死磕 java集合之HashSet源码分析

系统管理员 2021-09-20 05:02 437阅读 0赞

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问题  
（1）集合（Collection）和集合（Set）有什么区别？

（2）HashSet怎么保证添加元素不重复？

（3）HashSet是否允许null元素？

（4）HashSet是有序的吗？

（5）HashSet是同步的吗？

（6）什么是fail-fast？

简介  
集合，这个概念有点模糊。

广义上来讲，java中的集合是指java.util包下面的容器类，包括和Collection及Map相关的所有类。

中义上来讲，我们一般说集合特指java集合中的Collection相关的类，不包含Map相关的类。

狭义上来讲，数学上的集合是指不包含重复元素的容器，即集合中不存在两个相同的元素，在java里面对应Set。

具体怎么来理解还是要看上下文环境。

比如，面试别人让你说下java中的集合，这时候肯定是广义上的。

再比如，下面我们讲的把另一个集合中的元素全部添加到Set中，这时候就是中义上的。

HashSet是Set的一种实现方式，底层主要使用HashMap来确保元素不重复。

源码分析  
属性  
    // 内部使用HashMap  
    private transient HashMap<E,Object> map;  
   
    // 虚拟对象，用来作为value放到map中  
    private static final Object PRESENT = new Object();  
构造方法  
public HashSet() \{  
    map = new HashMap<>();  
\}  
   
public HashSet(Collection<? extends E> c) \{  
    map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));  
    addAll(c);  
\}  
   
public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) \{  
    map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);  
\}  
   
public HashSet(int initialCapacity) \{  
    map = new HashMap<>(initialCapacity);  
\}  
   
// 非public，主要是给LinkedHashSet使用的  
HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) \{  
    map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);  
\}  
构造方法都是调用HashMap对应的构造方法。

最后一个构造方法有点特殊，它不是public的，意味着它只能被同一个包或者子类调用，这是LinkedHashSet专属的方法。

添加元素  
直接调用HashMap的put()方法，把元素本身作为key，把PRESENT作为value，也就是这个map中所有的value都是一样的。

public boolean add(E e) \{  
    return map.put(e, PRESENT)==null;  
\}  
删除元素  
直接调用HashMap的remove()方法，注意map的remove返回是删除元素的value，而Set的remov返回的是boolean类型。

这里要检查一下，如果是null的话说明没有该元素，如果不是null肯定等于PRESENT。

public boolean remove(Object o) \{  
    return map.remove(o)==PRESENT;  
\}  
查询元素  
Set没有get()方法哦，因为get似乎没有意义，不像List那样可以按index获取元素。

这里只要一个检查元素是否存在的方法contains()，直接调用map的containsKey()方法。

public boolean contains(Object o) \{  
    return map.containsKey(o);  
\}  
遍历元素  
直接调用map的keySet的迭代器。

public Iterator<E> iterator() \{  
    return map.keySet().iterator();  
\}  
全部源码  
package java.util;  
   
import java.io.InvalidObjectException;  
import sun.misc.SharedSecrets;  
   
   
public class HashSet<E>  
    extends AbstractSet<E>  
    implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable  
\{  
    static final long serialVersionUID = -5024744406713321676L;  
   
    // 内部元素存储在HashMap中  
    private transient HashMap<E,Object> map;  
   
    // 虚拟元素，用来存到map元素的value中的，没有实际意义  
    private static final Object PRESENT = new Object();  
   
    // 空构造方法  
    public HashSet() \{  
        map = new HashMap<>();  
    \}  
   
    // 把另一个集合的元素全都添加到当前Set中  
    // 注意，这里初始化map的时候是计算了它的初始容量的  
    public HashSet(Collection<? extends E> c) \{  
        map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));  
        addAll(c);  
    \}  
   
    // 指定初始容量和装载因子  
    public HashSet(int initialCapacity, float loadFactor) \{  
        map = new HashMap<>(initialCapacity, loadFactor);  
    \}  
   
    // 只指定初始容量  
    public HashSet(int initialCapacity) \{  
        map = new HashMap<>(initialCapacity);  
    \}  
   
    // LinkedHashSet专用的方法  
    // dummy是没有实际意义的, 只是为了跟上上面那个操持方法签名不同而已  
    HashSet(int initialCapacity, float loadFactor, boolean dummy) \{  
        map = new LinkedHashMap<>(initialCapacity, loadFactor);  
    \}  
      
    // 迭代器  
    public Iterator<E> iterator() \{  
        return map.keySet().iterator();  
    \}  
   
    // 元素个数  
    public int size() \{  
        return map.size();  
    \}  
   
    // 检查是否为空  
    public boolean isEmpty() \{  
        return map.isEmpty();  
    \}  
   
    // 检查是否包含某个元素  
    public boolean contains(Object o) \{  
        return map.containsKey(o);  
    \}  
      
    // 添加元素  
    public boolean add(E e) \{  
        return map.put(e, PRESENT)==null;  
    \}  
   
    // 删除元素  
    public boolean remove(Object o) \{  
        return map.remove(o)==PRESENT;  
    \}  
      
