上節介紹了EnumMap，本節介紹同樣針對枚舉類型的Set接口的實現類EnumSet。與EnumMap類似，之所以會有一個專門的針對枚舉類型的實現類，主要是因為它可以非常高效的實現Set接口。
之前介紹的Set接口的實現類HashSet/TreeSet，它們內部都是用對應的HashMap/TreeMap實現的，但EnumSet不是，它的實現與EnumMap沒有任何關系，而是用極為精簡和高效的位向量實現的，位向量是計算機程序中解決問題的一種常用方式，我們有必要理解和掌握。
除了實現機制，EnumSet的用法也有一些不同。次外，EnumSet可以說是處理枚舉類型數據的一把利器，在一些應用領域，它非常方便和高效。
下面，我們先來看EnumSet的基本用法，然後通過一個場景來看EnumSet的應用，最後，我們分析EnumSet的實現機制。
基本用法
與TreeSet/HashSet不同，EnumSet是一個抽象類，不能直接通過new新建，也就是說，類似下面代碼是錯誤的：
EnumSet<Size> set = new EnumSet<Size>();
不過，EnumSet提供了若干靜態工廠方法，可以創建EnumSet類型的對象，比如：
public static <E extends Enum<E>> EnumSet<E> noneOf(Class<E> elementType)
noneOf方法會創建一個指定枚舉類型的EnumSet，不含任何元素。創建的EnumSet對象的實際類型是EnumSet的子類，待會我們再分析其具體實現。
為方便舉例，我們定義一個表示星期幾的枚舉類Day，值從周一到周日，如下所示：
enum Day {
MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY,
THURSDAY, FRIDAY, SATURDAY, SUNDAY
}
可以這麼用noneOf方法：
Set<Day> weekend = EnumSet.noneOf(Day.class); weekend.add(Day.SATURDAY); weekend.add(Day.SUNDAY); System.out.println(weekend);
weekend表示休息日，noneOf返回的Set為空，添加了周六和周日，所以輸出為：
[SATURDAY, SUNDAY]
EnumSet還有很多其他靜態工廠方法，如下所示(省略了修飾public static)：
// 初始集合包括指定枚舉類型的所有枚舉值 <E extends Enum<E>> EnumSet<E> allOf(Class<E> elementType) // 初始集合包括枚舉值中指定范圍的元素 <E extends Enum<E>> EnumSet<E> range(E from, E to) // 初始集合包括指定集合的補集 <E extends Enum<E>> EnumSet<E> complementOf(EnumSet<E> s) // 初始集合包括參數中的所有元素 <E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e) <E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2) <E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2, E e3) <E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2, E e3, E e4) <E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E e1, E e2, E e3, E e4, E e5) <E extends Enum<E>> EnumSet<E> of(E first, E... rest) // 初始集合包括參數容器中的所有元素 <E extends Enum<E>> EnumSet<E> copyOf(EnumSet<E> s) <E extends Enum<E>> EnumSet<E> copyOf(Collection<E> c)
可以看到，EnumSet有很多重載形式的of方法，最後一個接受的的是可變參數，其他重載方法看上去是多余的，之所以有其他重載方法是因為可變參數的運行效率低一些。
應用場景
下面，我們通過一個場景來看EnumSet的應用。
想象一個場景，在一些工作中，比如醫生、客服，不是每個工作人員每天都在的，每個人可工作的時間是不一樣的，比如張三可能是周一和周三，李四可能是周四和周六，給定每個人可工作的時間，我們可能有一些問題需要回答，比如：
使用EnumSet，可以方便高效地回答這些問題，怎麼做呢？我們先來定義一個表示工作人員的類Worker，如下所示：
class Worker {
String name;
Set<Day> availableDays;
public Worker(String name, Set<Day> availableDays) {
this.name = name;
this.availableDays = availableDays;
}
public String getName() {
return name;
}
public Set<Day> getAvailableDays() {
return availableDays;
}
}
為演示方便，將所有工作人員的信息放到一個數組workers中，如下所示：
Worker[] workers = new Worker[]{
new Worker("張三", EnumSet.of(
Day.MONDAY, Day.TUESDAY, Day.WEDNESDAY, Day.FRIDAY)),
