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室友竟只在2021的最后一天就学会了哈希表

作者:互联网

哈希表

哈希概念

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

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)

映射方式

①直接定址法

数组与数据的相对映射或绝对位置建立索引关系,此时增删查改时间复杂度O(1)
缺陷:
1.如果数据范围很大,直接定制法会浪费大量的空间
2.不能处理字符串,浮点数等数据,无法被拿来作为数组的索引

适用于:整数,并且数据集中的情况
在这里插入图片描述

②除留余数法

解决数据范围很大的问题
在这里插入图片描述

但是除留余数法存在哈希冲突(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)

解决哈希冲突

1.闭散列(开放定址法)

①线性探测

在这里插入图片描述

线性探测会导致踩踏效应(连续的位置出现冲突)

②二次探测

在这里插入图片描述

二次探测相对线性探测数据更分散,能有效缓解踩踏效应

负载因子(载荷因子)=存储的有效数据个数/空间大小
负载因子越大,冲突的概率越高,增删查改的效率就会越低,空间利用率越高
负载因子越小,冲突的概率越低,增删查改的效率就会越高,空间利用率越低

所以哈希表一个重要的问题就是控制负载因子的大小

③结点的设计

为了判断数组的某一个位置是否为空,我们用State来标识数组中数据的状态

	//枚举出数据的三种状态
	enum State
	{
		EMPTY,//空
		EXITS,//存在
		DELETE,//被删除 删除时只需要将状态修改为DELETE,这样实现"假"删除
	};
    
	template<class K,class V>
	struct HashData
	{   
	    //每一个数据结点 存于vector
	    //kv结构
		pair<K, V> _kv;
		
		State _state = EMPTY;
	};

④查找操作

当查找为空时就没找到,我们控制负载因子大小小于0.8,所以一定会存在空位置


		HashData<K,V>* Find(const K& key)
		{
			//判断是否为空
			if (_table.size() == 0)
			{
				return nullptr;
			}
			HashFunc hf;
			size_t start = hf(key) % _table.size();
			size_t index = start;
			size_t i = 1;
			while (_table[index].state != EMPTY)
			{
				//找到了
				if (_table[index]._state==EXITS && _table[index]._kv.first == key)
				{
					return &_table[index];
				}
				//往后查找
				//线性探测   二次探测只需改为 index=start+i*i;
				index =start+ i;
				index %= _table.size();
				++i;
			}
			return nullptr;
		}

⑤插入操作

插入操作需要注意增容问题,增容后,数据必须重新映射


		bool Insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			//判断是否存在
			HashData<K,V>* ret = Find(kv.first);
			if (ret)
			{
				return false;
			}
			//size==0
			if (_table.size() == 0)
			{
				_table.resize(10);
			}
			//计算负载因子 
			else if ((double)_n/(double)_table.size()>0.8)
			{
				//增容后所有数据必须重新映射进新数组
				//重新创建HashTable对象 复用其insert函数
				HashTable<K, V,HashFunc> newHashTable;
				newHashTable.resize(2 * _table.size());
				//遍历原Table的数据
				for (auto& e : _table)
				{
					if (e._state == EXITS)
					{
						//复用Insert
						newHashTable.Insert(e._kv);
					}
				}
				_table.swap(newHashTable._table);
			}
			HashFunc hf;
			//如果访问大于size<capacity 的数据 
			size_t start = hf(kv.first) % _table.size();
			size_t index = start;
			size_t i = 1;
			//线性探测或者二次探测
			while (_table[index]._state == EXITS)
			{
				index += start+i;
				index %= _table.size();
				++i;
			}
			_table[index]._kv = kv;
			_table[index]._state = EXITS;
			++_n;
		}

⑥删除操作

找到后只需修改状态即可

	bool Erase(const K& key)
	{
		    //查找
			HashData<K, V>* ret = Find(key);
			if (ret == nullptr)
			{
				return false;
			}
			else
			{
				//修改结点状态
				ret->_state = DELETE;
				--_n;
				return true;
			}
	}

