1. 概述
本指南将深入探讨 Java 集合框架中的核心实现之一 —— HashSet。作为最常用的 Set 接口实现，它提供了高效的去重存储方案，是每个 Java 开发者必须掌握的基础数据结构。
2. HashSet 简介
HashSet 是 Java 集合框架的基础组件，其核心特点如下：
✅ 存储唯一元素：自动去重，允许存储一个 null 值
✅ 基于 HashMap 实现：底层使用 HashMap 存储数据
❌ 不保证插入顺序：元素遍历顺序与插入顺序无关
⚠️ 非线程安全：多线程环境下需手动同步
当创建 HashSet 实例时，会自动初始化内部 HashMap：
public HashSet() {
map = new HashMap<>();
}
要深入理解 HashMap 的工作原理，建议阅读 HashMap 详解。
3. HashSet 的核心 API
3.1. add() 方法
功能：向集合添加元素，仅当元素不存在时才添加成功
返回值：成功添加返回 true，元素已存在返回 false
@Test
public void whenAddingElement_shouldAddElement() {
Set<String> hashset = new HashSet<>();
assertTrue(hashset.add("String Added"));
}
实现原理：直接调用 HashMap 的 put() 方法，元素作为 key，固定对象 PRESENT 作为 value：
public boolean add(E e) {
return map.put(e, PRESENT) == null;
}
其中 map 是内部 HashMap 实例：
private transient HashMap<E, Object> map;
⚠️ 关键点：HashSet 的性能严重依赖
hashCode()和equals()的正确实现。建议先熟悉 hashCode 原理。
3.2. contains() 方法
功能：检查集合是否包含指定元素
返回值：存在返回 true，否则返回 false
@Test
public void whenCheckingForElement_shouldSearchForElement() {
Set<String> hashsetContains = new HashSet<>();
hashsetContains.add("String Added");
assertTrue(hashsetContains.contains("String Added"));
}
查找流程：
- 计算元素的哈希值
- 定位到对应的桶（bucket）
- 遍历桶中的链表（或红黑树）进行精确匹配
3.3. remove() 方法
功能：从集合中移除指定元素
返回值：成功移除返回 true，元素不存在返回 false
@Test
public void whenRemovingElement_shouldRemoveElement() {
Set<String> removeFromHashSet = new HashSet<>();
removeFromHashSet.add("String Added");
assertTrue(removeFromHashSet.remove("String Added"));
}
3.4. clear() 方法
功能：清空集合中的所有元素
实现：直接调用底层 HashMap 的 clear() 方法
@Test
public void whenClearingHashSet_shouldClearHashSet() {
Set<String> clearHashSet = new HashSet<>();
clearHashSet.add("String Added");
clearHashSet.clear();
assertTrue(clearHashSet.isEmpty());
}
3.5. size() 方法
功能：返回集合中的元素数量
实现：委托给 HashMap 的 size() 方法
@Test
public void whenCheckingTheSizeOfHashSet_shouldReturnThesize() {
Set<String> hashSetSize = new HashSet<>();
hashSetSize.add("String Added");
assertEquals(1, hashSetSize.size());
}
3.6. isEmpty() 方法
功能：检查集合是否为空
返回值：空集合返回 true，否则返回 false
@Test
public void whenCheckingForEmptyHashSet_shouldCheckForEmpty() {
Set<String> emptyHashSet = new HashSet<>();
assertTrue(emptyHashSet.isEmpty());
}
3.7. iterator() 方法
功能：返回集合元素的迭代器
特点：
- 遍历顺序不确定（无序）
- 迭代器是快速失败（fail-fast）的
@Test
public void whenIteratingHashSet_shouldIterateHashSet() {
Set<String> hashset = new HashSet<>();
hashset.add("First");
hashset.add("Second");
hashset.add("Third");
Iterator<String> itr = hashset.iterator();
while(itr.hasNext()){
System.out.println(itr.next());
}
}
⚠️ 快速失败机制：迭代过程中若通过非迭代器方法修改集合，会抛出
ConcurrentModificationException：
@Test(expected = ConcurrentModificationException.class)
public void whenModifyingHashSetWhileIterating_shouldThrowException() {
Set<String> hashset = new HashSet<>();
hashset.add("First");
hashset.add("Second");
hashset.add("Third");
Iterator<String> itr = hashset.iterator();
while (itr.hasNext()) {
itr.next();
hashset.remove("Second"); // 触发异常
}
}
正确移除方式：使用迭代器的 remove() 方法：
@Test
public void whenRemovingElementUsingIterator_shouldRemoveElement() {