new Worker("李四", EnumSet.of(
Day.TUESDAY, Day.THURSDAY, Day.SATURDAY)),
new Worker("王五", EnumSet.of(
Day.TUESDAY, Day.THURSDAY)),
};
每個工作人員的可工作時間用一個EnumSet表示。有了這個信息，我們就可以回答以上的問題了。
哪些天一個人都不會來？代碼可以為：
Set<Day> days = EnumSet.allOf(Day.class);
for(Worker w : workers){
days.removeAll(w.getAvailableDays());
}
System.out.println(days);
days初始化為所有值，然後遍歷workers，從days中刪除可工作的所有時間，最終剩下的就是一個人都不會來的時間，這實際是在求worker時間並集的補集，輸出為：
[SUNDAY]
有哪些天至少會有一個人來？就是求worker時間的並集，代碼可以為：
Set<Day> days = EnumSet.noneOf(Day.class);
for(Worker w : workers){
days.addAll(w.getAvailableDays());
}
System.out.println(days);
輸出為：
[MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY, THURSDAY, FRIDAY, SATURDAY]
有哪些天所有人都會來？就是求worker時間的交集，代碼可以為：
Set<Day> days = EnumSet.allOf(Day.class);
for(Worker w : workers){
days.retainAll(w.getAvailableDays());
}
System.out.println(days);
輸出為：
[TUESDAY]
哪些人周一和周二都會來？使用containsAll方法，代碼可以為：
Set<Worker> availableWorkers = new HashSet<Worker>();
for(Worker w : workers){
if(w.getAvailableDays().containsAll(
EnumSet.of(Day.MONDAY,Day.TUESDAY))){
availableWorkers.add(w);
}
}
for(Worker w : availableWorkers){
System.out.println(w.getName());
}
輸出為：
張三
哪些天至少會有兩個人來？我們先使用EnumMap統計每天的人數，然後找出至少有兩個人的天，代碼可以為：
Map<Day, Integer> countMap = new EnumMap<>(Day.class);
for(Worker w : workers){
for(Day d : w.getAvailableDays()){
Integer count = countMap.get(d);
countMap.put(d, count==null?1:count+1);
}
}
Set<Day> days = EnumSet.noneOf(Day.class);
for(Map.Entry<Day, Integer> entry : countMap.entrySet()){
if(entry.getValue()>=2){
days.add(entry.getKey());
}
}
System.out.println(days);
輸出為：
[TUESDAY, THURSDAY]
理解了EnumSet的使用，下面我們來看它是怎麼實現的。
實現原理
位向量
EnumSet是使用位向量實現的，什麼是位向量呢？就是用一個位表示一個元素的狀態，用一組位表示一個集合的狀態，每個位對應一個元素，而狀態只可能有兩種。
對於之前的枚舉類Day，它有7個枚舉值，一個Day的集合就可以用一個字節byte表示，最高位不用，設為0，最右邊的位對應順序最小的枚舉值，從右到左，每位對應一個枚舉值，1表示包含該元素，0表示不含該元素。
比如，表示包含Day.MONDAY，Day.TUESDAY，Day.WEDNESDAY，Day.FRIDAY的集合，位向量圖示結構如下：
對應的整數是23。
位向量能表示的元素個數與向量長度有關，一個byte類型能表示8個元素，一個long類型能表示64個元素，那EnumSet用的長度是多少呢？
EnumSet是一個抽象類，它沒有定義使用的向量長度，它有兩個子類，RegularEnumSet和JumboEnumSet。RegularEnumSet使用一個long類型的變量作為位向量，long類型的位長度是64，而JumboEnumSet使用一個long類型的數組。如果枚舉值個數小於等於64，則靜態工廠方法中創建的就是RegularEnumSet，大於64的話就是JumboEnumSet。
內部組成
理解了位向量的基本概念，我們來看EnumSet的實現，同EnumMap一樣，它也有表示類型信息和所有枚舉值的實例變量，如下所示：
final Class<E> elementType; final Enum[] universe;
elementType表示類型信息，universe表示枚舉類的所有枚舉值。
EnumSet自身沒有記錄元素個數的變量，也沒有位向量，它們是子類維護的。
對於RegularEnumSet，它用一個long類型表示位向量，代碼為：
private long elements = 0L;
它沒有定義表示元素個數的變量，是實時計算出來的，計算的代碼是：
public int size() {
return Long.bitCount(elements);
}
