先找出你的能力在哪里,然后再决定你是谁。
—— 塔拉·韦斯特弗 《你当像鸟飞往你的山》
1、C++ 与哈希表:核心概念与引入
哈希表(Hash Table)是一种重要的数据结构,它通过哈希函数将键映射到表中的特定位置,从而实现对记录的快速访问,支持高效的插入和查找操作。
哈希表的概念最早由H. P. Luhn于1953年提出,他首次描述了利用哈希函数加速数据检索的过程。自此,这一思想逐步演化并广泛应用于数据库管理系统和编程语言中,成为计算机科学领域的重要基础之一。
随着计算机硬件性能的提升和数据量的爆炸性增长,哈希表的作用愈发凸显。作为一种高效的数据结构,哈希表在软件工程、数据库系统、网络搜索引擎等领域扮演着不可或缺的角色,尤其在处理大规模数据和高频率查询时展现出卓越的性能优势。
**在C++中,哈希表的功能主要通过
unordered
系列关联式容器实现**。在C++98标准中,STL提供了一组底层基于红黑树的关联式容器,如
map
和
set
。这些容器在最坏情况下的查询复杂度为O(log N),即需要进行与红黑树高度成比例的比较操作。当树的节点数量庞大时,查询效率可能会受到显著影响。
为了进一步提升查询性能,C++11引入了四种
unordered
系列的关联式容器,包括
unordered_map
、
unordered_set
、
unordered_multimap
和
unordered_multiset
。**这些容器在使用方式上与传统的红黑树关联式容器相似,但其底层实现基于哈希表。通过哈希函数的高效映射,
unordered
容器在平均情况下能够实现O(1)的常数级查询复杂度**,极大地提高了数据访问速度,尤其适用于对查询性能要求较高的场景。
总之,哈希表及其在C++中的实现,不仅优化了数据存储与检索效率,还推动了现代软件开发在处理大规模数据时的能力边界,成为计算机科学领域中不可或缺的核心技术之一。
2、哈希表的底层机制:原理与挑战
2.1 核心功能解析:效率与灵活性的平衡
在顺序结构和平衡树中,元素的关键码与其存储位置之间并没有直接的对应关系。因此,在查找一个元素时,必须通过多次比较其关键码。在顺序查找中,时间复杂度为 O(N),而在平衡树中,查找时间复杂度为树的高度 O(log2N)),搜索效率取决于查找过程中元素比较的次数。
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。为此,我们可以构造一种特殊的存储结构,通过一个哈希函数(hashFunc)将元素的存储位置与其关键码(key)建立一一映射关系。在这种结构中:
- 插入元素:通过哈希函数计算待插入元素的存储位置,并将元素存储在该位置。
- 搜索元素:计算元素的关键码对应的存储位置,直接访问该位置。如果该位置的元素关键码与待查找的元素相同,则搜索成功。
2.2 哈希冲突的本质:问题与应对策略
对于两个数据元素的关键字 ,如果其下标不同,对应的元素值也不同。但哈希函数计算结果却是相同,即 Hash(ki)==Hash(kj),简单说两个不同的key可能会映射到同⼀个位置去
这种现象称为哈希冲突或哈希碰撞。
哈希冲突的发生可能是由于哈希函数的设计问题。一个好的哈希函数应该满足以下原则:
- 定义域覆盖所有关键字:哈希函数的定义域必须包含所有需要存储的关键字;如果散列表允许有 m 个地址,则哈希函数的值域应当在 0 到 m-1 之间。
- 均匀分布:哈希函数应能将关键字均匀地映射到整个地址空间中,减少冲突的概率。
- 计算简单:哈希函数应设计得尽可能简单,以提高计算效率。
然而,由于存储空间有限,哈希函数难以完全避免哈希冲突的发生。因此,发生哈希冲突时,系统需要采取适当的处理方法。通常,哈希冲突的解决方案有两种常见方法:闭散列(Open Addressing)和开散列(Chaining)。
在闭散列中,当发生冲突时,寻找一个空位将元素存储在散列表中。这通常通过线性探测、二次探测或双重散列等技术实现。
在开散列中,当发生冲突时,多个元素被存储在同一个地址位置的链表中,通常采用链表或其他数据结构来存储这些“同义词”。
在讨论哈希冲突的处理方法时,另一个重要的概念是负载因子(Load Factor)。负载因子是哈希表中元素个数与表的总容量之间的比值,通常表示为:
负载因子反映了哈希表的“密集程度”。当负载因子较高时,意味着哈希表中存储的元素接近其总容量,发生哈希冲突的概率增大;相反,负载因子较低时,哈希表中的元素较少,冲突的概率较小。
负载因子的应用与影响:
- 影响哈希冲突的概率:负载因子越大,哈希表中的元素越密集,碰撞的概率也越高。为了降低冲突发生的概率,通常在负载因子达到一定阈值时,会进行哈希表的扩容,将哈希表的容量增大,从而降低负载因子并减少冲突。
