本文深入探讨了在Java HashSet中存储并搜索可变对象（如ArrayList）时的性能特性。我们将分析HashSet内部的工作机制，包括其对hashCode()和equals()方法的依赖，以及在不同场景下contains()操作的时间复杂度。重点阐述了为何不建议将可变对象作为哈希集合的元素或哈希映射的键，并详细解释了当搜索一个ArrayList时，其哈希值计算对整体时间复杂度的影响。
1. 哈希集合与可变对象：潜在陷阱
在Java中，HashSet和HashMap等基于哈希的集合，其性能和正确性高度依赖于存储对象的hashCode()和equals()方法的实现。当一个对象被添加到HashSet中时，它的哈希值会被计算并用于确定其在内部哈希表中的存储位置（桶）。此哈希值通常被存储为Node内部的一个final字段，这意味着一旦对象被添加，其哈希值就不会再重新计算。
因此，将可变对象（如ArrayList）存储在HashSet或用作HashMap的键是不被推荐的做法。如果一个可变对象在被添加到集合后其内容发生了改变，导致其hashCode()返回不同的值，那么当尝试通过其新的哈希值查找该对象时，它可能无法被正确检索到，因为集合仍然会尝试在旧的哈希值对应的位置查找。
2. HashSet内部机制与时间复杂度
HashSet底层是基于HashMap实现的，它将元素作为HashMap的键，而值则是一个虚拟的占位符对象。HashMap内部使用Node来存储键值对，其结构大致如下：
static class Node<K,V> implements Map.Entry<K,V> { final int hash; // 存储键的哈希值，一旦计算，不再改变 final K key; // 键 V value; // 值 Node<K,V> next; // 链表下一个节点 // ... 构造器及方法 }
当调用contains()、add()等方法时，HashSet会首先计算传入参数的哈希值，然后根据这个哈希值定位到对应的桶。接着，它会遍历该桶中的链表（或红黑树，Java 8+优化），通过equals()方法逐一比较元素。
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2.1 contains()操作的一般时间复杂度
在理想情况下，即哈希值分布均匀，极少发生哈希冲突时：
- contains()操作的平均时间复杂度为 O(1)。这是因为通过哈希值可以直接定位到桶，并且桶中元素数量极少。
在最坏情况下，即所有元素都哈希到同一个桶中时：
- 在Java 7及更早版本中，同一个桶中的元素以链表形式存储，此时contains()操作需要遍历整个链表，时间复杂度为 O(n)，其中n是集合中元素的总数。
- 在Java 8及更高版本中，当一个桶中的链表长度超过某个阈值（默认为8）时，链表会自动转换为红黑树。此时，contains()操作在遍历该桶时的时间复杂度会优化为 O(log n)。
3. 搜索ArrayList的时间复杂度分析
现在，我们考虑一个具体的场景：在HashSet
HashSet<ArrayList<Integer>> hs = new HashSet<>(); // ... 省略添加元素代码 ... ArrayList<Integer> d = new ArrayList<>(); d.add(3); d.add(4); hs.contains(d); // 这个操作的时间复杂度是多少？
当执行hs.contains(d)时，其时间复杂度由两部分组成：
-
计算传入参数d的哈希值：ArrayList的hashCode()方法是根据其所有元素的哈希值计算的。这意味着，为了计算d的哈希值，需要遍历d中的所有元素并累加它们的哈希值。如果d包含m个元素，那么计算d.hashCode()的时间复杂度为 O(m)。
-
在HashSet中查找： 一旦d的哈希值计算完毕，HashSet会使用这个哈希值来定位到对应的桶，并进行元素比较。
- 在哈希分布均匀的平均情况下，查找桶内元素的时间复杂度为 O(1)。
- 在哈希冲突严重的最坏情况下（Java 8+），查找桶内元素的时间复杂度为 O(log n)，其中n是集合中元素的数量。
综合以上两点，hs.contains(d)的整体时间复杂度如下：
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平均情况：O(m) 这是因为计算传入参数d的哈希值（O(m)）是主要的时间消耗，而随后的桶内查找通常是O(1)。
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最坏情况：O(log n + m) (Java 8+) 或 O(n + m) (Java 7-) 在这种情况下，m代表计算d的哈希值的时间，log n（或n）代表在哈希冲突严重时遍历桶内结构的时间。
总结： 尽管HashSet的平均查找时间是O(1)，但当其元素是ArrayList这种可变集合类型时，由于每次搜索都需要计算传入参数ArrayList的哈希值，这个计算过程本身就取决于列表的长度m。因此，对于ArrayList的搜索操作，时间复杂度至少是O(m)。
4. 注意事项与最佳实践
- 避免使用可变对象作为哈希集合元素或映射键： 除非你能确保这些对象在被添加到集合后永不改变其内容，否则应避免使用它们。如果必须使用，请确保在对象内容改变时将其从集合中移除，修改后重新添加。
- 确保hashCode()和equals()契约的正确实现： 对于自定义对象，务必正确地实现hashCode()和equals()方法，确保它们遵循Java规范：
- 如果两个对象通过equals()方法比较为相等，那么它们的hashCode()方法必须产生相同的整数结果。
- 如果两个对象的hashCode()方法产生相同的整数结果，它们不一定通过equals()方法比较为相等（哈希冲突是允许的）。
- hashCode()的实现应尽可能地将不同的对象分散到不同的哈希值，以减少哈希冲突，从而提高哈希集合的性能。
- 考虑使用不可变对象： 如果可能，将ArrayList
替换为不可变集合，例如List.of()创建的列表（Java 9+），或使用ImmutableList（guava库）。这样可以保证对象的哈希值在创建后保持不变。
通过理解HashSet的内部工作原理及其对hashCode()和equals()的依赖，我们可以更有效地使用哈希集合，并避免潜在的性能问题和逻辑错误。
