equals(Object o);
    int hashCode();
}

1.2 HashSet

HashSet实现Set接口,底层由HashMap(后面讲解)来实现,为哈希表结构,新增元素相当于HashMap的key,value默认为一个固定的Object。在我看来,HashSet相当于一个阉割版的HashMap;

当有元素插入的时候,会计算元素的hashCode值,将元素插入到哈希表对应的位置中来;

它继承于AbstractSet,实现了Set, Cloneable, Serializable接口。

(1)HashSet继承AbstractSet类,获得了Set接口大部分的实现,减少了实现此接口所需的工作,实际上是又继承了AbstractCollection类;

(2)HashSet实现了Set接口,获取Set接口的方法,可以自定义具体实现,也可以继承AbstractSet类中的实现;

(3)HashSet实现Cloneable,得到了clone()方法,可以实现克隆功能;

(4)HashSet实现Serializable,表示可以被序列化,通过序列化去传输,典型的应用就是hessian协议。

具有如下特点:

  • 不允许出现重复因素;
  • 允许插入Null值;
  • 元素无序(添加顺序和遍历顺序不一致);
  • 线程不安全,若2个线程同时操作HashSet,必须通过代码实现同步;

1.3 HashSet基本操作

HashSet底层由HashMap实现,插入的元素被当做是HashMap的key,根据hashCode值来确定集合中的位置,由于Set集合中并没有角标的概念,所以并没有像List一样提供get()方法。当获取HashSet中某个元素时,只能通过遍历集合的方式进行equals()比较来实现;

public class HashSetTest {
    public static void main(String[] agrs){
        //创建HashSet集合:
        Set<String> hashSet = new HashSet<String>();
        System.out.println("HashSet初始容量大小:"+hashSet.size());

        //元素添加:
        hashSet.add("my");
        hashSet.add("name");
        hashSet.add("is");
        hashSet.add("jiaboyan");
        hashSet.add(",");
        hashSet.add("hello");
        hashSet.add("world");
        hashSet.add("!");
        System.out.println("HashSet容量大小:"+hashSet.size());

        //迭代器遍历:
        Iterator<String> iterator = hashSet.iterator();
        while (iterator.hasNext()){
            String str = iterator.next();
            System.out.println(str);
        }
        //增强for循环
        for(String str:hashSet){
            if("jiaboyan".equals(str)){
                System.out.println("你就是我想要的元素:"+str);
            }
            System.out.println(str);
        }

        //元素删除:
        hashSet.remove("jiaboyan");
        System.out.println("HashSet元素大小:" + hashSet.size());
        hashSet.clear();
        System.out.println("HashSet元素大小:" + hashSet.size());

        //集合判断:
        boolean isEmpty = hashSet.isEmpty();
        System.out.println("HashSet是否为空:" + isEmpty);
        boolean isContains = hashSet.contains("hello");
        System.out.println("HashSet是否为空:" + isContains);
    }
}

1.4 HashSet元素添加分析

Set集合不允许添加重复元素,那么到底是个怎么情况呢?

来看一个简单的例子:

public class HashSetTest {

    public static void main(String[] agrs){
        //hashCode() 和 equals()测试:
        hashCodeAndEquals();
    }
    public static void hashCodeAndEquals(){
        //第一个 Set集合:
        Set<String> set1 = new HashSet<String>();
        String str1 = new String("jiaboyan");
        String str2 = new String("jiaboyan");
        set1.add(str1);
        set1.add(str2);
        System.out.println("长度:"+set1.size()+",内容为:"+set1);

        //第二个 Set集合:
        Set<App> set2 = new HashSet<App>();
        App app1 = new App();
        app1.setName("jiaboyan");

        App app2 = new App();
        app2.setName("jiaboyan");

        set2.add(app1);
        set2.add(app2);
        System.out.println("长度:"+set2.size()+",内容为:"+set2);

        //第三个 Set集合:
        Set<App> set3 = new HashSet<App>();
        App app3 = new App();
        app3.setName("jiaboyan");
        set3.add(app3);
        set3.add(app3);
        System.out.println("长度:"+set3.size()+",内容为:"+set3);
    }
}

测试结果:

长度:1,内容为:[jiaboyan]
长度:2,内容为:[com.jiaboyan.collection.App@efb78af, com.jiaboyan.collection.App@5f3306ad]
长度:1,内容为:[com.jiaboyan.collection.App@1fb030d8]

可以看到,第一个Set集合中最终只有一个元素;第二个Set集合保留了2个元素;第三个集合也只有1个元素;

究竟是什么原因呢?

