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Java 23 集合框架详解:Set 接口及实现类(HashSet、TreeSet、LinkedHashSet)

📚 Java 23 集合框架详解:Set 接口及实现类(HashSetTreeSetLinkedHashSet


📖 概述

Set 是 Java 集合框架中用于存储 无序、不重复元素 的接口。它的实现类包括 HashSetTreeSetLinkedHashSet,它们在底层数据结构、排序规则和性能特性上存在显著差异。

本文将详细介绍 Set 接口及其实现类 的使用案例、底层实现、性能优化方案、多线程优化及注意事项。


🏗️ 1. Set 接口的常用实现类

实现类底层数据结构排序方式是否允许 null线程安全性
HashSet哈希表无序允许
TreeSet红黑树自然顺序/自定义排序不允许
LinkedHashSet哈希表 + 双向链表按插入顺序允许

📋 2. HashSet 详解

2.1 特点

  • 基于哈希表实现,元素按 哈希值 存储,存取效率高。
  • 不保证元素顺序
  • 允许存储一个 null
  • 插入、删除、查找操作的平均时间复杂度为 O(1)

🔧 2.2 使用案例

import java.util.HashSet;public class HashSetExample {public static void main(String[] args) {HashSet<String> set = new HashSet<>();set.add("Alice");set.add("Bob");set.add("Charlie");// 尝试添加重复元素set.add("Alice");// 遍历set.forEach(System.out::println);}
}

输出

Alice
Bob
Charlie

🛠 2.3 优化方案

  1. 指定初始容量和负载因子
    HashSet<String> set = new HashSet<>(16, 0.75f);
    
  2. 避免频繁扩容,设置合适的初始容量,减少性能开销。

⚠️ 2.4 多线程优化

HashSet线程不安全的,可以使用 Collections.synchronizedSet() 方法或 ConcurrentHashMap 来实现线程安全。

import java.util.Collections;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;public class SynchronizedHashSetExample {public static void main(String[] args) {Set<String> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());synchronizedSet.add("Alice");synchronizedSet.add("Bob");synchronized (synchronizedSet) {synchronizedSet.forEach(System.out::println);}}
}

📋 3. TreeSet 详解

3.1 特点

  • 基于红黑树实现,元素按 自然顺序自定义顺序 排序。
  • 不允许存储 null
  • 插入、删除、查找操作的时间复杂度为 O(log n)

🔧 3.2 使用案例

import java.util.TreeSet;public class TreeSetExample {public static void main(String[] args) {TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>();set.add(20);set.add(10);set.add(30);// 遍历set.forEach(System.out::println);}
}

输出

10
20
30
🔧 使用自定义排序
import java.util.TreeSet;
import java.util.Comparator;public class CustomTreeSetExample {public static void main(String[] args) {TreeSet<String> set = new TreeSet<>(Comparator.reverseOrder());set.add("Alice");set.add("Bob");set.add("Charlie");set.forEach(System.out::println);}
}

输出

Charlie
Bob
Alice

🛠 3.3 优化方案

  1. 避免使用 null,因为 TreeSet 不允许存储 null
  2. 选择合适的排序规则,根据业务需求使用 自然顺序自定义排序

⚠️ 3.4 多线程优化

TreeSet线程不安全的,可以使用 Collections.synchronizedSet() 来实现线程安全。

import java.util.Collections;
import java.util.TreeSet;
import java.util.Set;public class SynchronizedTreeSetExample {public static void main(String[] args) {Set<Integer> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new TreeSet<>());synchronizedSet.add(10);synchronizedSet.add(20);synchronized (synchronizedSet) {synchronizedSet.forEach(System.out::println);}}
}

📋 4. LinkedHashSet 详解

4.1 特点

  • 基于哈希表和双向链表实现
  • 保留元素的插入顺序
  • 允许存储一个 null

🔧 4.2 使用案例

import java.util.LinkedHashSet;public class LinkedHashSetExample {public static void main(String[] args) {LinkedHashSet<String> set = new LinkedHashSet<>();set.add("Alice");set.add("Bob");set.add("Charlie");// 遍历set.forEach(System.out::println);}
}

输出

Alice
Bob
Charlie

🛠 4.3 优化方案

  1. 使用 LinkedHashSet 时,考虑内存占用问题,因为双向链表会占用更多内存。
  2. 适用于需要按插入顺序遍历的场景

⚠️ 4.4 多线程优化

LinkedHashSet线程不安全的,可以使用 Collections.synchronizedSet() 来实现线程安全。

import java.util.Collections;
import java.util.LinkedHashSet;
import java.util.Set;public class SynchronizedLinkedHashSetExample {public static void main(String[] args) {Set<String> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new LinkedHashSet<>());synchronizedSet.add("Alice");synchronizedSet.add("Bob");synchronized (synchronizedSet) {synchronizedSet.forEach(System.out::println);}}
}

🔄 5. 三者对比总结

特性HashSetTreeSetLinkedHashSet
底层数据结构哈希表红黑树哈希表 + 双向链表
是否允许 null
排序方式无序自然顺序/自定义排序插入顺序
插入/删除性能O(1)O(log n)O(1)
适用场景快速查找和去重排序数据集保留插入顺序

🎯 6. 选择指南

场景推荐实现类
快速查找和去重HashSet
需要排序的集合TreeSet
需要保留插入顺序的集合LinkedHashSet

⚙️ 7. 总结

  • HashSet 适用于 快速查找和去重 的场景。
  • TreeSet 适用于 需要排序的集合
  • LinkedHashSet 适用于 需要保留插入顺序的集合
http://www.lryc.cn/news/516477.html

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