Java Set系列集合详解：HashSet、LinkedHashSet、TreeSet底层原理与使用场景

一、Set系列集合概述

1. 核心特点

无序性：存取顺序不一致（LinkedHashSet除外）。
唯一性：元素不重复。
无索引：无法通过索引直接访问元素，不能使用普通for循环遍历。

2. 常见实现类

实现类	特点	底层数据结构
`HashSet`	无序、唯一、无索引	哈希表（数组+链表/红黑树）
`LinkedHashSet`	有序（存取顺序一致）、唯一	哈希表+双向链表
`TreeSet`	可排序（自然或自定义）、唯一	红黑树

二、Set接口常用方法

Set继承自Collection接口，常用方法如下：

方法	说明
`boolean add(E e)`	添加元素，成功返回`true`
`void clear()`	清空集合
`boolean remove(E e)`	删除指定元素
`boolean contains(Object)	判断是否包含元素
`int size()`	返回集合元素个数

三、各实现类详解

1. HashSet

底层原理

JDK8前：数组 + 链表。
JDK8后：数组 + 链表 + 红黑树（链表长度≥8且数组长度≥64时触发转换）。
哈希值计算：通过重写hashCode()和equals()保证元素唯一性。

扩容机制

默认初始容量：16。
加载因子：0.75（当元素数量达到容量的75%时触发扩容）。

代码示例

Set<String> set = new HashSet<>();
set.add("A");
set.add("A"); // 添加失败
System.out.println(set); // 输出无序，如 [A, B]

2. LinkedHashSet

核心特点

继承自HashSet，通过双向链表维护插入顺序。
性能略低于HashSet，但遍历效率更高。

代码示例

LinkedHashSet<String> linkedSet = new LinkedHashSet<>();
linkedSet.add("B");
linkedSet.add("A");
System.out.println(linkedSet); // 输出顺序固定为 [B, A]

3. TreeSet

排序规则

自然排序：元素需实现Comparable接口，重写compareTo()。
比较器排序：创建TreeSet时传入Comparator自定义规则。

代码示例

// 自然排序（按年龄升序）
TreeSet<Student> treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add(new Student("Tom", 20));
treeSet.add(new Student("Alice", 18));
// 输出按年龄排序：Alice(18) → Tom(20)

四、补充知识点

1. 线程安全性

HashSet、TreeSet、LinkedHashSet均非线程安全。
解决方案：使用Collections.synchronizedSet()包装。

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

2. 哈希冲突解决策略

链地址法（HashSet采用）：冲突元素以链表形式存储。
开放寻址法：线性探测或二次探测。

3. 红黑树简介

一种自平衡二叉查找树，保证插入、删除、查找的时间复杂度为O(log n)。
特性：节点颜色交替、根节点为黑、叶子节点为黑、任意路径黑节点数相同。

4. 性能对比

操作	HashSet	LinkedHashSet	TreeSet
插入	O(1)	O(1)	O(log n)
删除	O(1)	O(1)	O(log n)
查询	O(1)	O(1)	O(log n)
有序性	无	插入顺序	自然/自定义

五、应用场景总结

场景	推荐集合
去重且无需顺序	`HashSet`
去重且保留插入顺序	`LinkedHashSet`
去重且需排序	`TreeSet`
高频查询	`HashSet`
需要线程安全	`Collections.synchronizedSet()`

六、常见面试题

HashSet如何保证元素唯一？
通过hashCode()和equals()方法：先比较哈希值，再通过equals判断内容是否相同。
TreeSet两种排序方式如何选择？
- 默认使用自然排序（需实现Comparable）。
- 若类无法修改或需多规则排序，使用Comparator。
HashSet和HashMap的关系？
HashSet底层基于HashMap实现，元素存储为HashMap的键（值固定为PRESENT占位对象）。