Java Set集合详解：特性、实现与底层原理

一、Set集合概述

Set接口是Java集合框架中重要的组成部分，它与List接口一样继承自Collection接口，但具有以下显著特性：

1. 元素唯一性：Set集合不允许包含重复元素
2. 无序性：元素存储顺序与添加顺序无关（LinkedHashSet除外）
3. 无索引：不能通过索引访问元素，不能使用普通for循环遍历

二、Set集合常用实现类

1. HashSet

基本特性

• 基于哈希表实现（实际上是HashMap的实例）
• 查询速度非常快
• 元素无序存储
• 允许null元素

底层数据结构

在JDK不同版本中，HashSet的底层实现有所不同：

• JDK1.8之前：数组 + 链表
• JDK1.8及之后：数组 + 链表 + 红黑树

哈希表结构解析

哈希表由以下部分组成：

1. 数组：存储元素的基础结构
2. 链表：解决哈希冲突
3. 红黑树：当链表长度达到阈值（默认为8）时转换为红黑树，提高查询效率

哈希值

• 哈希值是JDK根据对象地址、字符串或数字计算出的int类型数值
• 获取方式：通过Object类的hashCode()方法
• String类重写了hashCode()方法，内容相同的字符串哈希值相同

添加元素流程

1. 调用对象的hashCode()方法计算哈希值
2. 根据哈希值计算元素在数组中的存储位置
3. 判断该位置是否已有元素：
   • 若无，直接存入
   • 若有，比较哈希值：
     • 哈希值不同：存入
     • 哈希值相同：调用equals()方法比较内容：
       • 内容不同：存入
       • 内容相同：不存储

存储自定义对象

要保证HashSet正确识别自定义对象的唯一性，必须：

1. 重写hashCode()方法
2. 重写equals()方法

示例：

@Override
public boolean equals(Object o) {
    if (this == o) return true;
    if (!(o instanceof Student)) return false;
    Student student = (Student) o;
    if (age != student.age) return false;
    return name.equals(student.name);
}

@Override
public int hashCode() {
    int result = name.hashCode();
    result = 31 * result + age;
    return result;
}

2. LinkedHashSet

基本特性

• HashSet的子类
• 维护元素插入顺序的双向链表
• 具有可预知的迭代顺序
• 性能略低于HashSet

与HashSet的区别

LinkedHashSet在HashSet的基础上增加了一个双向链表，用于记录元素的插入顺序。

使用示例

Set<String> demo = new LinkedHashSet<>();
demo.add("hello");
demo.add("world");
demo.add("ni");
demo.add("hao");
demo.add("hello");

for (String content : demo) {
    System.out.println(content);
}

三、Set集合遍历方式

由于Set没有索引，遍历方式与List不同：

1. 迭代器遍历：

Iterator<String> it = set.iterator();
while(it.hasNext()) {
    System.out.println(it.next());
}

2. 增强for循环：

for(String s : set) {
    System.out.println(s);
}

四、Set与List的主要区别

五、最佳实践

1. 需要存储唯一元素时使用Set
2. 不关心顺序时使用HashSet以获得最佳性能
3. 需要保持插入顺序时使用LinkedHashSet
4. 存储自定义对象时务必正确实现hashCode()和equals()方法
5. 在JDK1.8+环境下，HashSet的性能优化（红黑树）会自动生效

六、总结

Set集合通过哈希表实现提供了高效的元素存储和查询能力，其唯一性和无序性是区别于List的核心特征。理解HashSet的底层实现原理（哈希表、哈希值计算、红黑树转换）对于正确使用Set集合至关重要。LinkedHashSet在HashSet的基础上增加了顺序维护能力，适用于需要保持插入顺序的场景。