HashSet、LinkedHashSet、TreeSet的内部实现简介

在写这篇博客之前，本人已经介绍了HashMap（HashMap内部存储实现及HashTable比较）、LinkedHashMap（LinkedHashMap内部实现）、TreeMap（TreeMap内部实现简介）。考虑到即将介绍的三种Set类型是基于上述Map类型的，于是直接归纳其关联，这样简洁明了。

1、HashSet继承AbstractSet类，实现了Set等接口，但最重要的是HashSet是基于HashMap来实现的。先看构造函数：

/**
         * 默认构造函数
         * 初始化一个空的HashMap，并使用默认初始容量为16和加载因子0.75。
         */
        public HashSet() {
            map = new HashMap<>();
        }

        /**
         * 构造一个包含指定 collection 中的元素的新 set。
         */
        public HashSet(Collection<? extends E> c) {
            map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));
            addAll(c);
        }

        /**
         * 构造一个新的空 set，其底层 HashMap 实例具有指定的初始容量和指定的加载因子
         */
        public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
            map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
        }

        /**
         * 构造一个新的空 set，其底层 HashMap 实例具有指定的初始容量和默认的加载因子（0.75）。
         */
        public HashSet(int initialCapacity) {
           map = new HashMap<>(initialCapacity);
        }

        /**
         * 以指定的initialCapacity和loadFactor构造一个新的空链接哈希集合。
         * dummy 为标识 该构造函数主要作用是对LinkedHashSet起到一个支持作用
         */
        HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
           map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
        }

从各个构造函数可以看出，HashSet在构造时都会构造出一个HashMap。HashSet将数据存储到HashMap的key中，因为key是不可重复的，这就满足了HashSet中的值不会重复；而HashMap中的值会放入一个虚拟的object对象。正是由于HashSet是基于HashMap实现的，它的相关操作都是直接调用底层的HashMap的相关方法来实现的。HashSet源代码如下：

/** 
     * 返回对此set中元素进行迭代的迭代器。返回元素的顺序并不是特定的。 
     * @return 对此set中元素进行迭代的Iterator。 
     */  
    public Iterator<E> iterator() {  
    return map.keySet().iterator();  
    }  
  
    /** 
     * 返回此set中的元素的数量（set的容量）。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的size()方法返回Entry的数量，就得到该Set中元素的个数。 
     * @return 此set中的元素的数量（set的容量）。 
     */  
    public int size() {  
    return map.size();  
    }  
  
    /** 
     * 如果此set不包含任何元素，则返回true。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的isEmpty()判断该HashSet是否为空。 
     * @return 如果此set不包含任何元素，则返回true。 
     */  
    public boolean isEmpty() {  
    return map.isEmpty();  
    }  
  
    /** 
     * 如果此set包含指定元素，则返回true。 
     * 更确切地讲，当且仅当此set包含一个满足(o==null ? e==null : o.equals(e)) 
     * 的e元素时，返回true。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的containsKey判断是否包含指定key。 
     * @param o 在此set中的存在已得到测试的元素。 
     * @return 如果此set包含指定元素，则返回true。 
     */  
    public boolean contains(Object o) {  
    return map.containsKey(o);  
    }  
  
    /** 
     * 如果此set中尚未包含指定元素，则添加指定元素。 
     * 更确切地讲，如果此 set 没有包含满足(e==null ? e2==null : e.equals(e2)) 
     * 的元素e2，则向此set 添加指定的元素e。 
     * 如果此set已包含该元素，则该调用不更改set并返回false。 
     * 
     * 底层实际将将该元素作为key放入HashMap。 
     * 由于HashMap的put()方法添加key-value对时，当新放入HashMap的Entry中key 
     * 与集合中原有Entry的key相同（hashCode()返回值相等，通过equals比较也返回true）， 
     * 新添加的Entry的value会将覆盖原来Entry的value，但key不会有任何改变， 
     * 因此如果向HashSet中添加一个已经存在的元素时，新添加的集合元素将不会被放入HashMap中， 
     * 原来的元素也不会有任何改变，这也就满足了Set中元素不重复的特性。 
     * @param e 将添加到此set中的元素。 
     * @return 如果此set尚未包含指定元素，则返回true。 
     */  
    public boolean add(E e) {  
    return map.put(e, PRESENT)==null;  
    }  
  
