Java 中 Set 集合是如何实现添加元素保证不重复的？

Java 中的 Set 集合是一种不允许包含重复元素的集合。它主要通过两种方式来实现确保元素不重复的机制：一是依赖元素的 hashCode() 方法和 equals() 方法，二是底层数据结构的支持。

1. hashCode() 和 equals() 方法

在 Java 中，每个对象都有一个 hashCode() 方法，用于返回对象的哈希码值，而 equals() 方法用于比较两个对象是否相等。Set 集合通过这两个方法来确保元素的唯一性。

hashCode() 方法

hashCode() 方法返回的是对象的哈希码值，它是一个 int 类型的整数。哈希码值可以视作对象的“身份证”，用于快速确定对象在集合中的存储位置。在 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet 这些 Set 的实现中，都会用到 hashCode() 方法来决定元素在底层数据结构中的存储位置。

在默认情况下，Object 类中的 hashCode() 方法是根据对象的内存地址计算的，每个对象的哈希码值都是独一无二的。但是，为了确保 Set 集合中的元素唯一性，我们通常会重写 hashCode() 方法，使得相等的对象具有相等的哈希码值。

equals() 方法

equals() 方法用于比较两个对象是否相等。在 Set 集合中，当两个对象的 equals() 方法返回 true 时，这两个对象被认为是相等的，因此 Set 集合中不会包含重复的元素。

在实现自定义类时，我们通常也会重写 equals() 方法，以便正确地比较对象的内容而不是引用。在重写 equals() 方法时，需要遵循以下约定：

自反性：对于任意非 null 的引用值 x，x.equals(x) 应该返回 true。
对称性：对于任意非 null 的引用值 x 和 y，当且仅当 y.equals(x) 返回 true 时，x.equals(y) 应该返回 true。
传递性：对于任意非 null 的引用值 x、y 和 z，如果 x.equals(y) 返回 true，并且 y.equals(z) 也返回 true，那么 x.equals(z) 应该返回 true。
一致性：对于任意非 null 的引用值 x 和 y，只要 equals() 比较的信息没有被修改，那么多次调用 x.equals(y) 应该一致地返回 true 或 false。
对于任意非 null 的引用值 x，x.equals(null) 应该返回 false。

通过重写 equals() 方法，我们可以自定义对象之间的相等性判断逻辑，从而确保 Set 集合中的元素不会重复。

2. 底层数据结构的支持

Java 中的 Set 集合有多种实现，如 HashSet、LinkedHashSet 和 TreeSet，它们都采用了不同的底层数据结构来实现元素的唯一性。

HashSet

HashSet 是基于哈希表（Hash Table）实现的，它利用了哈希码值来快速定位元素。当向 HashSet 中添加元素时，HashSet 首先会计算元素的哈希码值，然后根据哈希码值找到元素在哈希表中的存储位置，如果该位置为空，则将元素插入其中；如果该位置已经存在其他元素，则通过 equals() 方法来判断是否重复，如果重复则不进行插入操作。

HashSet 的插入、删除和查找操作的时间复杂度都是 O(1)，因此它是一种高效的数据结构。但是，由于 HashSet 是基于哈希表实现的，它不保证元素的顺序，因此不适用于有序集合的场景。

LinkedHashSet

LinkedHashSet 是 HashSet 的一个子类，它除了具有 HashSet 的特性外，还保留了元素的插入顺序。LinkedHashSet 内部维护了一个双向链表，用于维护元素的插入顺序。因此，当遍历 LinkedHashSet 时，元素的顺序与插入顺序一致。

LinkedHashSet 的性能与 HashSet 类似，插入、删除和查找操作的时间复杂度都是 O(1)，但是它会占用更多的内存空间来维护插入顺序。

TreeSet

TreeSet 是基于红黑树（Red-Black Tree）实现的，它能够保持元素的自然顺序或者根据比较器来排序。当向 TreeSet 中添加元素时，TreeSet 会根据元素的比较结果来确定元素的存储位置，如果该位置已经存在其他元素，则通过比较器或者自然顺序来判断是否重复，如果重复则不进行插入操作。

TreeSet 的插入、删除和查找操作的时间复杂度都是 O(log n)，其中 n 是集合中元素的个数。由于 TreeSet 是基于红黑树实现的，它能够保持元素的有序性，因此适用于需要有序集合的场景。

3. 示例代码

下面是一个简单的示例代码，演示了如何使用 HashSet 来确保元素不重复：

import java.util.HashSet;
import java.util.Set;public class Main {public static void main(String[] args) {Set<String> set = new HashSet<>();// 添加元素set.add("apple");set.add("banana");set.add("apple"); // 重复元素，不会被添加// 遍历元素for (String element : set) {System.out.println(element);}}
}

在上面的代码中，我们创建了一个 HashSet 对象，并向其中添加了三个元素。由于第一个元素和第三个元素相同，因此第三个元素不会被添加到集合中。最后，我们通过 for-each 循环遍历集合中的元素，并将其打印出来。

通过重写 hashCode() 和 equals() 方法，并采用不同的底层数据结构来实现，Java 中的 Set 集合能够高效地确保元素不重复。HashSet 基于哈希表实现，保证了插入、删除和查找操作的高效性；LinkedHashSet 在 HashSet 的基础上增加了对元素插入顺序的保留；TreeSet 基于红黑树实现，能够保持元素的有序性。开发者可以根据实际需求选择合适的 Set 实现，以满足不同场景下的需求。

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