對於JumboEnumSet，它用一個long數組表示，有單獨的size變量，代碼為：
private long elements[]; private int size = 0;
靜態工廠方法
我們來看EnumSet的靜態工廠方法noneOf，代碼為：
public static <E extends Enum<E>> EnumSet<E> noneOf(Class<E> elementType) {
Enum[] universe = getUniverse(elementType);
if (universe == null)
throw new ClassCastException(elementType + " not an enum");
if (universe.length <= 64)
return new RegularEnumSet<>(elementType, universe);
else
return new JumboEnumSet<>(elementType, universe);
}
getUniverse的代碼與上節介紹的EnumMap是一樣的，就不贅述了。如果元素個數不超過64，就創建RegularEnumSet，否則創建JumboEnumSet。
RegularEnumSet和JumboEnumSet的構造方法為：
RegularEnumSet(Class<E>elementType, Enum[] universe) {
super(elementType, universe);
}
JumboEnumSet(Class<E>elementType, Enum[] universe) {
super(elementType, universe);
elements = new long[(universe.length + 63) >>> 6];
}
它們都調用了父類EnumSet的構造方法，其代碼為：
EnumSet(Class<E>elementType, Enum[] universe) {
this.elementType = elementType;
this.universe = universe;
}
就是給實例變量賦值，JumboEnumSet根據元素個數分配足夠長度的long數組。
其他工廠方法基本都是先調用noneOf構造一個空的集合，然後再調用添加方法，我們來看添加方法。
添加元素
RegularEnumSet的add方法的代碼為：
public boolean add(E e) {
typeCheck(e);
long oldElements = elements;
elements |= (1L << ((Enum)e).ordinal());
return elements != oldElements;
}
主要代碼是按位或操作：
elements |= (1L << ((Enum)e).ordinal());
(1L << ((Enum)e).ordinal())將元素e對應的位設為1，與現有的位向量elements相或，就表示添加e了。從集合論的觀點來看，這就是求集合的並集。
JumboEnumSet的add方法的代碼為：
public boolean add(E e) {
typeCheck(e);
int eOrdinal = e.ordinal();
int eWordNum = eOrdinal >>> 6;
long oldElements = elements[eWordNum];
elements[eWordNum] |= (1L << eOrdinal);
boolean result = (elements[eWordNum] != oldElements);
if (result)
size++;
return result;
}
與RegularEnumSet的add方法的區別是，它先找對應的數組位置，eOrdinal >>> 6就是eOrdinal除以64，eWordNum就表示數組索引，有了索引之後，其他操作與RegularEnumSet就類似了。
對於其他操作，JumboEnumSet的思路是類似的，主要算法與RegularEnumSet一樣，主要是增加了尋找對應long位向量的操作，或者有一些循環處理，邏輯也都比較簡單，後文就只介紹RegularEnumSet的實現了。
RegularEnumSet的addAll方法的代碼為：
public boolean addAll(Collection<? extends E> c) {
if (!(c instanceof RegularEnumSet))
return super.addAll(c);
RegularEnumSet es = (RegularEnumSet)c;
if (es.elementType != elementType) {
if (es.isEmpty())
return false;
else
throw new ClassCastException(
es.elementType + " != " + elementType);
}
long oldElements = elements;
elements |= es.elements;
return elements != oldElements;
}
類型正確的話，就是按位或操作。
刪除元素
remove方法的代碼為：
public boolean remove(Object e) {
if (e == null)
return false;
Class eClass = e.getClass();
if (eClass != elementType && eClass.getSuperclass() != elementType)
return false;
long oldElements = elements;
