java中的Set

概述
Set集合类似于一个罐子，程序可以依次把多个对象“丢进”Set集合，而Set集合通常不能记住元素的添加顺序。实际上Set就是Collection只是行为略有不同(Set不允许包含重复元素)。
Set集合不允许包含相同的元素，如果试图把两个相同元素加入同一个Set集合中，则添加操作失败，add()方法返回false，且新元素不会被加入。

HashSet类

常用方法：

HashSet是Set接口的典型实现，大多数时候使用Set集合时就是使用这个实现类。HashSet按Hash算法来存储集合中的元素，因此具有很好的存取和查找性能。底层数据结构是哈希表。
哈希表
一个元素为链表的数组，综合了数组与链表的优点。

HashSet具有以下特点：

• 不能保证元素的排列顺序，顺序可能与添加顺序不同，顺序也可能发生变化；
• HashSet不是同步的；
• 集合元素值可以是null；

内部存储机制

当向HashSet集合中存入一个元素时，HashSet会调用该对象的hashCode方法来得到该对象的hashCode值，然后根据该hashCode值决定该对象在HashSet中的存储位置。如果有两个元素通过equals方法比较true，但它们的hashCode方法返回的值不相等，HashSet将会把它们存储在不同位置，依然可以添加成功。
也就是说。HashSet集合判断两个元素的标准是两个对象通过equals方法比较相等，并且两个对象的hashCode方法返回值也相等。

靠元素重写hashCode方法和equals方法来判断两个元素是否相等，如果相等则覆盖原来的元素，依此来确保元素的唯一性

实例：
没有重写hashCode和equals方法

　　　　 Student s1 = new Student("小龙女", 23);
        Student s2 = new Student("任盈盈", 24);
        Student s3 = new Student("小龙女", 23);
        Student s4 = new Student("东方不败", 25);
        Student s5 = new Student("伊琳", 29);
        Student s6 = new Student("周芷若", 30);
        HashSet<Student> hashSet = new HashSet<>();
        hashSet.add(s1);
        hashSet.add(s2);
        hashSet.add(s3);
        hashSet.add(s4);
        hashSet.add(s5);
        hashSet.add(s6);
        for (Student student : hashSet) {
            System.out.println(student.getName()+"=="+student.getAge());
    　　}    

public class Student {
    private String name;
    private int age;

    public Student() {
    }

    public Student(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public int getAge() {
        return age;
    }
    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

没有重写这两个方法，运行结果：

可以看到由重复元素出现在集合中。

在元素类中重写hashCode和equals方法：

Student.class

    //判断判断两个对象是否相等，对象是否存在，对象的name和age是否相等
    @Override
    public boolean equals(Object o) {
        if (this == o) return true;
        if (o == null || getClass() != o.getClass()) return false;
        Student student = (Student) o;
        return age == student.age &&
                Objects.equals(name, student.name);
    }
    
    //返回对象的name和age的hash值
    @Override
    public int hashCode() {
        return Objects.hash(name, age);
    }

重写之后不是判断两个对象hashCode是否相等，而是判断对象的name和age是否同时相等，如果同时相等则判断为同一对象，不能重复出现在集合中。
再次遍历结合，运行结果：

可以看到重复的元素已经被覆盖，保证了集合中元素的唯一性。

如果需要把某个类的对象保存到HashSet集合中，重写这个类的equals方法和hashCode方法时，应尽量保证两个对象通过equals方法比较返回true时，他们的hashCode方法返回值也相等。

为什么不直接使用数组，而用HashSet呢？
因为数组的索引是连续的而且数组的长度是固定的，无法自由增加数组的长度。而HashSet就不一样了，HashCode表用每个元素的hashCode值来计算其存储位置，从而可以自由增加HashCode的长度，并根据元素的hashCode值来访问元素。而不用一个个遍历索引去访问，这就是它比数组快的原因。

图解哈希表存储原理

HashCode中每个存储元素的“槽位”通常称为“桶”，如果多个元素的hashCode值相同，但它们通过equals方法比较返回false，就需要在桶里放多个元素，这样会导致性能下降。

hash表

• 容量：hash表中桶的数量；
• 初始化容量：创建hash表时桶的数量；
• 尺寸：当前hash表中记录的数量；
• 负载因子：负载因子等于0表示空的hash表，0.5表示半满的hash表，轻负载的hash表具有冲突少、适宜插入与查询等特点。
• 负载极限：负载极限是一个0~1之间的数值，决定了hash表的最大填满程度。当hash表的负载因子达到指定负载极限时，hash表会自动成倍地增加容量，并将原有的对象重新分配，放入新的桶中。HashSet、HashMap、Hashtable默认的负载极限是0.75。