    /** 
     * 如果指定元素存在于此set中，则将其移除。 
     * 更确切地讲，如果此set包含一个满足(o==null ? e==null : o.equals(e))的元素e， 
     * 则将其移除。如果此set已包含该元素，则返回true 
     * （或者：如果此set因调用而发生更改，则返回true）。（一旦调用返回，则此set不再包含该元素）。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的remove方法删除指定Entry。 
     * @param o 如果存在于此set中则需要将其移除的对象。 
     * @return 如果set包含指定元素，则返回true。 
     */  
    public boolean remove(Object o) {  
    return map.remove(o)==PRESENT;  
    }  
  
    /** 
     * 从此set中移除所有元素。此调用返回后，该set将为空。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的clear方法清空Entry中所有元素。 
     */  
    public void clear() {  
    map.clear();  
    }  
  
    /** 
     * 返回此HashSet实例的浅表副本：并没有复制这些元素本身。 
     * 
     * 底层实际调用HashMap的clone()方法，获取HashMap的浅表副本，并设置到HashSet中。 
     */  
    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();  
        }  
    }  
}

2、LinkedHashSet

LinkedHashSet继承了HashSet，又基于LinkedHashMap来实现。LinkedHashSet底层使用LinkedHashMap的key来保存所有元素，从而维护着一个运行于所有元素的双向链表。该双向链表定义了迭代顺序，该顺序分为插入顺序和访问顺序（具体请看：LinkedHashMap内部实现）。因为它继承了父类HashSet，所以它的所有操作方法都与HashSet相同，直接调用父类的方法即可。其中，HashSet还专为LinkedHashSet提供了构造方法，由于包访问权限，并未对外公开。代码如下：

/** 
     * 以指定的initialCapacity和loadFactor构造一个新的空链接哈希集合。  
     * 
     * 实际底层会以指定的参数构造一个空LinkedHashMap实例来实现。 
     * @param initialCapacity 初始容量。 
     * @param loadFactor 加载因子。 
     * @param dummy 标记。 
     */  
    HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {  
    map = new LinkedHashMap<E,Object>(initialCapacity, loadFactor);  
    }  

3、TreeSet

TreeSet继承自AbstractSet，又基于TreeMap实现，因为TreeSet底层使用一个TreeMap，它的元素存储在TreeMap的key中，保证了不可重复性。同时，TreeSet中的元素也是排好序的，操作的时间复杂度也与TreeMap相同。与HashSet类似的是，TreeSet的大部分方法也是直接调用TreeMap中的方法。（关于TreeMap，请看：TreeMap内部实现）。其中，TreeSet的构造函数代码如下所示：

public class TreeSet<E> extends AbstractSet<E> 
    implements NavigableSet<E>, Cloneable, java.io.Serializable 
 { 
    // 使用 NavigableMap 的 key 来保存 Set 集合的元素
    private transient NavigableMap<E,Object> m; 
    // 使用一个 PRESENT 作为 Map 集合的所有 value。
    private static final Object PRESENT = new Object(); 
    // 包访问权限的构造器，以指定的 NavigableMap 对象创建 Set 集合
    TreeSet(NavigableMap<E,Object> m) 
    { 
        this.m = m; 
    } 
    public TreeSet()                                      // 默认构造函数
    { 
        // 以自然排序方式创建一个新的 TreeMap，
        // 根据该 TreeSet 创建一个 TreeSet，
        // 使用该 TreeMap 的 key 来保存 Set 集合的元素
        this(new TreeMap<E,Object>()); 
    } 
    public TreeSet(Comparator<? super E> comparator) 
    { 
        // 以定制排序方式创建一个新的 TreeMap，
        // 根据该 TreeSet 创建一个 TreeSet，
        // 使用该 TreeMap 的 key 来保存 Set 集合的元素
        this(new TreeMap<E,Object>(comparator)); 
    } 
    public TreeSet(Collection<? extends E> c) 
    { 
        // 调用默认构造函数创建一个 TreeSet，底层以 TreeMap 保存集合元素
        this(); 
        // 向 TreeSet 中添加 Collection 集合 c 里的所有元素
        addAll(c); 
    } 
    public TreeSet(SortedSet<E> s) 
    { 
        //调用含有比较器参数的构造函数
        this(s.comparator()); 
        // 向 TreeSet 中添加 SortedSet 集合 s 里的所有元素
        addAll(s); 
    } 
    //TreeSet 的其他方法都只是直接调用 TreeMap 的方法来提供实现
    ... 
}