让我们来看看HashSet的add(E e)方法:

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

在底层HashSet调用了HashMap的put(K key, V value)方法:

public V put(K key, V value) {
    if (table == EMPTY_TABLE) {
        inflateTable(threshold);
    }
    if (key == null)
        return putForNullKey(value);
    int hash = hash(key);
    int i = indexFor(hash, table.length);
    for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) {
        Object k;
        if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k))) {
            V oldValue = e.value;
            e.value = value;
            e.recordAccess(this);
            return oldValue;
        }
    }
    modCount++;
    addEntry(hash, key, value, i);
    return null;
}

通过查看以上的源码,我们可以了解到:实际的逻辑都是在HashMap的put()方法中。

int hash = hash(key) 对传入的key计算hash值;

int i = indexFor(hash, table.length) 对hash值进行转换,转换成数组的index(HashMap中底层存储使用了Entry<K,V>[]数组);

for (Entry<K,V> e = table[i]; e != null; e = e.next) 判断对应index下是否存在元素;

如果存在,则if(e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))判断;

如果不存在,则addEntry(hash, key, value, i)直接添加;

简单概括如下:

在向HashMap中添加元素时,先判断key的hashCode值是否相同,如果相同,则调用equals()、==进行判断,若相同则覆盖原有元素;如果不同,则直接向Map中添加元素;

反过来,我们在看下上面的例子:

在第一个Set集合中,我们new了两个String对象,赋了相同的值。当传入到HashMap中时,key均为“jiaboyan”,所以hash和i的值都相同。进行if (e.hash == hash && ((k = e.key) == key || key.equals(k)))判断,由于String对象重写了equals()方法,所以在((k = e.key) == key || key.equals(k))判断时,返回了true,所以第二次的插入并不会增加Set集合的长度;

第二个Set集合中,也是new了两个对象,但没有重写equals()方法(底层调用的Object的equals(),也就是==判断),所以会增加2个元素;

第三个Set集合中,只new了一个对象,调用的两次add方法都添加的这个新new的对象,所以也只是保留了1个元素;

1.5 TreeSet

从名字上可以看出,此集合的实现和树结构有关。与HashSet集合类似,TreeSet也是基于Map来实现,具体实现TreeMap(后面讲解),其底层结构为红黑树(特殊的二叉查找树);

与HashSet不同的是,TreeSet具有排序功能,分为自然排序(123456)和自定义排序两类,默认是自然排序;在程序中,我们可以按照任意顺序将元素插入到集合中,等到遍历时TreeSet会按照一定顺序输出--倒序或者升序;

它继承AbstractSet,实现NavigableSet, Cloneable, Serializable接口。

(1)与HashSet同理,TreeSet继承AbstractSet类,获得了Set集合基础实现操作;

(2)TreeSet实现NavigableSet接口,而NavigableSet又扩展了SortedSet接口。这两个接口主要定义了搜索元素的能力,例如给定某个元素,查找该集合中比给定元素大于、小于、等于的元素集合,或者比给定元素大于、小于、等于的元素个数;简单地说,实现NavigableSet接口使得TreeSet具备了元素搜索功能;

(3)TreeSet实现Cloneable接口,意味着它也可以被克隆;

(4)TreeSet实现了Serializable接口,可以被序列化,可以使用hessian协议来传输;

具有如下特点:

  • 对插入的元素进行排序,是一个有序的集合(主要与HashSet的区别);
  • 底层使用红黑树结构,而不是哈希表结构;
  • 允许插入Null值;
  • 不允许插入重复元素;
  • 线程不安全;