elements &= ~(1L << ((Enum)e).ordinal());
return elements != oldElements;
}
主要代碼是：
elements &= ~(1L << ((Enum)e).ordinal());
~是取反，該代碼將元素e對應的位設為了0，這樣就完成了刪除。
從集合論的觀點來看，remove就是求集合的差，A-B等價於A∩B'，B'表示B的補集。代碼中，elements相當於A，(1L << ((Enum)e).ordinal())相當於B，~(1L << ((Enum)e).ordinal())相當於B'，elements &= ~(1L << ((Enum)e).ordinal())就相當於A∩B'，即A-B。
查看是否包含某元素
contains方法的代碼為：
public boolean contains(Object e) {
if (e == null)
return false;
Class eClass = e.getClass();
if (eClass != elementType && eClass.getSuperclass() != elementType)
return false;
return (elements & (1L << ((Enum)e).ordinal())) != 0;
}
代碼也很簡單，按位與操作，不為0，則表示包含。
查看是否包含集合中的所有元素
containsAll方法的代碼為：
public boolean containsAll(Collection<?> c) {
if (!(c instanceof RegularEnumSet))
return super.containsAll(c);
RegularEnumSet es = (RegularEnumSet)c;
if (es.elementType != elementType)
return es.isEmpty();
return (es.elements & ~elements) == 0;
}
最後的位操作有點晦澀。我們從集合論的角度解釋下，containsAll就是在檢查參數c表示的集合是不是當前集合的子集。一般而言，集合B是集合A的子集，即B⊆A，等價於A'∩B是空集∅，A'表示A的補集，如下圖所示：
上面代碼中，elements相當於A，es.elements相當於B，~elements相當於求A的補集，(es.elements & ~elements) == 0;就是在驗證A'∩B是不是空集，即B是不是A的子集。
只保留參數集合中有的元素
retainAll方法的代碼為：
public boolean retainAll(Collection<?> c) {
if (!(c instanceof RegularEnumSet))
return super.retainAll(c);
RegularEnumSet<?> es = (RegularEnumSet<?>)c;
if (es.elementType != elementType) {
boolean changed = (elements != 0);
elements = 0;
return changed;
}
long oldElements = elements;
elements &= es.elements;
return elements != oldElements;
}
從集合論的觀點來看，這就是求集合的交集，所以主要代碼就是按位與操作，容易理解。
求補集
EnumSet的靜態工廠方法complementOf是求補集，它調用的代碼是：
void complement() {
if (universe.length != 0) {
elements = ~elements;
elements &= -1L >>> -universe.length; // Mask unused bits
}
}
這段代碼也有點晦澀，elements=~elements比較容易理解，就是按位取反，相當於就是取補集，但我們知道elements是64位的，當前枚舉類可能沒有用那麼多位，取反後高位部分都變為了1，需要將超出universe.length的部分設為0。下面代碼就是在做這件事：
elements &= -1L >>> -universe.length;
-1L是64位全1的二進制，我們在剖析Integer一節介紹過移動位數是負數的情況，上面代碼相當於：
elements &= -1L >>> (64-universe.length);
如果universe.length為7，則-1L>>>(64-7)就是二進制的1111111，與elements相與，就會將超出universe.length部分的右邊的57位都變為0。
實現原理小結
以上就是EnumSet的基本實現原理，內部使用位向量，表示很簡潔，節省空間，大部分操作都是按位運算，效率極高。
小結
本節介紹了EnumSet的用法和實現原理，用法上，它是處理枚舉類型數據的一把利器，簡潔方便，實現原理上，它使用位向量，精簡高效。
對於只有兩種狀態，且需要進行集合運算的數據，使用位向量進行表示、位運算進行處理，是計算機程序中一種常用的思維方式。
至此，關於具體的容器類，我們就介紹完了。Java容器類中還有一些過時的容器類，以及一些不常用的類，我們就不介紹了。
在介紹具體容器類的過程中，我們忽略了一個實現細節，那就是，所有容器類其實都不是從頭構建的，它們都繼承了一些抽象容器類。這些抽象類提供了容器接口的部分實現，方便了Java具體容器類的實現。如果我們需要實現自定義的容器類，也應該考慮從這些抽象類繼承。
那，具體都有什麼抽象類？它們都提供了哪些基礎功能？如何進行擴展呢？讓我們下節來探討。
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