- 闭散列中的负载因子:在闭散列法中,当负载因子增大时,查找、插入等操作的时间复杂度会增加。因为哈希表的空闲位置减少,冲突发生后需要进行探测,可能导致操作变得低效。为避免这种情况,当负载因子超过一定值(通常为 0.7 或 0.75)时,会触发扩容操作,将哈希表的大小翻倍,并重新计算每个元素的哈希地址。
- 开散列中的负载因子:在开散列法中,负载因子的增大会导致链表的长度增加,进而影响查找效率。当负载因子过高时,链表变长,查找、插入和删除操作的时间复杂度会退化为线性时间 O(n)。因此,在开散列中,通常也会采取相似的策略,监控负载因子的变化,当负载因子超过某个阈值时,进行扩容或重新哈希。
2.3 开散列与闭散列:两大解决方案的比较
哈希(散列)方法是一种高效的数据存储和检索方式,其核心在于哈希函数和哈希表的构建。通过哈希函数将数据映射到数组索引上,可以快速定位元素。然而,当多个数据被映射到相同的索引(即哈希冲突)时,需要采取有效的策略进行处理。根据解决冲突的方式,哈希表分为两种类型:闭散列和开散列。
闭散列(开放定址法)
闭散列的核心思想是将冲突的元素存放到哈希表中的其他空位置。其主要实现方式是线性探测:
- 插入:通过哈希函数计算得到目标位置。如果该位置为空,则直接插入;若发生冲突,则从冲突位置开始,依次向后探测,直到找到空位置为止,再插入元素。例如,若元素
44
计算出的哈希地址为4
,但位置4
已存有元素4
,则继续向后探测,找到下一个空位置存放44
。 - 删除:采用伪删除标记代替物理删除,以免影响其他元素的搜索路径。例如,若直接删除元素
4
,则会导致后续查找44
时路径断裂,因此采用标记伪删除的方法。
优点:
- 实现简单,无需额外数据结构支持。
缺点:
- 容易产生数据堆积(又称“聚集”),即多个冲突元素连续占据空位置,导致后续插入和查找的效率显著下降。
- 空间利用率较低,特别是在装载因子较高时,冲突频率增加,性能退化明显。
为缓解上述问题,可以使用二次探测法或其他改进方法优化冲突处理。
开散列(链地址法)
开散列通过为每个哈希地址维护一个链表来解决冲突:
- 插入:计算哈希地址后,将冲突元素添加到对应链表的末尾。
- 删除:直接从链表中删除目标元素,链表结构确保不会影响其他元素的查找。
优点:
- 空间利用率高,能更好地适应高装载因子。
- 冲突处理灵活,不会产生数据堆积,查找效率相对稳定。
缺点:
- 需要额外的链表存储空间。
- 链表操作增加了一定的复杂性。
演示两种方法 {19,30,5,36,13,20,21,12,24,96} 这⼀组值映射到M=11的表中,采用的哈希函数:
除法散列法也叫做除留余数法,顾名思义,假设哈希表的大小为M,那么通过key除以M的余数作为映射位置的下标,也就是哈希函数为:h(key) = key % M。
3、 闭散列的精确实现:从设计到优化
3.1 整体框架设计:面向扩展的架构
首先我们需要进行一个简单的框架搭建:
- 我们需要一个HashData类,来储存数据
- HashTable类底层是vector容器
- 因为会有不同类型的key,所以我们需要一个仿函数来将不同类型转换为size_t,这样才支持哈希函数映射
- 因为闭散列的删除不能直接删除节点,否则会导致线性探测失效,所以HashData类里需要记录状态
//版本一 --- 开放地址法(闭散列)
#include<utility>
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
//节点状态
enum status
{
EXIST,
EMPTY,
DELETE
};
//设计节点
template<class K, class V>
struct HashData
{
//键值对
pair<K, V> _kv;
//状态
status _status;
};
// kv键值,仿函数解决不同类型key转换为size_t类型的下标
template<class K,class V,class Hash=HashFunc<K>>
class HashTable
{
public:
HashTable()
{
_table.resize(10);
}
private:
//底层是vector容器
vector<HashData K, V>> _table;
size_t _n;//有效数据个数
Hash hs;//仿函数
};
3.2 仿函数的灵活性:高效哈希的关键
仿函数的作用是将不同数据类型的key转换为可以使用的size_t类型,这样可以才能一 一映射过去
对于可以直接显示类型转换的类型直接转换即可。而对于不能直接转换的类型(比如string)就要进行特殊处理了!
template<class K>
struct HashFunc
{
size_t operator()(const K& key)
{
return (size_t)key;
}
};
template<>
struct HashFunc<string>
{