完整代码

#pragma once
#include<vector>
#include<iostream>
using namespace std;
//closeHash
namespace tzc
{
	enum State
	{
		EMPTY,
		EXITS,
		DELETE,
	};

	template<class K,class V>
	struct HashData
	{
		pair<K, V> _kv;
		State _state = EMPTY;
	};
	
	template<class K>
	struct HashFunc
	{
		int operator()(int i)
		{
			return i;
		}
	};
	template<>
	struct HashFunc<string>
	{
		size_t operator()(const string& s)
		{
			//return s[0];
			size_t value = 0;
			for (auto ch : s)
			{
				value += ch;
				value *= 131;
			}
			return value;
		}
	};
	struct pairHashFunc
	{
		size_t operator()(const pair<string, string>& kv)
		{
			size_t value = 0;
			//以KEY作为标准
			for (auto& ch : kv.first)
			{
				value += ch;
				value *= 131;
			}
			return value;
		}
	};

	template<class K, class V,class HashFunc>
	class HashTable
	{
	public:

		bool Insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			//判断是否存在
			HashData<K,V>* ret = Find(kv.first);
			if (ret)
			{
				return false;
			}
			//size==0
			if (_table.size() == 0)
			{
				_table.resize(10);
			}
			//计算负载因子 
			else if ((double)_n/(double)_table.size()>0.8)
			{
				//增容后所有数据必须重新映射进新数组

				//重新创建HashTable对象 复用其insert函数
				HashTable<K, V,HashFunc> newHashTable;
				newHashTable.resize(2 * _table.size());
				for (auto& e : _table)
				{
					if (e._state == EXITS)
					{
						//复用插入
						newHashTable.Insert(e._kv);
					}
				}
				_table.swap(newHashTable._table);
			}
			HashFunc hf;
			size_t start = hf(kv.first) % _table.size();//table[]
			size_t index = start;
			size_t i = 1;
			//线性探测或者二次探测
			while (_table[index]._state == EXITS)
			{
				index += start+i;
				index %= _table.size();
				++i;
			}
			_table[index]._kv = kv;
			_table[index]._state = EXITS;
			++_n;
		}
		HashData<K,V>* Find(const K& key)
		{
			//判断是否为空
			if (_table.size() == 0)
			{
				return nullptr;
			}
			HashFunc hf;
			size_t start = hf(key) % _table.size();
			size_t index = start;
			size_t i = 1;
			while (_table[index].state != EMPTY)
			{
				//找到了
				if (_table[index]._state==EXITS && _table[index]._kv.first == key)
				{
					return &_table[index];
				}
				//往后查找
				//线性探测   二次探测只需改为 index=start+i*i;
				index =start+ i;
				index %= _table.size();
				++i;
			}
			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>> _table;
		size_t _n;//数组中存的数据的个数
	};
}

哈希存在的问题

对于下列语句:

size_t start = hf(kv.first) % _table.size();

当key存储的是string,自定义类型等数据时,不能转换成为映射关系存储在哈希表中

这时就需要自己实现对应的仿函数来转换key取模

 template<class K>
	struct HashFunc
	{
		int operator()(int i)
		{
			return i;
		}
	};
	
	//模板特化
	template<>
	struct HashFunc<string>
	{
		size_t operator()(const string& s)
		{
			//return s[0];
			size_t value = 0;
			for (auto ch : s)
			{
				value += ch;
				value *= 131;
			}
			return value;
    }

在这里插入图片描述

可以看出如果一个类型去做map/set的key需要能支持比较大小

去做unordered_map/unordered_set的key需要能转换成整形(支持取模)以及能比较相等

2.开散列

开散列–哈希桶/拉链法
数组中存储结构体的单链表指针
在这里插入图片描述

①结点设计

vector存储的结点

template<class K,class V>
	struct HashNode
	{
		pair<K, V> _kv;
		HashNode<K, V>* _kv;
		HashNode(const pair<K, V>& kv)
			:_next(__nullptr)
			,_kv(kv)
		{
			
		}
	};

HashTable所包含的私有成员

		vector<Node*> _table;
		size_t _n = 0;//有效数据个数

②插入操作

增容:约定当负载因子等于1时,需要增容重整,遍历旧表中的结点插入到新表中
哈希表重整方法一:巧妙地复用了insert的方法

	bool Insert(const pair<K.V>& kv)
		{
			if (Find(kv.first))
			{
				return false;
			}
			if (_n == _table.size())
			{
				//开辟新的vector
				vector<Node*> newtable;
				size_t newSize = _table.size() == 0 ? 11: _table.size() * 2;
				newtable.resize(GetNextPrime(_table.size()), nullptr);

				//遍历旧的表
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); ++i)
				{
					if (_table[i])
					{
						Node* cur = _table[i];
						while (cur)
						{
							Node* next = cur->_next;
							size_t index = cur->_kv.first % newtable.size();
							//头插法
							cur->_next = _table[index];
							_table[index] = cur;
							cur = next;
						}
						_table[i] = nullptr;
					}
				}
				//旧的与新的交换
				_table.swap(newtable);
			}
			HashFunc fc;
			size_t index = fc(kv.first) % _table.size();
			Node* newnode = new Node(kv);
			//头插
			newnode->_next = _table[index];
			_table[index] = newnode;
			++_n;
			return true;
		}

