컬렉션 프레임워크 - Set

자바가 제공하는 Set1 - HashSet, LinkedHashSet

 

Set(셋, 세트) 자료 구조

셋은 중복을 허용하지 않고, 순서를 보장하지 않는 자료 구조이다.

 

렉션 프레임워크 - Set

Collenction 인터페이스

Collenction 인터페이스는 java.util 패키지의 컬렉션 프레임워크의 핵심 인터페이스 중 하나이다. 이 인터페이스는 자바에서 다양한 컬렉션, 즉 데이터 그룹을 다루기 위해 메서드를 정의한다. Collention 인터페이스는 List, Set, Quere와 같은 다양한 하위 인터페이스와 함께 사용되며, 이를 통해 데이터를 리스트, 세트, 큐 등의 형태로 관리할 수 있다. 

 

Set 인터페이스

자바의 Set 인터페이스는 java.util 패키지의 컬렉션 프레임워크에 속하는 인터페이스 중 하나이다. Set 인터페이스는 중복을 허용하지 않는 유일한 요소의 집합을 나타낸다. 즉, 어떤 요소도 같은 Set 내에 두번 이상 나타날 수 없다. Set은 수학적 집합 개념을 구현한 것으로, 순서를 ㅗㅂ장하지 않으며, 특정 요소가 집합에 있는지 여부를 확인하는 데 최적화되어 있다.

 

Set 인터페이스는 HashSet, LinkedHashSet, TeeSet 등의 여러 구현 클래스를 가지고 있으며, 각 클래스는 Set 인터페이스를 구현하여 각각의 특성을 가지고 있다.

 

Set 인터페이스의 주요 메서드

메서드	설명
add(E e)	지정된 요소를 세트에 추가한다(이미 존재하는 경우 추가하지 않음)
addAll (Collection<? extends E> c)	지정된 컬렉션의 모든 요소를 세트에 추가한다.
contains(Object o)	세트가 지정된 요소를 포함하고 있는지 여부를 반환한다.
containsAll(Collcation<?> c)	세트가 지정된 컬렉션의 모든 요소를 포함하고 있는지 여부를 반환한다.
remove(Object o)	지정된 요소를 셋에서 제거한다
removeAll(Collection<?> c)	지정된 컬렉션에 포함된 요소를 셋에서 모두 제거한다.
retainAll(Collection<?> c)	지정된 컬렉션에 포함된 요소만을 유지하고 나머지 요소는 세트에서 제거한다.
clear()	셋에서 모든 요소를 제거한다
size()	셋에 있는 요소 수를 반환한다.
isEmpty()	셋이 비어 있는지 여부를 반환한다.
iterator()	셋의 요소에 대한 반복자를 반환한다.
toArray()	셋의 모든 요소를 배열로 반환한다.
toArray(T[] a)	셋의 모든 요소를 지정된 배열로 반환한다.

 

1. HashSet

구현: 해시 자료 구조를 사용해서 요소를 저장한다.

순서: 요소들은 특정한 순서 없이 저장된다. 즉, 요소를 추가한 순서를 보장하지 않는다.

시간 복잡도: HashSet의 주요 연산(추가, 삭제, 검색)은 평균적으로 O(1) 시간 복잡도를 가진다.

용도: 데이터의 유일성만 중요하고, 순서가 중요하지 않을 경우 적합하다.

 

2. LinkedHashSet

구현:  LinkedHashSet은 HashSet에 연결 리스트를 추가해서 요소들의 순서를 유지한다.

순서: 요소들은 추가된 순서대로 유지된다. 즉, 순서대로 조회 시 요소들이 추가된 순서로 반환된다.

시간 복잡도: LinkedHashSet도 HashSet과 마찬가지로 주요 연산에 대해 평균 O(1) 시간 복잡도를 가진다.

용도: 데이터의 유일성과 함께 삽입 순서를 유지해야 할 때 적합하다.

참고: 연결 링크를 유지해야 하기 떄문에 HashSet 보다는 조금 무겁다.

 

• LinkedHashSet은 HashSet에 연결 링크만 추가한 것이다.
• HashSet에 LinkedList를 합친 것으로 이해하면 된다.
• 이 연결 링크는 데이터를 입력한 순서대로 연결된다..
• head(first)부터 순서대로 링크를 따라가면 입력 순서대로 데이터르 ㄹ순회할 수 있다.
• 양방향으로 연결된다. (그림은 이해를 돕기위해 단방향으로 보여줬다)

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자바가 제공하는 Set2 - TreeSet

3. TreeSet 

구현: TreeSet은 이진 탐색 트리를 개선한 레드-블랙 트리를 내부에서 사용한다.

순서: 요소들은 정렬된 순서로 지정된다. 순서의 기준은 비교자(Compator)로 변경할 수 있다. 

시간 복잡도: 주요 연산들은 O(log n)의 시간 복잡도를 가진다. 따라서 HashSet보다는 느리다.