当向HashSet中添加可变对象时，必须十分小心。如果修改HashSet集合中的对象，有可能导致该对象与集合中的其他对象相等，从而导致HashSet无法准确访问该对象。

LinkedHashSet类

HashSet还有一个子类LinkedList、LinkedHashSet集合也是根据元素的hashCode值来决定元素的存储位置，但它同时使用链表维护元素的次序，这样使得元素看起来是以插入的顺序保存的，也就是说当遍历集合LinkedHashSet集合里的元素时，集合将会按元素的添加顺序来访问集合里的元素。
输出集合里的元素时，元素顺序总是与添加顺序一致。但是LinkedHashSet依然是HashSet，因此它不允许集合重复。

TreeSet类

TreeSet是SortedSet接口的实现类，TreeSet可以确保集合元素处于排序状态。

内部存储机制
TreeSet内部实现的是红黑树，默认整形排序为从小到大。

与HashSet集合相比，TreeSet还提供了几个额外方法：

• Comparator comparator():如果TreeSet采用了定制顺序，则该方法返回定制排序所使用的Comparator，如果TreeSet采用自然排序，则返回null；
• Object first():返回集合中的第一个元素；
• Object last():返回集合中的最后一个元素；
• Object lower(Object e)：返回指定元素之前的元素。
• Object higher(Object e)：返回指定元素之后的元素。
• SortedSet subSet（Object fromElement，Object toElement）：返回此Set的子集合，含头不含尾；
• SortedSet headSet(Object toElement)：返回此Set的子集，由小于toElement的元素组成；
• SortedSet tailSet(Object fromElement)：返回此Set的子集，由大于fromElement的元素组成;

用法：

　　　　 TreeSet<Integer> nums = new TreeSet<>();
        //向集合中添加元素
        nums.add(5);
        nums.add(2);
        nums.add(15);
        nums.add(-4);
        //输出集合，可以看到元素已经处于排序状态
        System.out.println(nums);//[-4, 2, 5, 15]

        System.out.println("集合中的第一个元素："+nums.first());//集合中的第一个元素：-4
        System.out.println("集合中的最后一个元素："+nums.last());//集合中的最后一个元素：15
        System.out.println("集合小于4的子集，不包含4："+nums.headSet(4));//集合小于4的子集，不包含4：[-4, 2]
        System.out.println("集合大于5的子集："+nums.tailSet(2));//集合大于5的子集：[2, 5, 15]
        System.out.println("集合中大于等于-3，小于4的子集："+nums.subSet(-3,4));//集合中大于等于-3，小于4的子集：[2]

从上面的运行结果可以看出输出的集合已经按从小到大排好了，但是问题来了，只能从小到大排序吗？如果是字符对象应按该怎样的顺序排序？如果是一个学生对象又按怎样的顺序排序呢？遵循怎样的排序规则呢？
针对这个问题，TreeSet支持两种排序方法：自然排序和定制排序，在默认情况下，采用的是自然排序。

自然排序

TreeSet会调用集合元素的compareTo(Objec obj)方法来比较元素之间的大小关系，然后将集合元素按升序排列，这就是自然排序。

Java提供了一个Comparable接口，该接口里定义了一个compareTo(Object obj)方法，该方法返回一个整数值，实现该接口的类必须实现该方法，实现了该接口的类必须实现该方法，实现接口的类就可以比较大小了。当调用一个一个对象调用该方法与另一个对象进行比较时，obj1.compareTo(obj2)如果返回0表示两个对象相等；如果返回正整数则表明obj1大于obj2,如果是负整数则相反。