size_t operator()(const string& s)
{
// BKDR
size_t hash = 0;
for (auto ch : s)
{
hash += ch;
hash *= 131;
}
return hash;
}
};
3.3 插入操作:冲突检测与位置分配
- 首先插入之前要先检查是否在哈希表中已经有数据了
- 然后检查该次是否需要进行扩容
- 通过key值选取合适位置进行插入,有效个数++
bool insert(const pair<K, V>&kv)
{
//插入前先进行一个检查
if (Find(kv.first)) return false;
//是否需要扩容
if (_n >= _table.size() * 0.7)
{
//进行替换
HashTable<K, V> newHT;
newHT._table.resize(_table.size() * 2);
//进行赋值
for (auto &s : _table)
{
if (s._status == EXIST)
newHT.insert(s._kv);
}
//进行替换!!!
_table.swap(newHT._table);
}
//进行插入
//hash地址
size_t hash0 = kv.first % _table.size();
size_t hashi = hash0;
size_t i = 1;
//寻找合适位置进行插入
// 线性探测
while (_table[hashi].status == EXIST)
{
hashi = (hash0 + i) % _table.size(); //取模解决回绕问题
++i;
}
//找到合适位置了进行插入
_table[hashi]._kv = kv;
_table[hashi].status = EXIST;
_n++;
return true;
}
3.4 查找操作:速度与准确的双重保障
查找逻辑很简单对Key进行线性探测即可
HashData<K, V>* Find(const K& key)
{
size_t hash0 = hs(key) % _table.size();
size_t hashi = hash0;
size_t i = 1;
while (_table[hashi]._state != EMPTY)
{
if (_table[hashi]._state == EXIST
&& _table[hashi]._kv.first == key) //这里需要加判断状态语句 我们删除只是该状态
{
return &_table[hashi];
}
// 线性探测
hashi = (hash0 + i) % _table.size();
++i;
}
return nullptr;
}
3.5 删除操作:标记与重构的细节优化
删除先通过key找到需要删除的数据
然后将状态设置为
DELETE
, 有效个数- -
//删除
bool Erase(const K& key)
{
//size_t hash0 = hs(key) % _tables.size();
//size_t hashi = hash0;
//size_t i = 1;
//while (_table[hashi]._state != EMPTY)
//{
// if (_table[hashi]._state == EXIST
// && _table[hashi]._kv.first == key)
// {
// _table[hashi].status = DELETE;
// --_n;
// return true;
// }
// // 线性探测
// hashi = (hash0 + i) % _tables.size();
// ++i;
//}
//return false;
//复用 Find
HashData<K, V>* ret = Find(key);
if (ret == nullptr)
{
return false;
}
else
{
ret->_status = DELETE;
--_n;
return true;
}
}
这里一开始的空间机制可以优化,我们使用的哈希函数是除法散列法也叫做除留余数法,当使用除法散列法时,建议M取不太接近2的整数次冥的⼀个质数(素数)。这样可以有效避免哈希冲突
优化一下:采用接近2倍扩容的素数表进行开辟空间扩容
class HashTable
{
public:
HashTable()
:_tables(__stl_next_prime(0))
, _n(0)
{}
inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
{
// Note: assumes long is at least 32 bits.