용도: 데이터들을 정렬된 순서로 유지하면서 집합의 특성을 유지해야 할 때 사용된다. 예를 들어, 범위 검색이나 정렬된 데이터가 필요한 경우에 유용하다. 참고로 입력된 순서가 아니라 데이터 값의 순서이다. 예를 들어 3,1,2 순서대로 입력해도 1, 2, 3 순서로 출력된다.

 

트리 구조

• 트리는 부모 노드와 자식 노드로 구성된다.
• 가장 높은 조상을 루트(root)라 한다. 
• 자식이 2개까지 올 수 있는 트리를 이진 트리라 한다.
• 여기에 노드의 왼쪽 자손은 더 작은 값을 가지고, 오른쪽 자손은 더 큰 값을 가지는 것을 이진 탐색 트리라고 한다.
• TreeSet은 이진 탐색 트리를 개선한 레드-블랙 트리를 사용한다. 

 

 

이진 탐색 트리 계산의 핵심은 한번에 절반을 날린다는 점이다. 

 

이진 탐색 트리의 빅오 - O(log n)

이진 탐색 트리와 성능

이진 탐색 트리의 검색, 삽입, 삭제의 평균 성능은 O(log n)이다. 하지만 트리의 균형이 맞지 않으면 최악의 경우 O(n)의 성능이 나온다.

 

이진 탐색 트리의 개선

이런 문제를 해결하기 위해 다양한 해결 방안이 있는데 트리의 균형이 너무 깨진 경우 동적으로 균형을 다시 맞추는것이다.

• 앞서 중간에 있는 값을 기준으로 다시 정렬한다.
• AVL 트리, 레드-블랙 트리 같은 균형을 맞추는 다양한 알고리즘이 존재한다.
• 자바의 TreeSet은 레드-블랙 트리를 사용해서 균형을 지속해서 유지한다. 따라서 최악의 경우에도 O(log n)의 성능을 제공한다.

이진 탐색 트리 - 순회

• 이진 탐색 트리의 핵심은 입력 순서가 아니라, 데이터의 값을 기준으로 정렬해서 보관한다는 점이다.
• 따라서 정렬된 순서로 데이터를 차례로 조회할 수 있다.
• 데이터를 차례로 순회하려면 중위 순회라는 방법을 사용하면 된다. 왼족 서브트리를 방문한 다음, 현재 노드를 처리하고, 마지막으로 오른쪽 서브트리를 방문한다. 이 방식은 이진 탐색 트리의 특성상, 노드를 오름차순으로 방문한다.

 

중위 종회 순서

쉽게 이야기해서 자신의 왼쪽 모든 노드를 처리하고, 자신의 노드를 처리하고, 자신의 오른쪽 노드를 처리하는 방식이다.

 

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자바가 제공하는 Set3 - 예제

package collection.set.javaset;

import java.util.*;

public class JavaSetMain {

    public static void main(String[] args) {
        run(new HashSet<>());
        run(new LinkedHashSet<>());
        run(new TreeSet<>());
    }

    private static void run(Set<String> set) {
        System.out.println("set = " + set.getClass());
        set.add("C");
        set.add("B");
        set.add("A");
        set.add("1");
        set.add("2");

        Iterator<String> iterator = set.iterator();
        while (iterator.hasNext()) {
            System.out.print(iterator.next() + " ");
        }
        System.out.println();
    }
}

 

실행 결과

set = class java.util.HashSet
A 1 B 2 C 
set = class java.util.LinkedHashSet
C B A 1 2 
set = class java.util.TreeSet
1 2 A B C

• HashSet: 입력한 순서를 보장하지 않는다. //O(1)
• LinkedHashSet: 입력한 순서를 정확히 보장한다. //O(1)
• TreeSet: 데이터 값을 기준으로 정렬한다. //O(log n)

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자바가 제공하는 Set4 - 최적화

자바의 HashSet 최적화

• 해시 기반 자료 구조를 사용하는 경우 통계적으로 입력한 데이터의 수가 배열의 크기를 75% 정도 넘어가면 해시 인덱스가 자주 충돌한다. 따라서 75%가 넘어가면 성능이 떨어지기 시작한다.
  • 해시 충돌로 같은 해시 인덱스에 들어간 데이터를 검색하려면 모두 탐색해야 한다. 따라서 성능이 O(n)으로 좋지 않다.
• 하지만 데이터가 동적으로 계속 추가되기 때문에 적절한 배열의 크기를 정하는 것은 어렵다.
• 자바의 HAshSet은 데이터의 양이 배열 크기의 75%를 넘어가면 배열의 크기를 2배로 늘리고 2배 늘어난 크기를 기준으로 모든 요소에 해시 인덱스를 다시 적용한다.
  • 해시 인덱스를 다시 적용하는 시간이 걸리지만, 결과적으로 해시 충돌이 줄어든다
• 자바 HashSet의 기본 크기는 16이다.

 

 

정리

실무에서는 Set이 필요한 경우 HashSet을 가장 많이 사용한다. 그리고 입력 순서 유지, 값 정렬 필요에 따라서 LinkedHashSet, TreeSet을 선택하면 된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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정리

 

 

 

 

 

 

 

 

출처 - 김영한의 실전 자바 중급 2편