Java 集合的終極指南：揭開這個不起眼的資料結構的每一個秘密

嘿，Java 愛好者！無論您是試圖找出集合存在原因的編碼新手，還是身經百戰的程式設計師想知道是否還有更多東西需要學習，本指南都適合您。我們將深入探討 Java 中 Set 的所有內容，從其核心目的到複雜的工作原理。係好安全帶！

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什麼是集合？

首先要做的事情是：什麼是 Set，我們為什麼要關心？從本質上講，Set 是一個不能包含重複元素的集合。換句話說，集合中的每個項目都與您的自訂迷因集合一樣獨特。

為什麼要使用一套？

想像一下，您的任務是為派對建立賓客名單。您要確保沒有人收到兩次邀請（因為這很尷尬）。 進入集合。對於 Set，Java 會自動確保所有元素都是不同的。它非常適合需要獨特性的情況。

集合的特徵

• 不允許重複：Set 最重要的特徵是它從不允許重複元素。加入一個已經存在的元素？ Java 禮貌地拒絕（不像你的老闆有更多的工作）。

• 無序（通常）：集合與清單不同，不關心插入順序。只要保持獨特性，他們就會很高興。

• Null 處理 ：某些 Set 允許 null 作為元素，但僅限一次。

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Java 中的集合類型

現在我們知道了 Set 的作用，讓我們看看 Java 提供了哪些類型的 Set：

1. 雜湊集
   • 目的：大多數用例的首選設定。

• 特性：在 HashMap 的支援下，HashSet 可以快速且有效率地檢查元素是否存在（大多數操作的時間複雜度為 O(1)）。

• 記憶體佈局：在底層使用雜湊表，其中基於雜湊函數儲存元素。

• 允許空值嗎？ ：可以，但只能有一個。

• 程式碼範例 :
  

Set<String> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add("Apple");
hashSet.add("Banana");
hashSet.add("Apple"); // This will be ignored
System.out.println(hashSet); // Output: [Apple, Banana]

1. LinkedHashSet
   • 用途：如果您需要一個維護插入順序的 Set。

• 特性：HashSet 和 LinkedList 的混合體。

• 記憶體佈局

  ：使用雜湊表和雙向鍊錶來維護順序。

• 程式碼範例

  :

Set<String> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add("Apple");
hashSet.add("Banana");
hashSet.add("Apple"); // This will be ignored
System.out.println(hashSet); // Output: [Apple, Banana]

1. 樹集
   • 用途：以排序順序儲存元素的Set。

• 特點：實作NavigableSet，使用紅黑樹儲存。

• 記憶體佈局：平衡的樹狀結構。

• 程式碼範例 :
  

Set<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
linkedHashSet.add("Apple");
linkedHashSet.add("Banana");
linkedHashSet.add("Orange");
System.out.println(linkedHashSet); // Output: [Apple, Banana, Orange]

哈希集如何工作？

讓我們掀起引擎蓋看看裡面。 HashSet 使用 哈希表 進行存儲，其中每個元素根據其哈希碼分配一個存儲桶。新增元素時會發生以下情況：

1. 雜湊碼計算 ：Java 呼叫 hashCode() 方法取得元素的雜湊碼。

2. 桶確定 ：將雜湊碼對應到桶（陣列索引）。

3. 碰撞處理：如果儲存桶已經被佔用（碰撞），Java 使用chaining（較新的Java 版本中的鍊錶或平衡樹）來管理中的多個元素同一個桶子。
   HashSet結構圖：
   

Set<Integer> treeSet = new TreeSet<>();
treeSet.add(42);
treeSet.add(10);
treeSet.add(25);
System.out.println(treeSet); // Output: [10, 25, 42]

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使用集合的技巧

如果您知道正確的技巧，使用集合會很有趣：

1. 兩個集合的並集：

[0] -> [Apple] -> [Banana] 
[1] -> [Grapes]
[2] -> [null]
[3] -> [Orange]
...

1. 兩個集合的交集：

Set<Integer> set1 = new HashSet<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
Set<Integer> set2 = new HashSet<>(Arrays.asList(3, 4, 5));
set1.addAll(set2);
System.out.println(set1); // Output: [1, 2, 3, 4, 5]

1. 各組之間的差異：

Set<Integer> set1 = new HashSet<>(Arrays.asList(1, 2, 3));
Set<Integer> set2 = new HashSet<>(Arrays.asList(3, 4, 5));
set1.retainAll(set2);
System.out.println(set1); // Output: [3]

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何時使用套裝？

常見場景：

• 確保應用程式中唯一的使用者名稱。

• 在網路爬蟲中追蹤 造訪過的頁面。

• 維護獨特的項目集合（例如，選舉中的獨特選民）。
  需要考慮的危險訊號：

• 如果您需要透過索引存取元素，Set 不是您的朋友。請改用清單。

• 如果您需要重複項（例如，計算項目的出現次數），請考慮清單或地圖。

Set 介面中的方法

這是最常用方法的備忘單：

• add(E e) ：如果元素尚不存在，則加入該元素。

• remove(Object o) ：刪除指定元素（如果存在）。

• contains(Object o) ：檢查某個元素是否在 Set 中。

• size() ：傳回元素的數量。

• clear() ：刪除所有元素。

• isEmpty() ：檢查 Set 是否為空。

• iterator() ：傳回元素上的迭代器。

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先進的技術和技巧

1. 集合中的自訂物件： 始終重寫自訂物件的 equals() 和 hashCode() 以確保 Set 的行為符合預期。

Set<String> hashSet = new HashSet<>();
hashSet.add("Apple");
hashSet.add("Banana");
hashSet.add("Apple"); // This will be ignored
System.out.println(hashSet); // Output: [Apple, Banana]

1. 併發集 :
   使用 ConcurrentHashMap.newKeySet() 或 CopyOnWriteArraySet 進行執行緒安全性操作。

2. 不可變集 :
   使用 Collections.unmodifyingSet() 或 Set.of() 建立唯讀集。
   

Set<String> linkedHashSet = new LinkedHashSet<>();
linkedHashSet.add("Apple");
linkedHashSet.add("Banana");
linkedHashSet.add("Orange");
System.out.println(linkedHashSet); // Output: [Apple, Banana, Orange]

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性能考慮因素

HashSet 是大多數任務的最佳選擇，因為它在新增、刪除和檢查元素方面具有 O(1) 效能。 TreeSet 具有較高的成本 (O(log n))，但增加了自然排序的好處。 LinkedHashSet 給出了可預測的迭代順序，且開銷很小。

識別適合 Set 的問題

認識問題類型 :

• 唯一性檢查（例如，尋找文件中的唯一單字）。

• 設定操作（例如，找出使用者之間的共同好友）。

• 快速查找，不重複（例如，在恆定時間內檢查元素是否存在）。

最後的想法

雖然集合可能不像清單那樣迷人，也不像地圖那樣神秘，但它們在有效維護唯一集合方面發揮著至關重要的作用。他們是無名英雄，可確保您的資料保持乾淨和獨特，使您免於那些可能導致意外結果的討厭的重複。無論您是在最佳化演算法、確保資料完整性，還是只是嘗試選擇一個的結構只是有效，從內到外理解集合將使您成為更強大的開發人員。因此，充滿信心地繼續編碼，知道您已經釋放了強大集合的真正潛力！

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這是一個包裝，夥計們！

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