Java 集合--快速掌握涵盖三大场景实现的Set集合底层原理

掌握Map集合相当于同时掌握了Set集合。

Set集合底层实现--委派成员变量Map集合完成具体实现。

Set 集合概览

在 Java 集合框架中，Set 表示不包含重复元素的集合类型。

本文讲解三种常用实现：HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet。

1. Set 接口概述

定义：java.util.Set<E> 继承自 Collection<E>，用于存储无重复元素的集合。

核心特性：元素唯一性。

常见操作：

• add(E e)、remove(Object o)、contains(Object o)
• 批量操作：addAll、removeAll、retainAll
• 遍历：增强 for、迭代器

2. 基本实现对比

Set类的这三种实现类的实现逻辑，都是通过委派给内部的Map集合对象来实现具体处理逻辑，完全屏蔽了调用者对Set集合细节的感知。

类似于可重入锁，在 ReentrantLock（或 ReentrantReadWriteLock）中，所有对外的方法（lock()、unlock()……）都是简单地委派给内部的 Sync sync（FairSync 或 NonfairSync）来执行，完全屏蔽了调用者对 AQS 细节的感知。

HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet三者对比：

Set类	底层结构	特性	允许 null	迭代顺序
HashSet	HashMap<E,Object>	无序、高效	是	不确定（受 hash 冲突和容量影响）
LinkedHashSet	LinkedHashMap<E,Object>	插入顺序(无访问顺序)	是	插入顺序(无访问顺序)
TreeSet	TreeMap<E,Object>	有序、排序、范围操作	否	元素排序顺序

2 HashSet 集合

2.1. 底层数据结构

底层维护一个 HashMap<E, Object>，实际的value值为静态常量 PRESENT，这样Set集合的所有key指向同一个静态常量PRESENT，避免浪费内存空间。

private transient HashMap<E,Object> map;

private static final Object PRESENT = new Object();

public HashSet() {
	map = new HashMap<>();
}

public boolean add(E e) {
	return map.put(e, PRESENT)==null;
}

HashSet委派成员变量HashMap 来完成底层实现，在整个类的实现中，只需要关注HashMap的key如何处理即可。

比如，Set集合迭代的过程只需要迭代key即可

public Iterator<E> iterator() {
	return map.keySet().iterator();
}

2.2. 应用与注意

适用场景：快速去重、大量元素的快速查找。

注意点：集合元素的类需要实现hashCode和equals方法，这跟HashMap的key对象特性一致。

学习HashSet前，可以先掌握HashMap。往期文章可视化的讲过了HashMap集合。

3 LinkedHashSet 详解

LinkedHashSet 继承于HashSet，LinkedHashSet所有构造方法都是使用父类来完成对象创建，源码如下：

public class LinkedHashSet<E>
    extends HashSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable {

	...

    public LinkedHashSet(int initialCapacity, float loadFactor) {
        super(initialCapacity, loadFactor, true);
    }

	...
}

public class HashSet<E>
    extends AbstractSet<E>
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable{

	...

    HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) {
        map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);
    }

	...
}

细心的会发现，构成方法中有个参数boolean dummy，是没有被使用到的！！这很重要！！

然而LinkedHashSet 所有构造方法都是调用HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) 来完成对象实例化的，也就是说LinkedHashSet无法通过构造方法使用LinkedHashMap集合的访问顺序，也无法直接实现LRU缓存，因为默认accessOrder始终为false，并且也无法指定accessOrder为true。

public LinkedHashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
	super(initialCapacity, loadFactor);
	accessOrder = false;
}

但是LinkedHashSet构造方法默认都给了个true，有点迷惑人的设计和默认值。尽管他在方法上做了说明：@param dummy被忽略（区分这一点）。

为什么不需要访问顺序特性？

Set集合并不需要这种“最近用过”的跟踪——它们只需要保证不重复，或者按插入顺序迭代就够了。并且Set集合没有提供get方法访问元素，不存咋访问这个概念，也就不需要访问顺序这个特性。Set集合不像List集合那样可以根据下标进行随机访问方法，只能通过遍历的方式进行节点访问。

3.1. 底层数据结构

LinkedHashSet本质基于 LinkedHashMap，内部每个节点有 before/after 双向链指针，维护插入顺序。

LinkedHashSet 的构造器只接受初始容量和加载因子，它内部使用的是默认的插入顺序的 LinkedHashMap，并不提供切换到访问顺序的选项，构造时不可指定 accessOrder 为 true。

