目录
一.哈希概念
二.哈希冲突
三.哈希函数
四.哈希冲突解决
一.闭散列(开放寻址法)
①插入:
②查找:
③删除:
代码+测试:
二.开散列(拉链法)
①插入:
②查找:
③删除:
代码+测试:
五.开散列与闭散列比较
一.哈希概念
顺序结构以及平衡树中,元素关键码与其存储位置之间没有对应的关系,因此在查找一个元素 时,必须要经过关键码的多次比较。顺序查找时间复杂度为O(N),平衡树中为树的高度,即 O(log2 N),搜索的效率取决于搜索过程中元素的比较次数。
理想的搜索方法:可以不经过任何比较,一次直接从表中得到要搜索的元素。 如果构造一种存储结构,通过某种函数(hashFunc)使元素的存储位置与它的关键码之间能够建立 一一映射的关系,那么在查找时通过该函数可以很快找到该元素。
当向该结构中:
插入元素:根据待插入元素的关键码,以此函数计算出该元素的存储位置并按此位置进行存放;
搜索元素:对元素的关键码进行同样的计算,把求得的函数值当做元素的存储位置,在结构中按此位置取元素比较,若关键码相等,则搜索成功。该方式即为哈希(散列)方法,哈希方法中使用的转换函数称为哈希(散列)函数,构造出来的结构称 为哈希表(Hash Table)(或者称散列表)
例如:数据集合{1,7,5,6,9}
哈希函数设置为:hash(key) = key % capacity; capacity为存储元素底层空间总的大小。
用该方法进行搜索不必进行多次关键码的比较,因此搜索的速度比较快
二.哈希冲突
对于两个数据元素的关键字 i 和 j (i != j),但有:Hash(i) == Hash(j),即:不同关键字通过相同哈希哈数计算出相同的哈希地址,该种现象称为哈希冲突 或哈希碰撞. 把具有不同关键码而具有相同哈希地址的数据元素称为“同义词”。
例如把44插入上图中即与4发生冲突。
三.哈希函数
引起哈希冲突的一个原因可能是:哈希函数设计不够合理
哈希函数设计原则
- 哈希函数的定义域必须包括需要存储的全部关键码,而如果散列表允许有m个地址时,其值域必须在0到m-1之间
- 哈希函数计算出来的地址能均匀分布在整个空间中
- 哈希函数应该比较简单
常见的哈希函数
1、 直接定址法--(常用)
取关键字的某个线性函数为散列地址: Hash(Key)= A*Key + B
优点:简单、均匀
缺点:需要事先知道关键字的分布情况
使用场景:适合查找比较小且连续的情况
2、 除留余数法--(常用)设散列表中允许的地址数为m,取一个不大于m,但最接近或者等于m的质数p作为除 数,按照哈希函数: Hash(key) = key% p (p<=m),将关键码转换成哈希地址
3. 平方取中法--(了解)
假设关键字为1234,对它平方就是1522756,抽取中间的3位227作为哈希地址;
再比如关键字为4321,对它平方就是18671041,抽取中间的3位671(或710)作为哈希 地址
平方取中法比较适合:不知道关键字的分布,而位数又不是很大的情况
4、 折叠法--(了解)
折叠法是将关键字从左到右分割成位数相等的几部分(最后一部分位数可以短些),然后 将这几部分叠加求和,并按散列表表长,取后几位作为散列地址。
折叠法适合事先不需要知道关键字的分布,适合关键字位数比较多的情况
5、 随机数法--(了解)
选择一个随机函数,取关键字的随机函数值为它的哈希地址,即H(key) = random(key), 其中random为随机数函数。
通常应用于关键字长度不等时采用此法
6、数学分析法--(了解)
设有n个d位数,每一位可能有r种不同的符号,这r种不同的符号在各位上出现的频率不 一定相同,可能在某些位上分布比较均匀,每种符号出现的机会均等,在某些位上分布 不均匀只有某几种符号经常出现。可根据散列表的大小,选择其中各种符号分布均匀的 若干位作为散列地址。
注意:哈希函数设计的越精妙,产生哈希冲突的可能性就越低,但是无法避免哈希冲突
四.哈希冲突解决
解决哈希冲突两种常见的方法是:闭散列和开散列
一.闭散列(开放寻址法)
闭散列:当发生哈希冲突时,如果哈希表未被装满,说明在哈希表中必然还有
空位置,那么可以把key存放到冲突位置中的“下一个” 空位置中去。那如何寻找下一个空位置呢?