1.6 TreeSet基本操作

public class TreeSetTest {
    public static void main(String[] agrs){
        TreeSet<String> treeSet = new TreeSet<String>();
        System.out.println("TreeSet初始化容量大小:"+treeSet.size());

        //元素添加:
        treeSet.add("my");
        treeSet.add("name");
        treeSet.add("jiaboyan");
        treeSet.add("hello");
        treeSet.add("world");
        treeSet.add("1");
        treeSet.add("2");
        treeSet.add("3");
        System.out.println("TreeSet容量大小:" + treeSet.size());
        System.out.println("TreeSet元素顺序为:" + treeSet.toString());

        //增加for循环遍历:
        for(String str:treeSet){
            System.out.println("遍历元素:"+str);
        }

        //迭代器遍历:升序
        Iterator<String> iteratorAesc = treeSet.iterator();
        while(iteratorAesc.hasNext()){
            String str = iteratorAesc.next();
            System.out.println("遍历元素升序:"+str);
        }

        //迭代器遍历:降序
        Iterator<String> iteratorDesc = treeSet.descendingIterator();
        while(iteratorDesc.hasNext()){
            String str = iteratorDesc.next();
            System.out.println("遍历元素降序:"+str);
        }

        //元素获取:实现NavigableSet接口
        String firstEle = treeSet.first();//获取TreeSet头节点:
        System.out.println("TreeSet头节点为:" + firstEle);

        // 获取指定元素之前的所有元素集合:(不包含指定元素)
        SortedSet<String> headSet = treeSet.headSet("jiaboyan");
        System.out.println("jiaboyan节点之前的元素为:"+headSet.toString());

        //获取给定元素之间的集合:(包含头,不包含尾)
        SortedSet subSet = treeSet.subSet("1","world");
        System.out.println("1--jiaboan之间节点元素为:"+subSet.toString());

        //集合判断:
        boolean isEmpty = treeSet.isEmpty();
        System.out.println("TreeSet是否为空:"+isEmpty);
        boolean isContain = treeSet.contains("who");
        System.out.println("TreeSet是否包含who元素:"+isContain);

        //元素删除:
        boolean jiaboyanRemove = treeSet.remove("jiaboyan");
        System.out.println("jiaboyan元素是否被删除"+jiaboyanRemove);
        
        //集合中不存在的元素,删除返回false
        boolean whoRemove = treeSet.remove("who");
        System.out.println("who元素是否被删除"+whoRemove);

       //删除并返回第一个元素:如果set集合不存在元素,则返回null
        String pollFirst = treeSet.pollFirst();
        System.out.println("删除的第一个元素:"+pollFirst);
        
        //删除并返回最后一个元素:如果set集合不存在元素,则返回null
        String pollLast = treeSet.pollLast();
        System.out.println("删除的最后一个元素:"+pollLast);


        treeSet.clear();//清空集合:
    }
}

1.7 TreeSet元素排序

在前面的章节,我们讲到了TreeSet是一个有序集合,可以对集合元素排序,其中分为自然排序和自定义排序,那么这两种方式如何实现呢?

首先,我们通过JDK提供的对象来展示,我们使用String、Integer:

public class TreeSetTest {
    public static void main(String[] agrs){
        naturalSort();
    }

    //自然排序顺序:升序
    public static void naturalSort(){
        TreeSet<String> treeSetString = new TreeSet<String>();
        treeSetString.add("a");
        treeSetString.add("z");
        treeSetString.add("d");
        treeSetString.add("b");
        System.out.println("字母顺序:" + treeSetString.toString());

        TreeSet<Integer> treeSetInteger = new TreeSet<Integer>();
        treeSetInteger.add(1);
        treeSetInteger.add(24);
        treeSetInteger.add(23);
        treeSetInteger.add(6);
        System.out.println(treeSetInteger.toString());
        System.out.println("数字顺序:" + treeSetString.toString());
    }
}

测试结果:

