【Java基础-44.3】Java Set集合接口详解：实现类继承关系与常用方法

1. Set接口概述

Set 是Java集合框架（Java Collections Framework）中定义在 java.util 包下的核心接口，它代表一个不允许重复元素且不保证顺序（部分实现类例外）的集合。Set接口继承自 Collection 接口，是处理唯一性数据的理想选择。

核心特性：

• 唯一性：自动过滤重复元素（依赖 equals() 和 hashCode()）
• 无序性：默认不保证元素的插入或访问顺序（LinkedHashSet 和 TreeSet 例外）
• 元素判等：依赖对象内容而非内存地址（需正确重写对象的方法）

---

2. Set接口的继承关系

Set接口及其实现类的继承关系图：

«interface»

Collection

+add(E e)

+remove(Object o)

+contains(Object o)

+size()

+isEmpty()

«interface»

Set

+add(E e)

+remove(Object o)

+contains(Object o)

+size()

+isEmpty()

HashSet

+HashSet()

+HashSet(Collection c)

«interface»

SortedSet

+first()

+last()

+comparator()

TreeSet

+TreeSet()

+TreeSet(Comparator comparator)

LinkedHashSet

+LinkedHashSet()

+LinkedHashSet(Collection c)

继承关系解析：

• Collection：所有集合类的根接口，定义了集合的基本操作。
• Set：继承自 Collection，表示不允许重复元素的集合。
• HashSet：基于哈希表实现，无序且性能最佳。
• LinkedHashSet：继承自 HashSet，保留插入顺序。
• SortedSet：继承自 Set，表示有序集合。
• TreeSet：基于红黑树实现，元素按自然顺序或自定义顺序排序。

---

3. Set接口的常用方法

3.1 基础操作

方法	功能描述	示例
add(E e)	添加元素，成功返回true	set.add("Java");
remove(Object o)	删除指定元素	set.remove("Python");
contains(Object o)	检查元素是否存在	if(set.contains(42)){...}
size()	返回元素数量	int count = set.size();
isEmpty()	判断集合是否为空	if(set.isEmpty()){...}

3.2 批量操作

// 添加其他集合元素
Set<String> fruits = new HashSet<>(Arrays.asList("Apple", "Orange"));
Set<String> moreFruits = new HashSet<>(Arrays.asList("Grape", "Mango"));
fruits.addAll(moreFruits); // 合并集合

// 保留交集
fruits.retainAll(Arrays.asList("Apple", "Banana"));

// 删除包含元素
fruits.removeAll(Arrays.asList("Grape", "Mango"));

3.3 遍历与流操作

迭代遍历：

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

Lambda表达式（Java 8+）：

set.forEach(element -> System.out.println(element));

转换为数组：

String[] arr = set.toArray(new String[0]);

---

4. Set的实现类详解

4.1 HashSet

• 底层实现：基于哈希表（HashMap实例，存储方式为 (key, PRESENT)）
• 性能：插入、删除、查找操作时间复杂度为 O(1)
• 无序性：元素顺序由哈希算法决定
• 线程不安全：需用 Collections.synchronizedSet() 包装

Set<String> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add("Apple");
hashSet.add("Banana");
System.out.println(hashSet); // 输出顺序不确定，如 [Banana, Apple]

4.2 LinkedHashSet

• 底层实现：哈希表 + 双向链表（继承自HashSet）
• 特性：保留元素插入顺序
• 性能：略慢于HashSet（维护链表开销）

Set<String> linkedSet = new LinkedHashSet<>();
linkedSet.add("Red");
linkedSet.add("Green");
System.out.println(linkedSet); // 保证输出 [Red, Green]

4.3 TreeSet

• 底层实现：红黑树（自平衡二叉查找树）
• 特性：元素自然排序或通过Comparator自定义排序
• 性能：插入、删除、查找操作时间复杂度为 O(log n)

Set<Integer> treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add(5);
treeSet.add(2);
System.out.println(treeSet); // 输出 [2, 5]（自然排序）

---

5. 使用场景与选择策略

5.1 典型应用场景

• 去重处理：从集合中快速剔除重复数据
• 成员检查：高效判断元素是否存在（优于List）
• 数学运算：交集（retainAll）、并集（addAll）、差集（removeAll）
• 有序需求：TreeSet 用于排序，LinkedHashSet 保持插入顺序

5.2 实现类选择指南

• HashSet：通用场景，最高性能的无序集合
• LinkedHashSet：需要记录插入/访问顺序时使用
• TreeSet：需自然排序或自定义排序时选用

---

6. 关键注意事项

6.1 对象相等性要求

• 自定义对象必须正确重写 equals() 和 hashCode() 方法
• 示例：Person类去重需根据ID而非内存地址

public class Person {
    private int id;
    private String name;

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (!(o instanceof Person)) return false;
        Person person = (Person) o;
        return id == person.id;
    }

    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(id);
    }
}

6.2 线程安全问题

• 所有标准Set实现均非线程安全

• 解决方案：

  Set<String> syncSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());
  // 或使用并发集合
  Set<String> concurrentSet = new ConcurrentHashMap.newKeySet();
  

6.3 性能优化建议

• 初始化容量：预估元素数量避免扩容（默认初始容量16，负载因子0.75）

  Set<String> optimizedSet = new HashSet<>(100); // 初始容量100
  

• TreeSet排序：自定义Comparator提升比较效率

---

7. 总结

Set接口作为处理唯一性数据的核心工具，通过HashSet、LinkedHashSet和TreeSet三大实现类满足不同场景需求。开发者应根据具体需求在性能、排序和顺序保留之间做出权衡。正确理解哈希机制与对象相等性判断是高效使用Set的关键，而线程安全问题和初始化优化则是实际开发中需要特别注意的要点。掌握这些知识将帮助您构建更健壮、高效的Java应用程序。