①插入:
线性探测:从发生冲突的位置开始,依次向后探测,直到寻找到下一个空位置为止。
比如我们上面举的例子:现在我们需要插入44这个元素,先通过哈希函数计算哈希地址,hashAddr为4, 因此44理论上应该插在该位置,但是该位置已经放了值为4的元素,即发生哈希冲突。
1、通过哈希函数获取待插入元素在哈希表中的位置
2、如果该位置中没有元素则直接插入新元素,如果该位置中有元素发生哈希冲突,使用线性探测找到下一个空位置,插入新元素。
那么如果当前列表已经满了,再插入一个元素呢,很明显我们需要考虑扩容问题,我们引入:
散列表的载荷因子定义为: = 填入表中的元素个数 / 散列表的长度
是散列表装满程度的标志因子,由于表长是定值,与“填入表中的元素个数”成正比,越大填入表中元素越多,产生冲突的可能性越大;反之,越小填入表中的元素越少,产生冲突的可能性就越小;实际上,散列表的平均查找长度是载荷因子的函数,只是不同处理冲突的方法有不同的函数;
对于开放定址法,载荷因子是特别重要因素,应严格限制在0.7-0.8以下;超过0.8,查表时cpu缓存不命中(cache missing)按照指数曲线上升,因此一些采用开放定址法的hash库,如Java的系统库限制了载荷因子为0.75,超过此值将resize散列表。
//大于0.7 防止浮点数可以采用乘10大于7
if (_n * 10 / _tables.size() >= 7)
{
HashTable<K, V, Hash> newHT;
newHT._tables.resize(_tables.size() * 2);
// 旧表重新计算负载到新表
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
//EXIST见下文删除部分
if (_tables[i]._state == EXIST)
{
newHT.Insert(_tables[i]._kv);
}
}
_tables.swap(newHT._tables);
}
那么如果我们插入的元素不是单纯的整形又该怎么办呢?我们应寻找一个处理方法:对于非字符串的元素,我们将其强转为size_t类型,对于字符串类型,我们使用131进制将其转为数字即可。
其过程还是用到了仿函数,模板将string特化一下即可。
template<class K>
struct HashFunc
{
size_t operator()(const K& key)
{
return (size_t)key;
}
};
//特化string
template<>
struct HashFunc<string>
{
size_t operator()(const string& key)
{
//131进制是科学家发现的冲突极少的进制
//自然溢出即可 相当于mod操作
size_t hash = 0;
for (const auto& ch : key)
{
hash *= 131;
hash += ch;
}
return hash;
}
};
插入总代码:
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
if (Find(kv.first))
return false;
//exit(0);
// 扩容
if (_n * 10 / _tables.size() >= 7)
{
//size_t newsize = _tables.size() * 2;
//vector<HashData<K, V>> newtables(newsize);
旧表重新计算负载到新表
//for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
//{}
HashTable<K, V, Hash> newHT;
newHT._tables.resize(_tables.size() * 2);
// 旧表重新计算负载到新表
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
if (_tables[i]._state == EXIST)
{
newHT.Insert(_tables[i]._kv);
}
}
_tables.swap(newHT._tables);
}
Hash hs;
size_t hashi = hs(kv.first) % _tables.size();
// 线性探测
while (_tables[hashi]._state == EXIST)
{
++hashi;
hashi %= _tables.size();
}
_tables[hashi]._kv = kv;
_tables[hashi]._state = EXIST;
++_n;
return true;
}
线性探测优点:实现非常简单。
线性探测缺点:一旦发生哈希冲突,所有的冲突连在一起,容易产生数据“堆积”,即:不同关键码占据了可利用的空位置,使得寻找某关键码的位置需要许多次比较,导致搜索效率降低。如何缓解呢?
