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深入理解 Java Set 集合：原理、应用与高频面试题解析

article 2025/1/7 4:30:49

深入理解 Java Set 集合：原理、应用与高频面试题解析

在 Java 中，Set 是一种重要的集合接口，用于存储不重复的元素。无论是在实际开发中，还是在面试场景中，Set 都是一个高频的知识点。本篇文章将详细介绍 Java Set 集合的基础知识、常见实现类、应用场景以及面试常考题，最后通过总结帮助大家快速掌握 Set 的核心内容。

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1. 什么是 Set 集合？

Set 是 Java 集合框架中的一个接口，用于表示不允许重复的元素集合。与 List 不同，Set 不关心元素的顺序，更多关注元素的唯一性。

Set 的主要特点：

元素唯一性：任何重复的元素都不会被加入到集合中。
无序性（部分实现例外）：多数 Set 实现类无法保证元素的插入顺序。
线程不安全：Set 默认不是线程安全的，如果需要线程安全版本，可以使用 Collections.synchronizedSet() 或 ConcurrentSkipListSet。

2. Set 的常用实现类

Java 提供了三种常用的 Set 实现类，它们各有特点，适用于不同的应用场景。

实现类	特点	应用场景
HashSet	基于哈希表实现，操作效率高，存储顺序不可预测	快速去重，处理无序集合
LinkedHashSet	继承自 HashSet，内部使用链表维护插入顺序	保留插入顺序的去重集合
TreeSet	基于红黑树实现，元素按自然顺序或自定义排序存储	需要有序的集合，快速排序集合

示例代码：

以下代码展示了三种 Set 实现的基本用法：

import java.util.*;

public class SetExample {
    public static void main(String[] args) {
        // HashSet 示例
        Set<String> hashSet = new HashSet<>();
        hashSet.add("Apple");
        hashSet.add("Banana");
        hashSet.add("Apple"); // 重复元素不会添加
        System.out.println("HashSet: " + hashSet);

        // LinkedHashSet 示例
        Set<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
        linkedHashSet.add("Dog");
        linkedHashSet.add("Cat");
        linkedHashSet.add("Dog"); // 重复元素不会添加
        System.out.println("LinkedHashSet: " + linkedHashSet);

        // TreeSet 示例
        Set<Integer> treeSet = new TreeSet<>();
        treeSet.add(3);
        treeSet.add(1);
        treeSet.add(2);
        System.out.println("TreeSet (Sorted): " + treeSet);
    }
}

输出结果：

HashSet: [Banana, Apple]
LinkedHashSet: [Dog, Cat]
TreeSet (Sorted): [1, 2, 3]

3. Set 的底层实现原理

3.1 HashSet

HashSet 基于 HashMap 实现，元素存储在 HashMap 的 key 部分，而 value 是一个固定值（PRESENT）。
使用 hashCode() 和 equals() 方法保证元素唯一性。

3.2 LinkedHashSet

LinkedHashSet 继承自 HashSet，使用链表维护元素的插入顺序。
元素存储方式与 HashSet 相同，但保留了顺序。

3.3 TreeSet

TreeSet 基于红黑树实现，支持自然排序（Comparable）或自定义排序（Comparator）。
不允许存储 null 值。

4. 高频面试题解析

4.1 Set 的主要实现类及其区别？

答： Set 的主要实现类包括：

HashSet：无序、不重复，基于哈希表实现，时间复杂度 O(1)。
LinkedHashSet：有序、不重复，保留插入顺序，性能略低于 HashSet。
TreeSet：排序、不重复，基于红黑树，时间复杂度 O(log n)。

4.2 HashSet 如何保证元素唯一性？

答：
HashSet 使用 hashCode() 和 equals() 方法来保证元素的唯一性：

当两个对象的 hashCode() 不同，它们会被存储在不同的哈希桶中。
当两个对象的 hashCode() 相同，但 equals() 方法返回 false，则会存储在同一哈希桶的链表中。

4.3 如何自定义对象的唯一性规则？

答：
在自定义对象时，需要重写 hashCode() 和 equals() 方法。示例如下：

import java.util.*;

class Person {
    String name;
    int age;

    Person(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }

    @Override
    public boolean equals(Object obj) {
        if (this == obj) return true;
        if (obj == null || getClass() != obj.getClass()) return false;
        Person person = (Person) obj;
        return age == person.age && Objects.equals(name, person.name);
    }

    @Override
    public String toString() {
        return name + "(" + age + ")";
    }
}

public class CustomObjectSet {
    public static void main(String[] args) {
        Set<Person> set = new HashSet<>();
        set.add(new Person("Alice", 25));
        set.add(new Person("Bob", 30));
        set.add(new Person("Alice", 25)); // 重复对象不会添加
        System.out.println("Set 集合: " + set);
    }
}

4.4 如何在多线程环境中使用 Set？

答：

使用 Collections.synchronizedSet()：

Set<String> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());

使用 ConcurrentSkipListSet：
- 线程安全且有序，基于跳表实现。

5. 总结

Set 的核心特点：
- 不允许重复元素。
- 实现类（HashSet、LinkedHashSet、TreeSet）满足不同需求：快速操作、有序性、排序。
面试中常考点：
- HashSet 的底层实现（基于 HashMap）。
- TreeSet 的排序规则（自然排序或自定义排序）。
- 自定义对象的唯一性规则（重写 hashCode() 和 equals()）。
- Set 的线程安全实现（synchronizedSet、ConcurrentSkipListSet）。
使用建议：
- 需要快速去重时，使用 HashSet。
- 需要保留插入顺序时，使用 LinkedHashSet。
- 需要排序时，使用 TreeSet。
- 如果需要线程安全，优先选择 ConcurrentSkipListSet。