    // 清空所有元素  
    public void clear() \{  
        map.clear();  
    \}  
   
    // 克隆方法  
    @SuppressWarnings("unchecked")  
    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(e);  
        \}  
    \}  
   
    // 序列化写出方法  
    private void writeObject(java.io.ObjectOutputStream s)  
        throws java.io.IOException \{  
        // 写出非static非transient属性  
        s.defaultWriteObject();  
   
        // 写出map的容量和装载因子  
        s.writeInt(map.capacity());  
        s.writeFloat(map.loadFactor());  
   
        // 写出元素个数  
        s.writeInt(map.size());  
   
        // 遍历写出所有元素  
        for (E e : map.keySet())  
            s.writeObject(e);  
    \}  
   
    // 序列化读入方法  
    private void readObject(java.io.ObjectInputStream s)  
        throws java.io.IOException, ClassNotFoundException \{  
        // 读入非static非transient属性  
        s.defaultReadObject();  
   
        // 读入容量, 并检查不能小于0  
        int capacity = s.readInt();  
        if (capacity < 0) \{  
            throw new InvalidObjectException("Illegal capacity: " +  
                                             capacity);  
        \}  
   
        // 读入装载因子, 并检查不能小于等于0或者是NaN(Not a Number)  
        // java.lang.Float.NaN = 0.0f / 0.0f;  
        float loadFactor = s.readFloat();  
        if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor)) \{  
            throw new InvalidObjectException("Illegal load factor: " +  
                                             loadFactor);  
        \}  
   
        // 读入元素个数并检查不能小于0  
        int size = s.readInt();  
        if (size < 0) \{  
            throw new InvalidObjectException("Illegal size: " +  
                                             size);  
        \}  
        // 根据元素个数重新设置容量  
        // 这是为了保证map有足够的容量容纳所有元素, 防止无意义的扩容  
        capacity = (int) Math.min(size \* Math.min(1 / loadFactor, 4.0f),  
                HashMap.MAXIMUM\_CAPACITY);  
   
        // 再次检查某些东西, 不重要的代码忽视掉  
        SharedSecrets.getJavaOISAccess()  
                     .checkArray(s, Map.Entry\[\].class, HashMap.tableSizeFor(capacity));  
   
        // 创建map, 检查是不是LinkedHashSet类型  
        map = (((HashSet<?>)this) instanceof LinkedHashSet ?  
               new LinkedHashMap<E,Object>(capacity, loadFactor) :  
               new HashMap<E,Object>(capacity, loadFactor));  
   
        // 读入所有元素, 并放入map中  
        for (int i=0; i<size; i++) \{  
            @SuppressWarnings("unchecked")  
                E e = (E) s.readObject();  
            map.put(e, PRESENT);  
        \}  
    \}  
   
    // 可分割的迭代器, 主要用于多线程并行迭代处理时使用  
    public Spliterator<E> spliterator() \{  
        return new HashMap.KeySpliterator<E,Object>(map, 0, -1, 0, 0);  
    \}  
\}  
总结  
（1）HashSet内部使用HashMap的key存储元素，以此来保证元素不重复；

（2）HashSet是无序的，因为HashMap的key是无序的；

（3）HashSet中允许有一个null元素，因为HashMap允许key为null；

（4）HashSet是非线程安全的；

（5）HashSet是没有get()方法的；

彩蛋  
（1）阿里手册上有说，使用java中的集合时要自己指定集合的大小，通过这篇源码的分析，你知道初始化HashMap的时候初始容量怎么传吗？

我们发现有下面这个构造方法，很清楚明白地告诉了我们怎么指定容量。

假如，我们预估HashMap要存储n个元素，那么，它的容量就应该指定为((n/0.75f) + 1)，如果这个值小于16，那就直接使用16得了。

初始化时指定容量是为了减少扩容的次数，提高效率。

public HashSet(Collection<? extends E> c) \{  
    map = new HashMap<>(Math.max((int) (c.size()/.75f) + 1, 16));  
    addAll(c);  
\}  
（2）什么是fail-fast？

fail-fast机制是java集合中的一种错误机制。

当使用迭代器迭代时，如果发现集合有修改，则快速失败做出响应，抛出ConcurrentModificationException异常。

这种修改有可能是其它线程的修改，也有可能是当前线程自己的修改导致的，比如迭代的过程中直接调用remove()删除元素等。

另外，并不是java中所有的集合都有fail-fast的机制。比如，像最终一致性的ConcurrentHashMap、CopyOnWriterArrayList等都是没有fast-fail的。

那么，fail-fast是怎么实现的呢？

细心的同学可能会发现，像ArrayList、HashMap中都有一个属性叫modCount，每次对集合的修改这个值都会加1，在遍历前记录这个值到expectedModCount中，遍历中检查两者是否一致，如果出现不一致就说明有修改，则抛出ConcurrentModificationException异常。

转载于:https://my.oschina.net/u/4094976/blog/3037555

[2019_Python_]: https://my.oschina.net/u/2663968/blog/3061697
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