二次探测:
哈希冲突后,找下一个空位置的方法为
(i=1,2,3...,是通过散列函数Hash(X)对元素的关键码key进行计算得到的位置,m表示表的大小)
即若一个位置x冲突,则去看x + 1 和 x - 1. 若没有空位置再看 x + 4 和 x - 4,以此类推。
研究表明,当表长度为质数且载荷因子不超过0.5时,新表项一定能够插入,而且任何一个位置都不会被探查两次,因此只要表中有一半的位置,就不会存在表满的问题,在搜索时可以不考虑表装满的情况,但在插入时必须确保表的载荷因子不超过0.5,如超过需考虑增容;
代码作者不再展示。
②查找:
找到映射位置后,若不是对应元素,线性往后找即可。
HashData<K, V>* Find(const K& key)
{
Hash hs;
size_t hashi = hs(key) % _tables.size();
//不可能全是满的 负载因子会更新数组大小
while (_tables[hashi]._state != EMPTY)
{
if (_tables[hashi]._state == EXIST &&
_tables[hashi]._kv.first == key)
{
return &_tables[hashi];
}
++hashi;
hashi %= _tables.size();
}
return nullptr;
}
③删除:
采用闭散列处理哈希冲突时,不能随便物理删除哈希表中已有的元素,若直接删除元素会影响其他元素的搜索。比如删除元素4,如果直接删除掉,44查找起来可能会受影 响。因此线性探测采用标记的伪删除法来删除一个元素。
//伪标记
enum State
{
EMPTY,
EXIST,
DELETE
};
bool Erase(const K& key)
{
HashData<K, V>* ret = Find(key);
if (ret == nullptr)
{
return false;
}
else
{
ret->_state = DELETE;
_n--;
return true;
}
}
代码+测试:
#include<vector>
#include<string>
template<class K>
struct HashFunc
{
size_t operator()(const K& key)
{
return (size_t)key;
}
};
//特化string
template<>
struct HashFunc<string>
{
size_t operator()(const string& key)
{
//131进制是科学家发现的冲突极少的进制
//自然溢出即可 相当于mod操作
size_t hash = 0;
for (const auto& ch : key)
{
hash *= 131;
hash += ch;
}
return hash;
}
};
// 开放寻址法
namespace open_address
{
enum State
{
EMPTY,
EXIST,
DELETE
};
template<class K, class V>
struct HashData
{
pair<K, V> _kv;
State _state = EMPTY;
};
template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class HashTable
{
public:
HashTable()
{
//初始化大小
_tables.resize(10);
}
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
if (Find(kv.first))
return false;
//exit(0);
// 扩容
if (_n * 10 / _tables.size() >= 7)
{
//size_t newsize = _tables.size() * 2;
//vector<HashData<K, V>> newtables(newsize);
旧表重新计算负载到新表
//for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
//{}
HashTable<K, V, Hash> newHT;
newHT._tables.resize(_tables.size() * 2);
// 旧表重新计算负载到新表
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
if (_tables[i]._state == EXIST)
{
newHT.Insert(_tables[i]._kv);
}
}
_tables.swap(newHT._tables);
}
Hash hs;
size_t hashi = hs(kv.first) % _tables.size();
// 线性探测
while (_tables[hashi]._state == EXIST)
{
++hashi;
hashi %= _tables.size();
}
_tables[hashi]._kv = kv;
_tables[hashi]._state = EXIST;
++_n;
return true;
}
HashData<K, V>* Find(const K& key)
{
Hash hs;
size_t hashi = hs(key) %_tables.size();
//不可能全是满的 负载因子会更新数组大小
while (_tables[hashi]._state != EMPTY)
{
if (_tables[hashi]._state == EXIST &&
_tables[hashi]._kv.first == key)
{
return &_tables[hashi];
}
++hashi;
hashi %= _tables.size();
}
return nullptr;
}
bool Erase(const K& key)
{
HashData<K, V>* ret = Find(key);
if (ret == nullptr)
{
return false;
}
else
{
ret->_state = DELETE;
_n--;
return true;
}
}
private:
vector<HashData<K, V>> _tables;
size_t _n = 0; //有效数据个数
};
void TestHT1()
{
int a[] = { 10001,11,55,24,19,12,31 };
HashTable<int, int> ht;
for (auto e : a)
{
ht.Insert(make_pair(e, e));
}
cout << ht.Find(55) << endl;
cout << ht.Find(31) << endl;
ht.Erase(55);
cout << ht.Find(55) << endl;
cout << ht.Find(31) << endl;
}
void TestHT2()
{
int a[] = { 10001,11,55,24,19,12,31 };
HashTable<int, int> ht;
for (auto e : a)
{
ht.Insert(make_pair(e, e));
}
ht.Insert(make_pair(32, 32));
ht.Insert(make_pair(32, 32));
}
struct Person
{
//string _id;
string _name;
int _age;
string school;
};
// 21:15
// key不支持强转整形取模,那么就要自己提供转换成整形仿函数
//void TestHT3()
//{
// HashTable<Person, int> xxht;
// //HashTable<string, int, StringHashFunc> ht;
// HashTable<string, int> ht;
// ht.Insert(make_pair("sort", 1));
// ht.Insert(make_pair("left", 1));
// ht.Insert(make_pair("insert", 1));
// cout << StringHashFunc()("bacd") << endl;
