HashSet<E>

HashSet<E> 是 Java 集合框架中的一个重要类，它实现了 Set<E> 接口，用于存储不重复元素的集合。下面从多个方面详细介绍 HashSet<E> 类。

1. 类定义与继承关系

HashSet<E> 类的定义如下：

public class HashSet<E> extends AbstractSet<E> implements Set<E>, Cloneable, java.io.Serializable

它继承自 AbstractSet<E> 抽象类，实现了 Set<E>、Cloneable 和 java.io.Serializable 接口。这表明 HashSet 具备集合的基本特性，支持克隆操作，并且可以进行序列化。

2. 底层实现原理

HashSet 底层基于 HashMap 实现。在 HashSet 中，元素被存储为 HashMap 的键，而 HashMap 的值则统一使用一个静态的 PRESENT 对象。通过 HashMap 的哈希表结构，HashSet 能够快速地判断元素是否重复。

3. 主要特性

无序性：HashSet 不保证元素的存储顺序，即元素插入的顺序和遍历的顺序可能不同。
唯一性：HashSet 不允许存储重复的元素。当添加重复元素时，添加操作会失败。判断元素是否重复是通过元素的 hashCode() 和 equals() 方法来实现的。
允许 null 元素：HashSet 允许存储一个 null 元素。

4. 常用构造方法

HashSet()：创建一个空的 HashSet，初始容量为 16，负载因子为 0.75。

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
    }
}

HashSet(Collection<? extends E> c)：创建一个包含指定集合中所有元素的 HashSet。

import java.util.ArrayList;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        List<String> list = new ArrayList<>();
        list.add("apple");
        list.add("banana");
        HashSet<String> set = new HashSet<>(list);
    }
}

HashSet(int initialCapacity)：创建一个具有指定初始容量的空 HashSet，负载因子为 0.75。

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>(20);
    }
}

HashSet(int initialCapacity, float loadFactor)：创建一个具有指定初始容量和负载因子的空 HashSet。

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>(20, 0.8f);
    }
}

5. 常用方法

boolean add(E e)：如果指定元素不存在于集合中，则将其添加到集合中，添加成功返回 true，否则返回 false。

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        boolean result = set.add("apple");
        System.out.println(result); // 输出 true
        result = set.add("apple");
        System.out.println(result); // 输出 false
    }
}

boolean remove(Object o)：如果集合中存在指定元素，则将其移除，移除成功返回 true，否则返回 false。

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add("apple");
        boolean result = set.remove("apple");
        System.out.println(result); // 输出 true
    }
}

boolean contains(Object o)：判断集合中是否包含指定元素，包含返回 true，否则返回 false。

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add("apple");
        boolean result = set.contains("apple");
        System.out.println(result); // 输出 true
    }
}

int size()：返回集合中元素的数量。

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add("apple");
        set.add("banana");
        int size = set.size();
        System.out.println(size); // 输出 2
    }
}

void clear()：移除集合中的所有元素。

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add("apple");
        set.clear();
        System.out.println(set.size()); // 输出 0
    }
}

6. 遍历方式

迭代器（Iterator）：

import java.util.HashSet;
import java.util.Iterator;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add("apple");
        set.add("banana");
        Iterator<String> iterator = set.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            String element = iterator.next();
            System.out.println(element);
        }
    }
}

增强 for 循环：

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add("apple");
        set.add("banana");
        for (String element : set) {
            System.out.println(element);
        }
    }
}

Java 8 的 forEach 方法结合 Lambda 表达式：

import java.util.HashSet;

public class HashSetExample {
    public static void main(String[] args) {
        HashSet<String> set = new HashSet<>();
        set.add("apple");
        set.add("banana");
        set.forEach(element -> System.out.println(element));
    }
}

7. 性能分析

插入和查找操作：HashSet 的插入和查找操作的平均时间复杂度为 $O(1)$ ，因为它基于哈希表实现。但在最坏情况下（哈希冲突严重），时间复杂度会退化为 $O(n)$ 。
空间复杂度：HashSet 的空间复杂度为 $O(n)$ ，其中 $n$ 是集合中元素的数量。

8. 注意事项

元素的 hashCode() 和 equals() 方法：为了确保 HashSet 能够正确判断元素是否重复，存储在 HashSet 中的元素必须正确重写 hashCode() 和 equals() 方法。
线程安全：HashSet 不是线程安全的。如果需要在多线程环境下使用，可以使用 Collections.synchronizedSet() 方法将其转换为线程安全的集合，或者使用 ConcurrentHashMap 实现的 ConcurrentSkipListSet。