Java 23 集合框架详解：Set 接口及实现类（HashSet、TreeSet、LinkedHashSet）

📚 Java 23 集合框架详解：Set 接口及实现类（HashSet、TreeSet、LinkedHashSet）

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📖 概述

Set 是 Java 集合框架中用于存储 无序、不重复元素 的接口。它的实现类包括 HashSet、TreeSet 和 LinkedHashSet，它们在底层数据结构、排序规则和性能特性上存在显著差异。

本文将详细介绍 Set 接口及其实现类 的使用案例、底层实现、性能优化方案、多线程优化及注意事项。

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🏗️ 1. Set 接口的常用实现类

实现类	底层数据结构	排序方式	是否允许 null	线程安全性
HashSet	哈希表	无序	允许	否
TreeSet	红黑树	自然顺序/自定义排序	不允许	否
LinkedHashSet	哈希表 + 双向链表	按插入顺序	允许	否

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📋 2. HashSet 详解

✅ 2.1 特点

• 基于哈希表实现，元素按 哈希值 存储，存取效率高。
• 不保证元素顺序。
• 允许存储一个 null 值。
• 插入、删除、查找操作的平均时间复杂度为 O(1)。

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🔧 2.2 使用案例

import java.util.HashSet;public class HashSetExample {public static void main(String[] args) {HashSet<String> set = new HashSet<>();set.add("Alice");set.add("Bob");set.add("Charlie");// 尝试添加重复元素set.add("Alice");// 遍历set.forEach(System.out::println);}
}

输出：

Alice
Bob
Charlie

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🛠 2.3 优化方案

1. 指定初始容量和负载因子：

   HashSet<String> set = new HashSet<>(16, 0.75f);
   

2. 避免频繁扩容，设置合适的初始容量，减少性能开销。

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⚠️ 2.4 多线程优化

HashSet 是 线程不安全的，可以使用 Collections.synchronizedSet() 方法或 ConcurrentHashMap 来实现线程安全。

import java.util.Collections;
import java.util.HashSet;
import java.util.Set;public class SynchronizedHashSetExample {public static void main(String[] args) {Set<String> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new HashSet<>());synchronizedSet.add("Alice");synchronizedSet.add("Bob");synchronized (synchronizedSet) {synchronizedSet.forEach(System.out::println);}}
}

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📋 3. TreeSet 详解

✅ 3.1 特点

• 基于红黑树实现，元素按 自然顺序 或 自定义顺序 排序。
• 不允许存储 null 值。
• 插入、删除、查找操作的时间复杂度为 O(log n)。

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🔧 3.2 使用案例

import java.util.TreeSet;public class TreeSetExample {public static void main(String[] args) {TreeSet<Integer> set = new TreeSet<>();set.add(20);set.add(10);set.add(30);// 遍历set.forEach(System.out::println);}
}

输出：

10
20
30

🔧 使用自定义排序

import java.util.TreeSet;
import java.util.Comparator;public class CustomTreeSetExample {public static void main(String[] args) {TreeSet<String> set = new TreeSet<>(Comparator.reverseOrder());set.add("Alice");set.add("Bob");set.add("Charlie");set.forEach(System.out::println);}
}

输出：

Charlie
Bob
Alice

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🛠 3.3 优化方案

1. 避免使用 null 值，因为 TreeSet 不允许存储 null。
2. 选择合适的排序规则，根据业务需求使用 自然顺序 或 自定义排序。

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⚠️ 3.4 多线程优化

TreeSet 是 线程不安全的，可以使用 Collections.synchronizedSet() 来实现线程安全。

import java.util.Collections;
import java.util.TreeSet;
import java.util.Set;public class SynchronizedTreeSetExample {public static void main(String[] args) {Set<Integer> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new TreeSet<>());synchronizedSet.add(10);synchronizedSet.add(20);synchronized (synchronizedSet) {synchronizedSet.forEach(System.out::println);}}
}

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📋 4. LinkedHashSet 详解

✅ 4.1 特点

• 基于哈希表和双向链表实现。
• 保留元素的插入顺序。
• 允许存储一个 null 值。

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🔧 4.2 使用案例

import java.util.LinkedHashSet;public class LinkedHashSetExample {public static void main(String[] args) {LinkedHashSet<String> set = new LinkedHashSet<>();set.add("Alice");set.add("Bob");set.add("Charlie");// 遍历set.forEach(System.out::println);}
}

输出：

Alice
Bob
Charlie

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🛠 4.3 优化方案

1. 使用 LinkedHashSet 时，考虑内存占用问题，因为双向链表会占用更多内存。
2. 适用于需要按插入顺序遍历的场景。

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⚠️ 4.4 多线程优化

LinkedHashSet 是 线程不安全的，可以使用 Collections.synchronizedSet() 来实现线程安全。

import java.util.Collections;
import java.util.LinkedHashSet;
import java.util.Set;public class SynchronizedLinkedHashSetExample {public static void main(String[] args) {Set<String> synchronizedSet = Collections.synchronizedSet(new LinkedHashSet<>());synchronizedSet.add("Alice");synchronizedSet.add("Bob");synchronized (synchronizedSet) {synchronizedSet.forEach(System.out::println);}}
}

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🔄 5. 三者对比总结

特性	HashSet	TreeSet	LinkedHashSet
底层数据结构	哈希表	红黑树	哈希表 + 双向链表
是否允许 null	是	否	是
排序方式	无序	自然顺序/自定义排序	插入顺序
插入/删除性能	O(1)	O(log n)	O(1)
适用场景	快速查找和去重	排序数据集	保留插入顺序

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🎯 6. 选择指南

场景	推荐实现类
快速查找和去重	HashSet
需要排序的集合	TreeSet
需要保留插入顺序的集合	LinkedHashSet

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⚙️ 7. 总结

• HashSet 适用于 快速查找和去重 的场景。
• TreeSet 适用于 需要排序的集合。
• LinkedHashSet 适用于 需要保留插入顺序的集合。