// cout << StringHashFunc()("abcd") << endl;
// cout << StringHashFunc()("aadd") << endl;
//}
void test_map1()
{
string arr[] = { "苹果", "西瓜", "苹果", "西瓜", "苹果", "苹果", "西瓜",
"苹果", "香蕉", "苹果", "香蕉","苹果","草莓", "苹果","草莓" };
unordered_map<string, int> countMap;
for (auto& e : arr)
{
countMap[e]++;
}
cout << countMap.load_factor() << endl;
cout << countMap.max_load_factor() << endl;
cout << countMap.size() << endl;
cout << countMap.bucket_count() << endl;
cout << countMap.max_bucket_count() << endl;
for (auto& kv : countMap)
{
cout << kv.first << ":" << kv.second << endl;
}
cout << endl;
}
}
因此:闭散列最大的缺陷就是空间利用率比较低,这也是哈希的缺陷。
二.开散列(拉链法)
开散列法,首先对关键码集合用散列函数计算散列地址,具有相同地址的关键码归于同一子集合,每一个子集合称为一个桶,各个桶中的元素通过一个单链表链接起来,各链表的头结点存储在哈希表中。
两者相似处较多,重复部分不再赘述
①插入:
开散列为单链表插入,采用相对简单的头插。
对于扩容,开散列最好的情况是:每个哈希桶中刚好挂一个节点, 再继续插入元素时,每一次都会发生哈希冲突,因此,在元素个数刚好等于桶的个数时,可以给哈希表增容,即载荷因子等于 1时。
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
if (Find(kv.first))
return false;
//exit(0);
// 扩容
if (_n * 10 / _tables.size() >= 7)
{
//size_t newsize = _tables.size() * 2;
//vector<HashData<K, V>> newtables(newsize);
旧表重新计算负载到新表
//for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
//{}
HashTable<K, V, Hash> newHT;
newHT._tables.resize(_tables.size() * 2);
// 旧表重新计算负载到新表
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
if (_tables[i]._state == EXIST)
{
newHT.Insert(_tables[i]._kv);
}
}
_tables.swap(newHT._tables);
}
Hash hs;
size_t hashi = hs(kv.first) % _tables.size();
// 线性探测
while (_tables[hashi]._state == EXIST)
{
++hashi;
hashi %= _tables.size();
}
_tables[hashi]._kv = kv;
_tables[hashi]._state = EXIST;
++_n;
return true;
}
②查找:
找到映射位置链表查询即可
Node* Find(const K& key)
{
size_t hashi = key % _tables.size();
Node* cur = _tables[hashi];
while (cur)
{
if (cur->_kv.first == key)
{
return cur;
}
cur = cur->_next;
}
}
③删除:
单链表的删除
bool Erase(const K& key)
{
size_t hashi = key % _tables.size();
Node* prev = nullptr;
Node* cur = _tables[hashi];
while (cur)
{
if (cur->_kv.first == key)
{
// 删除的是第一个
if (prev == nullptr)
{
_tables[hashi] = cur->_next;
}
else
{
prev->_next = cur->_next;
}
return true;
}
else
{
prev = cur;
cur = cur->_next;
}
}
return false;
}
代码+测试:
// 哈希桶(拉链法)
namespace hash_bucket
{
template<class K, class V>
struct HashNode
{
pair<K, V> _kv;
HashNode<K, V>* _next;
};
template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class HashTable
{
typedef HashNode<K, V> Node;
public:
HashTable()
{
_tables.resize(10);
}
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
Hash hs;
//负载因子为1时扩容
if (_n == _tables.size())
{
vector<Node*> newTables(_tables.size() * 2, nullptr);
for (int i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
Node* cur = _tables[i];
//给每条链的每一个值重定向
while (cur)
{
Node* next = cur->_next;
size_t hashi = hs(cur->_kv.first) % _tables.size();
cur->_next = _tables[hashi];
_tables[hashi] = cur;
cur = next;
}
_tables.swap(newTables);
}
size_t hashi = hs(kv.first) % _tables.size();
Node* newnode = new Node(kv);
//头插
newnode->_next = _tables[hashi];
_tables[hashi] = newnode;
return true;
}
}
Node* Find(const K& key)
{
size_t hashi = key % _tables.size();
Node* cur = _tables[hashi];
while (cur)
{
if (cur->_kv.first == key)
{
return cur;
}
cur = cur->_next;
}
}
bool Erase(const K& key)
{
size_t hashi = key % _tables.size();
Node* prev = nullptr;
Node* cur = _tables[hashi];
while (cur)
{
if (cur->_kv.first == key)
{
// 删除的是第一个
if (prev == nullptr)
{
_tables[hashi] = cur->_next;
}
else
{
prev->_next = cur->_next;
}
return true;
}
else
{
prev = cur;
cur = cur->_next;
}
}
return false;
}
private:
vector<Node*> _tables;
size_t _n;
};
}
五.开散列与闭散列比较
应用链地址法处理溢出,需要增设链接指针,似乎增加了存储开销。事实上: 由于开地址法必须保持大量的空闲空间以确保搜索效率,如线性探查法要求装载因子a <= 0.7,而表项所占空间又比指针大的多,所以使用链地址法反而比开地址法节省存储空间。