字母顺序:[a, b, d, z]
数字顺序:[1, 6, 23, 24]

接下来,我们自定义对象,看能否实现:

public class App{

    private String name;

    private Integer age;

    public App(){}

    public App(String name,Integer age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Integer getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }

    public static void main(String[] args ){
        System.out.println( "Hello World!" );
    }
}

public class TreeSetTest {
    public static void main(String[] agrs){
        customSort();
    }

     //自定义排序顺序:升序
    public static void customSort(){
        TreeSet<App> treeSet = new TreeSet<App>();

        //排序对象:
        App app1 = new App("hello",10);
        App app2 = new App("world",20);
        App app3 = new App("my",15);
        App app4 = new App("name",25);

        //添加到集合:
        treeSet.add(app1);
        treeSet.add(app2);
        treeSet.add(app3);
        treeSet.add(app4);
        System.out.println("TreeSet集合顺序为:"+treeSet);
    }
}

测试结果:

抛出异常:提示App不能转换为Comparable对象:
Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException: com.jiaboyan.collection.App cannot be cast to java.lang.Comparable

为什么会报错呢?

compare(key, key); // type (and possibly null) check

final int compare(Object k1, Object k2) {
    return comparator==null ? ((Comparable<? super K>)k1).compareTo((K)k2)
        : comparator.compare((K)k1, (K)k2);
}

通过查看源码发现,在TreeSet调用add方法时,会调用到底层TreeMap的put方法,在put方法中会调用到compare(key, key)方法,进行key大小的比较;

在比较的时候,会将传入的key进行类型强转,所以当我们自定义的App类进行比较的时候,自然就会抛出异常,因为App类并没有实现Comparable接口;

将App实现Comparable接口,在做比较:

public class App implements Comparable<App>{
    private String name;
    private Integer age;
    public App(){}
    public App(String name,Integer age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public Integer getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }
    //自定义比较:先比较name的长度,在比较age的大小;
    public int compareTo(App app) {
        //比较name的长度:
        int num = this.name.length() - app.name.length();
        //如果name长度一样,则比较年龄的大小:
        return num == 0 ? this.age - app.age : num;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "App{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

测试结果如下:

TreeSet集合顺序为:[App{name='my', age=15}, App{name='name', age=25}, App{name='hello', age=10}, App{name='world', age=20}]

此外,还有另一种方式,那就是实现Comparetor<t>接口,并重写compare方法;

//自定义App类的比较器:
public class AppComparator implements Comparator<App> {

    //比较方法:先比较年龄,年龄若相同在比较名字长度;
    public int compare(App app1, App app2) {
        int num = app1.getAge() - app2.getAge();
        return num == 0 ? app1.getName().length() - app2.getName().length() : num;
    }
}

此时,App不用在实现Comparerable接口了,单纯的定义一个类即可;

public class App{

    private String name;

    private Integer age;

    public App(){}

    public App(String name,Integer age){
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Integer getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }

    public static void main(String[] args ){
        System.out.println( "Hello World!" );
    }
}

public class TreeSetTest {
    public static void main(String[] agrs){
        customSort();
    }

    //自定义比较器:升序
    public static void customComparatorSort(){
        TreeSet<App> treeSet = new TreeSet<App>(new AppComparator());
        
        //排序对象:
        App app1 = new App("hello",10);
        App app2 = new App("world",20);
        App app3 = new App("my",15);
        App app4 = new App("name",25);
        
        //添加到集合:
        treeSet.add(app1);
        treeSet.add(app2);
        treeSet.add(app3);
        treeSet.add(app4);

        System.out.println("TreeSet集合顺序为:"+treeSet);
    }
}

测试结果:

TreeSet集合顺序为:[App{name='hello', age=10}, App{name='my', age=15}, App{name='world', age=20}, App{name='name', age=25}]

最后,在说下关于compareTo()、compare()方法:

结果返回大于0时,方法前面的值大于方法中的值;

结果返回等于0时,方法前面的值等于方法中的值;

结果返回小于0时,方法前面的值小于方法中的值;

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