Java中HashSet、LinkedHashSet和TreeSet的底层原理

HashSet

Java中的HashSet的底层原理主要基于哈希表（HashMap）来实现。以下是HashSet底层原理的简要总结：
数据结构：

HashSet内部使用哈希表（实际上是一个HashMap的实例）来存储元素。哈希表由一个数组（桶）和多个链表（或红黑树，在Java 8及以后版本中，当链表长度超过某个阈值时，会转换为红黑树）组成。

哈希函数：

当向HashSet中添加元素时，首先会计算该元素的哈希码（通过调用对象的hashCode()方法）。哈希码是一个整数，用于确定元素在哈希表中的位置。
使用哈希码和哈希表的大小（即桶的数量）来计算元素应该存放在哪个桶中。这通常是通过哈希码与哈希表大小取模（hash % size）来实现的。

存储元素：

如果计算出的桶是空的，那么该元素就直接存放在这个桶中。
如果计算出的桶已经包含了一个或多个元素（即哈希冲突），那么这些元素会形成一个链表（或红黑树），并将新元素添加到链表的末尾（或红黑树中）。

查找元素：

当从HashSet中检索元素时，也会首先计算该元素的哈希码，然后使用哈希码来确定应该查找哪个桶。
接着，在对应的桶中遍历链表（或红黑树）来查找是否存在相同的元素。由于哈希码相同的元素被存放在同一个桶中，因此需要遍历链表（或红黑树）来找到具体的元素。

处理哈希冲突：

哈希冲突是指不同的元素具有相同的哈希码。HashSet使用链表（或红黑树）来处理哈希冲突，即将哈希码相同的元素存放在同一个链表（或红黑树）中。

动态扩容：

当哈希表中的元素数量达到某个阈值时（通常是哈希表大小的某个比例，如0.75），哈希表会自动扩容，以减小哈希冲突的可能性。扩容通常是通过创建一个新的、更大的哈希表，并将原哈希表中的元素重新分配到新的哈希表中来实现的。

无序性：

HashSet不保证元素的迭代顺序与插入顺序相同。这是因为元素在哈希表中的位置取决于其哈希码，而哈希码的计算与元素的插入顺序无关。

总之，HashSet通过哈希表和哈希函数实现了快速添加、删除和查找元素的功能，并且支持动态扩容来处理哈希冲突和保持性能。

LinkedHashSet

Java中的LinkedHashSet的底层原理主要基于HashMap和双向链表（doubly linked list）来实现。以下是对LinkedHashSet底层原理的简要总结：
数据结构：

LinkedHashSet内部使用一个特殊的HashMap实例（实际上是LinkedHashMap）来存储元素。这个HashMap不仅保存了键值对信息，还通过双向链表维护了元素的插入顺序。

双向链表：

与普通的HashMap不同，LinkedHashMap在HashMap的基础上增加了一个双向链表。这个双向链表用于维护元素的插入顺序（或访问顺序，取决于LinkedHashMap的构造参数）。
每个在LinkedHashMap中的节点（即Entry对象）都包含指向其前一个节点和后一个节点的指针（before和after属性），从而形成一个双向链表。

哈希表与双向链表的结合：

在LinkedHashSet中，元素的存储和查找主要通过哈希表来实现，以提供快速的插入、删除和查找操作。
同时，双向链表则用于维护元素的插入顺序。当元素被添加到LinkedHashSet时，它会被添加到双向链表的尾部（或头部，取决于LinkedHashMap的访问顺序策略）。

迭代顺序：

由于LinkedHashSet维护了元素的插入顺序，因此其迭代器（iterator）会按照元素的插入顺序进行遍历。这是通过遍历底层双向链表来实现的。

性能特点：

LinkedHashSet的插入、删除和查找操作的平均时间复杂度都是O(1)，这与普通的HashSet相同。但是，由于LinkedHashSet需要维护双向链表，因此在内存使用上可能会稍高于HashSet。
另一方面，由于LinkedHashSet提供了有序的迭代顺序，因此在某些需要保持元素顺序的场景下，使用LinkedHashSet可能会更加方便。

继承关系：

LinkedHashSet继承自HashSet，并实现了Set接口。它的底层实现依赖于LinkedHashMap，因此LinkedHashSet在方法操作上与HashSet相同，但在迭代顺序上有所不同。

总的来说，LinkedHashSet通过结合哈希表和双向链表的结构，实现了具有可预知迭代顺序的集合。

TreeSet

Java中的TreeSet底层原理主要基于红黑树（Red-Black Tree）数据结构来实现。以下是TreeSet的底层原理的简要总结：
数据结构：

TreeSet使用红黑树作为其内部的数据结构。红黑树是一种自平衡的二叉搜索树，它能够在添加、删除和查找元素时保持较好的性能。

元素排序：

TreeSet中的元素按照其自然顺序（如果元素实现了Comparable接口）或根据提供的Comparator对象进行排序。默认情况下，元素按照升序排序。
对于数值类型（如Integer、Double），TreeSet默认按照数值本身的大小进行升序排序。
对于字符串类型，TreeSet默认按照首字符的Unicode编码进行升序排序。
对于自定义类型（如自定义对象），如果对象没有实现Comparable接口或没有提供Comparator对象，则无法直接添加到TreeSet中。

唯一性保证：

TreeSet通过红黑树的特性保证了元素的唯一性。在添加元素时，TreeSet会遍历红黑树，找到元素应该插入的位置。如果在这个位置上已经存在相同的元素（根据排序规则判断），则不会添加新的元素。

性能特点：

TreeSet的插入、删除和查找操作的平均时间复杂度都是O(log n)，其中n是集合中元素的数量。这是因为红黑树在插入、删除和查找元素时，能够保持树的平衡，使得树的高度相对较低，从而提高了操作的效率。
与HashSet相比，TreeSet在插入和删除元素时可能需要更多的计算量来维护红黑树的平衡，但在需要保持元素顺序的场景下，TreeSet提供了更好的性能。

遍历方式：