HashSet如何保证元素不重复(面试必问)

目录

• 1.HashSet 基本用法
• 2.HashSet 无序性
• 3.HashSet 错误用法
• 3.1 HashSet 与基本数据类型
• 3.2 HashSet 与自定义对象类型
• 4.HashSet 如何保证元素不重复？
• 总结

本文已收录《Java常见面试题》系列，Git 开源地址：https://gitee.com/mydb/interview

HashSet 实现了 Set 接口，由哈希表（实际是 HashMap）提供支持。HashSet 不保证集合的迭代顺序，但允许插入 null 值。也就是说 HashSet 不能保证元素插入顺序和迭代顺序相同。
HashSet 具备去重的特性，也就是说它可以将集合中的重复元素自动过滤掉，保证存储在 HashSet 中的元素都是唯一的。

1.HashSet 基本用法

HashSet 基本操作方法有：add（添加）、remove（删除）、contains（判断某个元素是否存在）和 size（集合数量）。这些方法的性能都是固定操作时间，如果哈希函数是将元素分散在桶中的正确位置。
HashSet 基本使用如下：

// 创建 HashSet 集合
HashSet<String> strSet = new HashSet<>();
// 给 HashSet 添加数据
strSet.add("Java");
strSet.add("MySQL");
strSet.add("Redis");
// 循环打印 HashSet 中的所有元素
strSet.forEach(s -> System.out.println(s));

2.HashSet 无序性

HashSet 不能保证插入元素的顺序和循环输出元素的顺序一定相同，也就是说 HashSet 其实是无序的集合，具体代码示例如下：

HashSet<String> mapSet = new HashSet<>();
mapSet.add("深圳");
mapSet.add("北京");
mapSet.add("西安");
// 循环打印 HashSet 中的所有元素
mapSet.forEach(m -> System.out.println(m));

以上程序的执行结果如下：

从上述代码和执行结果可以看出，HashSet 插入的顺序是：深圳 -> 北京 -> 西安，而循环打印的顺序却是：西安 -> 深圳 -> 北京，所以 HashSet 是无序的，不能保证插入和迭代的顺序一致。

PS：如果要保证插入顺序和迭代顺序一致，可使用 LinkedHashSet 来替换 HashSet。

3.HashSet 错误用法

有人说 HashSet 只能保证基础数据类型不重复，却不能保证自定义对象不重复？这样说对吗？
我们通过以下示例来说明此问题。

3.1 HashSet 与基本数据类型

使用 HashSet 存储基本数据类型，实现代码如下：

HashSet<Long> longSet = new HashSet<>();
longSet.add(666l);
longSet.add(777l);
longSet.add(999l);
longSet.add(666l);
// 循环打印 HashSet 中的所有元素
longSet.forEach(l -> System.out.println(l));

以上程序的执行结果如下：

从上述结果可以看出，使用 HashSet 可以保证基础数据类型不重复。

3.2 HashSet 与自定义对象类型

接下来，将自定义对象存储到 HashSet 中，实现代码如下：

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<Person> personSet = new HashSet<>();
        personSet.add(new Person("曹操", "123"));
        personSet.add(new Person("孙权", "123"));
        personSet.add(new Person("曹操", "123"));
        // 循环打印 HashSet 中的所有元素
        personSet.forEach(p -> System.out.println(p));
    }
}
@Getter
@Setter
@ToString
class Person {
    private String name;
    private String password;

    public Person(String name, String password) {
        this.name = name;
        this.password = password;
    }
}

以上程序的执行结果如下：

从上述结果可以看出，自定义对象类型确实没有被去重，那也就是说 HashSet 不能实现自定义对象类型的去重咯？
其实并不是，HashSet 去重功能是依赖元素的 hashCode 和 equals 方法判断的，通过这两个方法返回的都是 true 那就是相同对象，否则就是不同对象。而前面的 Long 类型元素之所以能实现去重，正是因为 Long 类型中已经重写了 hashCode 和 equals 方法，具体实现源码如下：

@Override
public int hashCode() {
    return Long.hashCode(value);
}
public boolean equals(Object obj) {
    if (obj instanceof Long) {
        return value == ((Long)obj).longValue();
    }
    return false;
}
//省略其他源码......

更多关于 hashCode 和 equals 的内容，详见：https://www.jb51.net/article/204554.htm

那么，想让 HashSet 支持自定义对象去重，只需要在自定义对象中重写 hashCode 和 equals 方法即可，具体实现代码如下：

@Setter
@Getter
@ToString
class Person {
    private String name;
    private String password;
    public Person(String name, String password) {
        this.name = name;
        this.password = password;
    }
    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true; // 引用相等返回 true
        // 如果等于 null，或者对象类型不同返回 false
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        // 强转为自定义 Person 类型
        Person persion = (Person) o;
        // 如果 name 和 password 都相等，就返回 true
        return Objects.equals(name, persion.name) &&
                Objects.equals(password, persion.password);
    }
    @Override
    public int hashCode() {
        // 对比 name 和 password 是否相等
        return Objects.hash(name, password);
    }
}