static const int __stl_num_primes = 28;
static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] = {
53, 97, 193, 389, 769,
1543, 3079, 6151, 12289, 24593,
49157, 98317, 196613, 393241, 786433,
1572869, 3145739, 6291469, 12582917, 25165843,
50331653, 100663319, 201326611, 402653189, 805306457,
1610612741, 3221225473, 4294967291
};
const unsigned long* first = __stl_prime_list;
const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;
const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
}
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
if (Find(kv.first))
return 0;
//负载因子>=0.7 扩容
if (_n*10 / _tables.size() >= 7)
{
HashTable<K, V>newht;
newht._tables.resize(__stl_next_prime(_tables.size() + 1));
for (auto& data : _tables)
{
// 旧表的数据映射到新表
if (data._state == EXIST)
{
newht.Insert(data._kv);
}
}
_tables.swap(newht._tables);
}
size_t hash0 = kv.first % _tables.size();
size_t hashi = hash0;
size_t i = 1;
int flag = 1;
while (_tables[hashi]._state == EXIST)
{
// 线性探测
hashi = (hash0 + i) % _tables.size();
++i;
/*hashi = (hash0 + (i*i*flag)) % _tables.size();
if (hashi < _tables.size())
hashi += _tables.size();
if (flag == 1)
{
flag = -1;
}
else
{
++i;
flag = 1;
}*/
}
_tables[hashi]._kv = kv;
_tables[hashi]._state = EXIST;
++_n;
return 1;
}
HashData<K, V>* Find(const K& key)
{
size_t hash0 = key % _tables.size();
size_t hashi = hash0;
size_t i = 1;
while (_tables[hashi]._state != EMPTY)
{
if (_tables[hashi]._state == EXIST
&& _tables[hashi]._kv.first == key)
{
return &_tables[hashi];
}
// 线性探测
hashi = (hash0 + i) % _tables.size();
++i;
}
return nullptr;
}
bool Erase(const K& key)
{
HashData<K, V>* ret = Find(key);
if (ret == nullptr)
return 0;
ret->_state = DELETE;
return 1;
}
private:
vector<HashData<K, V>> _tables;
size_t _n; //标识数据个数
};
这样我们就实现了开发地址法(闭散列)的哈希表!!!