每个节点的内部结构为：

3.2. 如何实现LinkedHashSet集合的LRU 缓存？

构造时不可指定 accessOrder 为 true，默认只有插入顺序。那只能“曲线救国”，使用Collections.newSetFromMap来创建Set集合。

如果需要“按访问顺序”并自动淘汰最老元素（LRU），可以基于 LinkedHashMap＋Collections.newSetFromMap(...) 来实现一个带缓存特性的 Set。

以下是通过LinkedHashMap集合实现的自定义LRU 缓存：

// 按访问顺序
Set<String> lruSet = Collections.newSetFromMap(
		new LinkedHashMap<String, Boolean>(16, 0.75f, true) { // accessOrder = true
			@Override
			protected boolean removeEldestEntry(Map.Entry<String, Boolean> eldest) {
				return size() > 4;
			}
		}
);
lruSet.add("A");
lruSet.add("B");
lruSet.add("C");
lruSet.add("D");
lruSet.add("E"); // A 会被移除
System.out.println(lruSet); // 执行结果：[B, C, D, E]

3.3. 场景与性能

适用场景：需要既去重，又按插入顺序遍历

性能开销：比 HashSet 多维护链表指针，插入/删除略慢

注意点：

• 集合元素的类需要实现hashCode和equals方法，这跟LinkedHashMap的key对象特性一致；
• 构造时不可指定 accessOrder 为 true，默认只有插入顺序。

4 TreeSet 详解

4.1 底层结构与红黑树特性

TreeSet本质基于 TreeMap<E, Object>，红黑树保证插入/删除后的平衡性。

TreeSet的特性与红黑树特性一致，

每个红黑树节点的内部结构为：

4.2 排序与范围操作示例

TreeSet<String> tree = new TreeSet<>(Arrays.asList("C", "A", "B", "D"));
System.out.println(tree);// 自然排序：[A, B, C, D]

TreeSet<String> desc = new TreeSet<>(Comparator.reverseOrder());
desc.addAll(tree);
System.out.println(desc);// 反序：[D, C, B, A]

// 范围视图
SortedSet<String> range = tree.subSet("B", true, "D", false);
System.out.println(range);// 包含 B，不包含 D：结果 [B, C]

4.3 场景与注意

适用场景：需要有序集合、区间查询、按顺序访问元素。

注意点：

• 元素类型必须实现 Comparable 或通过构造方法提供自定义比较器 Comparator。

• 不支持 null，否则抛 NullPointerException。

4. 三者详细对比

下面从底层数据结构、迭代顺序、主要操作性能、内存开销、空元素支持、典型场景等维度，对比 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 三种常用 Set 实现：

特性	HashSet	LinkedHashSet	TreeSet
底层结构	哈希表（数组 + 链表/红黑树）	哈希表 + 双向链表	红黑树（Self‑balancing BST）
迭代顺序	无序	插入顺序	排序顺序（自然顺序或自定义 Comparator）
add / remove / contains	平均 O(1)，最坏 O(n)	平均 O(1)，最坏 O(n)	O(log n)
iteration（遍历）	O(n)，顺序不确定	O(n)，按照插入顺序	O(n)，按照排序顺序
内存开销	最小（仅哈希桶 + 链表/树节点）	略高（每个节点多维护前后指针）	最高（树节点需维护父/左右子指针及颜色信息）
null 支持	支持一个 null	支持一个 null	不支持 null（会抛 NPE）
线程安全	非线程安全	非线程安全	非线程安全
适用场景	需要最快速的无序去重	需要去重，并保持元素插入顺序	需要去重，并有序访问或范围查询（如子集、headSet、tailSet）
访问顺序（LRU）	不支持	不支持（只能保持插入顺序）	不支持
子集/范围操作	不提供	不提供	支持 subSet、headSet、tailSet 等导航方法

总结

这三者同属 Set 家族，共享“无重复元素”、高效去重的核心特性，又各司其职、在“顺序”与“性能”上做出不同取舍。Set集合底层通过委派成员变量Map集合完成具体实现，但特性稍有差异，使用时需要注意。如果没有掌握Map集合的，建议先把Map集合的HashMap，LinkedHashMap和TreeMap都学习一遍，关于这块的知识，之前已经通过可视化的方式分享过，感兴趣的可以前往学习。

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