案例：
实现存储学生类的集合，排序方式，按年龄大小，如果年龄相等，则按name字符串长度，如果长度相等则比较字符。如果name和age都相等则视为同一对象。

元素对象Student.class

package org.westos.demo2;

import java.util.Comparator;

public class Student implements Comparable<Student> {
    private String name;
    private int age;

    public Student(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }

    @Override
    public int compareTo(Student o) {
        //比较age
        int num=this.age-o.age;
        //如果age相等则比较name长度
        int num1=num==0?this.name.length()-o.name.length():num;
        //如果前两者都相等则比较name字符串
        int num2=num1==0?this.name.compareTo(o.name):num1;
        return num2;
    }
}

集合类

package org.westos.demo2;

import java.util.TreeSet;

public class TreeSetDemo4 {
    public static void main(String[] args) {
        TreeSet<Student> tree = new TreeSet<>();

        //向集合中添加元素
        tree.add(new Student("孙悟空",16));
        tree.add(new Student("孙悟空",17));
        tree.add(new Student("孙悟空",16));
        tree.add(new Student("唐僧",16));
        tree.add(new Student("沙悟净",23));
        tree.add(new Student("唐僧",30));

        //遍历
        System.out.println(tree);
       /*[Student{name='唐僧', age=16},
       Student{name='孙悟空', age=16},
       Student{name='孙悟空', age=17},
       Student{name='沙悟净', age=23},
       Student{name='唐僧', age=30}]
        */

    }
}

从运行结果可以看到满足定义的排序规则。

当把一个对象添加进集合时，集合调用该对象的CompareTo(Object obj)方法与容器中的其他对象比较大小，然后根据红黑树结构中找到它的存储位置。如果两个对象相等则新对象无法加入到集合中。

注意问题

• 大部分类在实现CompareTo(Object o)方法时，都需要将被比较对象obj强制类型转换成相同类型，因为只有相同的两个实例才会比较大小。
• 加入集合的类都必须实现Comparable接口，否则会引发ClassCastException异常。
• 向TreeSet集合中添加元素时，只有第一个元素无须实现Comparable接口，后面添加的所有元素都必须实现Comparable接口。当然这也不是一种好做法，当试图从TreeSet中取出元素时，依然会引发ClassCastException异常。
• 不要修改已经存入集合的实例变量，这将导致它与其他对象的大小顺序发生改变，但TreeSet集合不会再次调整它们的顺序，这点和HashSet一样。

总结：如果希望TreeSet能正常工作，TreeSet只能添加同一种类型的对象

对于TreeSet集合而言，它判断两个对象是否相等的唯一标准是：两个对象通过compareTo(Object obj)方法比较是否返回0，如果是0则认为对象相等，否则认为不相等。

修改上述案例：
重写equals方法，更改compareTo(Object obj)的返回值总是返回1；

    @Override
    public int compareTo(Student o) {
        return 1;
    }

    @Override
    public boolean equals(Object o) {
      return true;
    }

        TreeSet<Student> tree = new TreeSet<>();

        Student s1 = new Student("李明",23);

        tree.add(s1);
        //遍历
        System.out.println(tree);//[Student{name='李明', age=23}]
        tree.add(s1);
        System.out.println(tree);//[Student{name='李明', age=23}, Student{name='李明', age=23}]
        
        //更改第一个元素的age
        tree.first().setAge(33);
        System.out.println(tree.last().getAge());//33

虽然equals总是返回true，但是TreeSet总认为添加的两个对象不相等，可以看到修改第一个元素的age，最后一个元素的age也被修改。这是因为集合中存储的只是对象的引用，这两个对象的引用指向同一个对象，所以age变量也被随之改变。

定制排序

TreeSet的自然排序是根据集合元素的大小，TreeSet将它们以升序排列。如果需要实现定制排序，例如降序排序，则可通过Comparator接口的帮助。该接口里包含一个int compare(T o1,T o2)方法，用于比较o1和o2的大小。由于Comparator是一个函数式接口，因此还可以使用Lambda表达式来代替Comparator子类对象。

　　　　 TreeSet<Integer> nums = new TreeSet<>(new Comparator<Integer>() {
            @Override
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return o1-o2;
            }
        });
        //向集合中添加元素
        nums.add(5);
        nums.add(2);
        nums.add(15);
        nums.add(-4);
        //输出集合，可以看到元素已经处于排序状态
        System.out.println(nums);//[-4, 2, 5, 15]