4. 开散列的灵活实现:从基础到高效
我们已经实现了闭散列版本的哈希表,今天计划实现另一种哈希表的实现方式——开散列版本(也称哈希桶)。在深入实现之前,让我们先分析所需的工作。
开散列的核心思想是将哈希表设计为一个数组,每个数组元素对应一个映射地址。为了解决哈希冲突,开散列采用链表的形式将冲突的元素链接起来,从而确保高效的查找和插入操作。
由于涉及到链表的使用,我们可以直接利用 STL 库的
list
数据结构。然而,
list
本质上是一个双向循环链表,对我们这样简单的场景来说,可能显得有些复杂且不够高效。为了简化实现并节省内存空间,我们可以自行构造一个简单的单向非循环链表,完全可以满足需求,同时节省约一半的空间。
通过这一设计,我们既可以避免闭散列中可能出现的过多探测问题,又能以较低的实现成本构建一个功能完备且高效的哈希表。
4.1 节点设计:指针与数据的平衡艺术
因为我们要实现单链表结构,肯定要来先设计一下节点框架:
//节点设计
template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
struct HashNode
{
//储存的数据
pair<K, V> _kv;
//下一个节点的指针
HashNode<K, V>* _next;
HashNode(const pair<K, V>& kv)
:_kv(kv)
, _next(nullptr)
{}
};
4.2 整体框架搭建:链表与逻辑的融合
设计完成节点后,就可以着手构建整体框架了。哈希桶的底层结构通常由一个指针数组构成,同时需要引入一个变量用于记录当前有效元素的个数,以便在负载因子过高时及时触发扩容操作。
实现的核心功能包括插入、删除和查找三个基本操作。需要注意的是,不同类型的数据在插入时需要通过哈希函数转换为
size_t
类型,这样才能将数据正确映射到数组中的对应位置。
在实现这些功能时,需要重点关注以下几点:
- 插入操作:根据哈希函数确定目标位置,处理可能的冲突,将新元素插入到对应链表中。
- 删除操作:查找到目标位置的链表节点并删除,同时需要妥善处理链表连接。
- 查找操作:根据哈希函数定位到目标链表,然后顺序查找目标节点。
通过上述基本功能的实现,我们可以构建一个高效的哈希桶结构,为后续功能扩展和优化打下坚实基础。
namespace hash_bucket
{
//仿函数 转整形
template<class K>
struct HashFunc
{
size_t operator()(const K& key)
{
return (size_t)key;
}
};
template<>
struct HashFunc<string>
{
size_t operator()(const string& s)
{
// BKDR
size_t hash = 0;
for (auto ch : s)
{
hash += ch;
hash *= 131;
}
return hash;
}
};
//节点设计
template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
struct HashNode
{
//储存的数据
pair<K, V> _kv;
//下一个节点的指针
HashNode<K, V>* _next;
HashNode(const pair<K, V>& kv)
:_kv(kv)
, _next(nullptr)
{}
};
//开散列的哈希表
// key value 仿函数(转换为size_t)
template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class HashTable
{
typedef HashNode<K, V> Node;
inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
{
static const int __stl_num_primes = 28;
static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] =
{
53, 97, 193, 389, 769,
1543, 3079, 6151, 12289, 24593,
49157, 98317, 196613, 393241, 786433,
1572869, 3145739, 6291469, 12582917, 25165843,
50331653, 100663319, 201326611, 402653189, 805306457,
1610612741, 3221225473, 4294967291
};
const unsigned long* first = __stl_prime_list;
const unsigned long* last = __stl_prime_list +
__stl_num_primes;
const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
}
public:
HashTable()
:_tables(__stl_next_prime(0))
,_n(0)
{}
private:
vector<Node*> _tables; // 指针数组
//vector<list<pair<K, V>>> _tables;
size_t _n = 0; // 表中存储数据个数
//struct Date
//{
// list<pair<K, V>>_list;
// map<pair<K, V>>_map;
// size_t len; // len <=8 _list >8 存_map 红黑树
//};
//vector<Date>_tables;
//size_t n = 0;
};
}
4.3 插入函数:链表拓展与哈希分布
实现插入函数时,可以按照以下步骤进行:
- 检查键是否存在:在插入新元素之前,首先检查当前键是否已经存在于哈希表中,只有在键不存在时才进行插入操作。
- 检查是否需要扩容:根据当前的负载因子(有效元素数与桶容量的比值),判断是否需要扩容以保证操作的效率。
- 计算哈希值并定位映射位置:利用仿函数计算键的哈希值
hashi