重新运行以上代码，执行结果如下图所示：

从上述结果可以看出，之前的重复项“曹操”已经被去重了。

4.HashSet 如何保证元素不重复？

我们只要了解了 HashSet 执行添加元素的流程，就能知道为什么 HashSet 能保证元素不重复了？
HashSet 添加元素的执行流程是：当把对象加入 HashSet 时，HashSet 会先计算对象的 hashcode 值来判断对象加入的位置，同时也会与其他加入的对象的 hashcode 值作比较，如果没有相符的 hashcode，HashSet 会假设对象没有重复出现，会将对象插入到相应的位置中。但是如果发现有相同 hashcode 值的对象，这时会调用对象的 equals() 方法来检查对象是否真的相同，如果相同，则 HashSet 就不会让重复的对象加入到 HashSet 中，这样就保证了元素的不重复。

为了更清楚的了解 HashSet 的添加流程，我们可以尝试阅读 HashSet 的具体实现源码，HashSet 添加方法的实现源码如下（以下源码基于 JDK 8）：

// hashmap 中 put() 返回 null 时，表示操作成功
public boolean add(E e) {
    return map.put(e, PRESENT)==null;
}

从上述源码可以看出 HashSet 中的 add 方法，实际调用的是 HashMap 中的 put，那么我们继续看 HashMap 中的 put 实现：

// 返回值：如果插入位置没有元素则返回 null，否则返回上一个元素
public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}

从上述源码可以看出，HashMap 中的 put() 方法又调用了 putVal() 方法，putVal() 的源码如下：

    final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
                   boolean evict) {
        Node<K, V>[] tab;
        Node<K, V> p;
        int n, i;
        //如果哈希表为空，调用 resize() 创建一个哈希表，并用变量 n 记录哈希表长度
        if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
            n = (tab = resize()).length;
        /**
         * 如果指定参数 hash 在表中没有对应的桶，即为没有碰撞
         * Hash函数，(n - 1) & hash 计算 key 将被放置的槽位
         * (n - 1) & hash 本质上是 hash % n 位运算更快
         */
        if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
            // 直接将键值对插入到 map 中即可
            tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
        else {// 桶中已经存在元素
            Node<K, V> e;
            K k;
            // 比较桶中第一个元素(数组中的结点)的 hash 值相等，key 相等
            if (p.hash == hash &&
                    ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                // 将第一个元素赋值给 e，用 e 来记录
                e = p;
                // 当前桶中无该键值对，且桶是红黑树结构，按照红黑树结构插入
            else if (p instanceof TreeNode)
                e = ((TreeNode<K, V>) p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
                // 当前桶中无该键值对，且桶是链表结构，按照链表结构插入到尾部
            else {
                for (int binCount = 0; ; ++binCount) {
                    // 遍历到链表尾部
                    if ((e = p.next) == null) {
                        p.next = newNode(hash, key, value, null);
                        // 检查链表长度是否达到阈值，达到将该槽位节点组织形式转为红黑树
                        if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                            treeifyBin(tab, hash);
                        break;
                    }
                    // 链表节点的<key, value>与 put 操作<key, value>
                    // 相同时，不做重复操作，跳出循环
                    if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                        break;
                    p = e;
                }
            }
            // 找到或新建一个 key 和 hashCode 与插入元素相等的键值对，进行 put 操作
            if (e != null) { // existing mapping for key
                // 记录 e 的 value
                V oldValue = e.value;
                /**
                 * onlyIfAbsent 为 false 或旧值为 null 时，允许替换旧值
                 * 否则无需替换
                 */
                if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                    e.value = value;
                // 访问后回调
                afterNodeAccess(e);
                // 返回旧值
                return oldValue;
            }
        }
        // 更新结构化修改信息
        ++modCount;
        // 键值对数目超过阈值时，进行 rehash
        if (++size > threshold)
            resize();
        // 插入后回调
        afterNodeInsertion(evict);
        return null;
    }

从上述源码可以看出，当将一个键值对放入 HashMap 时，首先根据 key 的 hashCode() 返回值决定该 Entry 的存储位置。如果有两个 key 的 hash 值相同，则会判断这两个元素 key 的 equals() 是否相同，如果相同就返回 true，说明是重复键值对，那么 HashSet 中 add() 方法的返回值会是 false，表示 HashSet 添加元素失败。因此，如果向 HashSet 中添加一个已经存在的元素，新添加的集合元素不会覆盖已有元素，从而保证了元素的不重复。如果不是重复元素，put 方法最终会返回 null，传递到 HashSet 的 add 方法就是添加成功。

总结

HashSet 底层是由 HashMap 实现的，它可以实现重复元素的去重功能，如果存储的是自定义对象必须重写 hashCode 和 equals 方法。HashSet 保证元素不重复是利用 HashMap 的 put 方法实现的，在存储之前先根据 key 的 hashCode 和 equals 判断是否已存在，如果存在就不在重复插入了，这样就保证了元素的不重复。

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