如果需要更改排序方式，则更改Comparator对象的返回值；

　　　　　TreeSet<Integer> nums = new TreeSet<>(new Comparator<Integer>() {
            @Override
            public int compare(Integer o1, Integer o2) {
                return -(o1-o2);
            }
        });
        //向集合中添加元素
        nums.add(5);
        nums.add(2);
        nums.add(15);
        nums.add(-4);
        //输出集合，可以看到元素已经处于排序状态
        System.out.println(nums);//[15, 5, 2, -4]

使用Lambda表达式来实现：

　　　　　TreeSet<Integer> nums = new TreeSet<>((a,b)->-(a-b));
        //向集合中添加元素
        nums.add(5);
        nums.add(2);
        nums.add(15);
        nums.add(-4);
        //输出集合，可以看到元素已经处于排序状态
        System.out.println(nums);//[15, 5, 2, -4]

定制排序的特征和自然排序相同，不能添加相同的对象。

EnumSet类

• EnumSet是一个专门为枚举类设计的集合类，EnumSet中的所有元素都必须是指定枚举类型的枚举值，该枚举类型在创建EnumSet时显式或隐式地指定。EnumSet的集合元素也是有序的，EnumSet以枚举值在Enum类内的定义顺序来决定集合元素的顺序。
• EnumSet在内部以位向量的形式存储，这种存储形式非常紧凑、高效，因此EnumSet对象占用内存很小，而且运行效率很好。
• EnumSet集合不允许加入null元素。

EnumSet类没有暴露任何构造器来创建该类的实例，EnumSet类提供了以下类方法来创建EnumSet对象。

• EnumSet allOf(Class elementType)：创建一个包含指定枚举类里所有枚举值的EnumSet集合。
• EnumSet complementOf(EnumSet s)：创建一个其元素类型与指定EnumSet里元素类型相同的EnumSet集合，新的集合里包含原集合不包含的枚举值。
• EnumSet copyOf(Collection c)：使用一个普通集合来创建EnumSet集合；
• EnumSet copyOf(EnumSet s):复制原集合；
• EnumSet noneOf(Class elementType):创建一个元素类型为指定枚举类型的空EnumSet；
• EnumSet of(E first，E...rest):创建一个包含一个或多个枚举值的EnumSet集合。传入的枚举值必须是同一枚举类。
• EnumSet range(E from,E to):创建一个包含从from到to枚举值范围所有枚举值的EnumSet集合。

实例：

package org.westos.demo9;

public enum SeasonEnum {

    //在第一行列出4个枚举实例
    Spring,Summer,Fall,Winter;
}

package org.westos.demo9;

import java.util.EnumSet;

public class EnumSetTest {
    public static void main(String[] args) {
        //创建一个EnumSet集合，集合元素是Season枚举类的全部枚举值
        EnumSet<SeasonEnum> es1 = EnumSet.allOf(SeasonEnum.class);
        System.out.println(es1);//[Spring, Summer, Fall, Winter]

        //创建一个EnumSet空集合，元素类型为Season类的枚举值
        EnumSet<SeasonEnum> es2 = EnumSet.noneOf(SeasonEnum.class);
        System.out.println(es2);//[]

        //手动添加两个元素
        es2.add(SeasonEnum.Spring);
        es2.add(SeasonEnum.Summer);
        System.out.println(es2);//[Spring, Summer]

        //以指定枚举值创建EnumSet结合
        EnumSet<SeasonEnum> es3 = EnumSet.of(SeasonEnum.Spring, SeasonEnum.Fall);
        System.out.println(es3);//[Spring, Fall]

        EnumSet<SeasonEnum> es4 = EnumSet.range(SeasonEnum.Summer, SeasonEnum.Winter);
        System.out.println(es4);//[Summer, Fall, Winter]

        //输出es4中不包含的枚举值
        EnumSet<SeasonEnum> es5 = EnumSet.complementOf(es4);
        System.out.println(es5);//[Spring]
    }
}

复制集合

 　　　　Collection c = new HashSet<>();
        c.clear();
        c.add(SeasonEnum.Spring);
        c.add(SeasonEnum.Summer);

        //复制集合中的元素来创建EnumSet
        EnumSet enumSet = EnumSet.copyOf(c);
        System.out.println(enumSet);//[Spring, Summer]

        c.add("Monday");
        c.add("ThusDay");
        EnumSet enumSet1 = EnumSet.copyOf(c);
        //出现ClassCastException异常，因为后面添加的两个元素不是枚举值