,从而确定其在哈希表中的映射位置。 - 创建并插入新节点:构造一个新节点,并采用头插法将其插入到对应位置的链表中。
关于扩容逻辑,需要特别注意优化实现。最直观的方法是遍历原哈希表,将数据重新插入到新的哈希表中,并释放旧节点。然而,这种方式多做了无意义的节点释放与重建操作。实际上,我们可以直接将原有的节点从旧哈希表中迁移到新哈希表中,无需释放和重新分配,既节省了时间也优化了内存使用。
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
//先查找,已经有了相同数据插入失败
if (Find(kv.first))
return 0;
Hash hash;
// 负载因子等于1时候 进行扩容
if (_n==_tables.size())
{
//HashTable<K, V>newht;
//newht._tables.resize(__stl_next_prime(_tables.size() + 1));
//for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
//{
// Node* cur = _tables[i];
// while (cur)
// {
// newht.Insert(cur->_kv);
// cur = cur->_next;
// }
//}
//_tables.swap(newht._tables);
// // 多次插入 繁琐
// 这⾥如果使⽤上⾯的⽅法,扩容时创建新的结点,后⾯还要使⽤旧结
//点,浪费了
// 下⾯的⽅法,直接移动旧表的结点到新表,效率更好
vector<Node*> newtable(__stl_next_prime(_tables.size() + 1));
for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
{
Node* cur = _tables[i];
while (cur)
{
Node* next = cur->_next;
// 头插到新链表
size_t hashi = hash(cur->_kv.first) % newtable.size();
cur->_next = newtable[hashi];
newtable[hashi] = cur;
cur = next;
}
_tables[i] = nullptr;
}
_tables.swap(newtable);
}
size_t hashi = hash(kv.first) % _tables.size();
// 头插
Node* newnode = new Node(kv);
newnode->_next = _tables[hashi];
_tables[hashi] = newnode;
++_n;
return 1;
}
4.4 删除函数:节点清理与空间复用
删除的逻辑是根据key值找到对应的位置,在该位置的链表中检索是否有相等的数值。如果有就进行删除,否则返回false
bool Erase(const K& key)
{
if (Find(key) == nullptr)
return 0;
Hash hash;
size_t hashi = hash(key) % _tables.size();
Node* cur = _tables[hashi];
Node* prev = nullptr;
while (cur)
{
if (cur->_kv.first == key)
{
if (prev == nullptr) //只有一个节点
{
_tables[hashi] = cur->_next;
}
else //中间节点
{
prev->_next = cur->_next;
}
delete cur;
--_n;
return 1;
}
else
{
// 在链表里遍历到删除的数据
prev = cur;
cur = cur->_next;
}
}
return 0;
}
4.5 查找操作:定位效率的优化实践
查找的逻辑和删除类似,根据
key
值找到映射位置,再在该链表中进行检索,找到返回节点指针,反之返回空指针。
Node* Find(const K& key)
{
Hash hash;
size_t hashi = hash(key) % _tables.size();
Node* cur = _tables[hashi];
while (cur)
{
if (cur->_kv.first == key)
{
return cur;
}
cur = cur->_next;
}
return __nullptr;
}
4.6 功能测试:多场景验证与性能分析
这里我们分别测试插入删除,插入寻找,字符串的处理:
int main()
{
int a[] = { 19,30,5,36,13,20,21,12,24,96 };
hash_bucket::HashTable<int, int> ht2;
for (auto e : a)
{
ht2.Insert({ e,e });
}
cout << ht2.Find(96) << endl;
cout << ht2.Find(30) << endl;
cout << ht2.Find(19) << endl << endl;
ht2.Erase(96);
ht2.Erase(19);
ht2.Erase(30);
cout << ht2.Find(96) << endl;
cout << ht2.Find(30) << endl;
cout << ht2.Find(19) << endl << endl;
hash_bucket::HashTable<string, string> ht3;
const char* a2[] = { "abcd","sort","insert" };
for (auto& e : a2)
{
ht3.Insert({ e,e });
}
cout << ht3.Find("abcd") << endl;
cout << ht3.Erase("abcd") << endl;
return 0;
}
看起来没有问题,调试看看分布:
通过对监视窗口的查看,我们可以验证我们的代码正常运行的!
Thanks谢谢阅读!!!
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