Set<String> hashset = new HashSet<>();
hashset.add("First");
hashset.add("Second");
hashset.add("Third");
Iterator<String> itr = hashset.iterator();
while (itr.hasNext()) {
String element = itr.next();
if (element.equals("Second"))
itr.remove(); // 安全移除
}
assertEquals(2, hashset.size());
}
💡 注意：快速失败机制是尽力而为的，不保证在所有并发场景下都能触发异常。
4. 如何将 HashSet 转换为 TreeSet（对象集合）
通过 TreeSet(Collection<? extends E> c) 构造器可将 HashSet 转换为 TreeSet。转换要求集合元素必须实现 Comparable 接口，否则会抛出 ClassCastException。
示例对象类（需实现 Comparable）：
public class Employee implements Comparable<Employee> {
private int employeeId;
private String employeeName;
Employee(int employeeId, String employeeName) {
this.employeeId = employeeId;
this.employeeName = employeeName;
}
int getEmployeeId() {
return employeeId;
}
public String getEmployeeName() {
return employeeName;
}
@Override
public String toString() {
return employeeId + " " + employeeName;
}
@Override
public int compareTo(Employee o) {
return Integer.compare(o.employeeId, this.employeeId); // 降序排列
}
}
成功转换场景（元素实现 Comparable）：
@Test
public void givenComparableObject_whenConvertingToTreeSet_thenNoExceptionThrown() {
HashSet<Employee> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add(new Employee(3, "John"));
hashSet.add(new Employee(5, "Mike"));
hashSet.add(new Employee(2, "Bob"));
hashSet.add(new Employee(1, "Tom"));
hashSet.add(new Employee(4, "Johnny"));
assertDoesNotThrow(()->{
TreeSet<Employee> treeSet = new TreeSet<>(hashSet);
});
}
失败转换场景（元素未实现 Comparable）：
@Test
public void givenNonComparableObject_whenConvertingToTreeSet_thenExceptionThrown() {
HashSet<Employee> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add(new Employee(3, "John"));
hashSet.add(new Employee(5, "Mike"));
hashSet.add(new Employee(2, "Bob"));
hashSet.add(new Employee(1, "Tom"));
hashSet.add(new Employee(4, "Johnny"));
assertThrows(ClassCastException.class,() -> {
TreeSet<Employee> treeSet = new TreeSet<>(hashSet);
});
}
5. HashSet 如何保证唯一性？
HashSet 通过两步检查保证元素唯一性：
- 哈希值检查：使用
hashCode()定位桶位置 - 对象相等检查：在桶内使用
equals()精确匹配
⚠️ 关键点：两个对象即使
hashCode()相同，equals()也可能返回 false。因此必须同时满足：
hashCode()值相同equals()返回 true
6. HashSet 的性能
HashSet 性能主要受两个参数影响：
6.1. 初始容量（Initial Capacity）
- 默认值：16
- 影响：过小会导致频繁扩容（rehash），过大则浪费内存
6.2. 加载因子（Load Factor）
- 默认值：0.75
- 含义：当元素数量达到容量×加载因子时触发扩容
自定义构造方式：
Set<String> hashset = new HashSet<>(); // 默认：容量16，加载因子0.75
Set<String> hashset = new HashSet<>(20); // 自定义容量
Set<String> hashset = new HashSet<>(20, 0.5f); // 自定义容量和加载因子
6.3. 性能权衡
| 场景 | 推荐配置 | 原因 |
|---|---|---|
| 大数据量 + 少迭代 | 高初始容量 | 减少扩容次数 |
| 小数据量 + 频繁迭代 | 低初始容量 | 节省内存，提高遍历效率 |
⚠️ 时间复杂度：
- 平均情况：O(1)（理想哈希分布）
- 最坏情况：O(log n)（JDK 8+，红黑树优化）
- 极端情况：O(n)（所有元素哈希冲突）
7. 总结
HashSet 是 Java 集合框架中高效去重的利器，其核心优势在于：
✅ 常数级时间复杂度：理想情况下增删查均为 O(1)
✅ 自动去重：基于 hashCode() 和 equals() 实现唯一性
✅ 灵活配置：可自定义容量和加载因子优化性能
最佳实践建议：
- 确保存储对象正确实现
hashCode()和equals() - 根据数据规模和访问模式调整初始容量
- 多线程环境使用
Collections.synchronizedSet()或ConcurrentHashMap.newKeySet()
掌握 HashSet 的工作原理和性能特性，能帮助我们在实际开发中写出更高效、更健壮的代码。