哈希表重整方法二:通过不断地将旧桶结点的头结点插入到新的对应的vector,来实现了重整

bool Insert(const pair<K.V>& kv)
	{
		if (Find(kv.first))
		{
			return false;
		}
		if (_n == _table.size())
		{
			vector<Node*> newtable(sizeof(_table.size()),(Node*)0);
			//遍历旧结点
			for(size_t i=0;i<_table.size();i++)
			{
				Node* cur=_table[i];
				while(cur)
				{
					//找出结点在哪个桶
					HashFunc fc;        
					size_t cur_bucket= fc(cur.first) % _table.size();
					//四步微妙的操作
					//1.将cur的下一个结点拿到该桶的头部
					_table[i]=cur->next;
					//2,3:将cur结点用头插法插入新的vector中
					cur->next=newtable[cur_bucket];
					newtable[cur_bucket]=cur;
					//4.cur重新成为旧桶的头部
					cur=_table[i];					
				}
			}
			_table.swap(newtable);
		}
		HashFunc fc;
		size_t index = fc(kv.first) % _table.size();
		Node* newnode = new Node(kv);
		//头插
		newnode->_next = _table[index];
		_table[index] = newnode;
		++_n;
		return true;
	}

③查找操作

	Node* Find(const K& key)
		{
		
			if (_table.size() == 0)
			{
				return false;
			}
			HashFunc fc;
			size_t index = fc(key) % _table.size();
			Node* cur = _table[index];
			while(cur)
			{
				if (cur->_kv.first == key)
				{
					return cur;
				}
				else
				{
					cur = cur->_next;
				}
			}
			return nullptr;
		}

④删除操作

		bool Erase(const K& key)
		{
			HashFunc fc;
			size_t index = fc(key) % _table.size();
			Node* prev = nullptr;
			Node* cur = _table[index];
			while (cur)
			{
				if (cur->_kv.first == key)
				{   
					//删除的是头结点
					if (_table[index] == cur)
					{
						_table[index] = cur->_next;
					}
					else
					{
						prev->_next = cur->_next;
					}
					--_n;
					delete cur;
					return true;
				}
				prev = cur;
				cur = cur->_next;
			}
		}

哈希桶的优势:
1.空间利用率高
2.极端情况(全部冲突)还有解决方案

哈希桶冲突的解决

如果此时数据集中在某几个桶上,在查找,删除时,时间复杂度会非常大,可能等于O(N)

1.所以可以控制负载因子
而开散列的负载因子可能会大于1,所以控制负载因子一般在[0,1]

2.其次在数据不多的时候,负载因子很低,但这大部分数据都冲突了
可以采用在数据多的这个桶,将其数据结构改成红黑树
在这里插入图片描述

桶的大小的设计:
尽量让表的大小是素数,这样更不容易冲突

const int PRIMECOUNT = 28;

const size_t primeList[PRIMECOUNT] ={ 
 53ul, 97ul, 193ul, 389ul, 769ul, 1543ul, 3079ul, 6151ul, 12289ul,
 24593ul, 49157ul, 98317ul, 196613ul, 393241ul, 786433ul, 1572869ul, 3145739ul, 
 6291469ul,12582917ul, 25165843ul, 50331653ul, 100663319ul, 201326611ul, 402653189ul, 805306457ul, 1610612741ul, 3221225473ul, 4294967291ul};
 
   size_t GetNextPrime(size_t prime)
	{
	 size_t i = 0; 
	 for(; i < PRIMECOUNT; ++i) 
	 { 
		 if(primeList[i] > primeList[i]) 
		 return primeList[i]; 
	 } 
   return primeList[i];
   }

封装

①迭代器

迭代器除了传当前结点指针,还应该传入该哈希表
因为迭代器走到一个桶的末尾结点时,++找不到下一个桶的位置
这时传入哈希表,重新计算下一个桶的位置

	// 前置声明					//定义的时候才给默认参数
	template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
	class HashTable;

	// 迭代器
	template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc = Hash<K>>
	struct __HTIterator
	{
		typedef HashNode<T> Node;
		typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, HashFunc> Self;
		
		typedef HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc> HT;
		Node* _node;
		HT* _pht;
			//传给迭代器哈希表
		__HTIterator(Node* node, HT* pht)
			:_node(node)
			, _pht(pht)
		{}

		Self& operator++()
		{
			// 1、逐个遍历每个桶的结点
			if (_node->_next)
			{
				_node = _node->_next;
			}
			//到下一个桶
			else
			{
				//size_t index = HashFunc()(KeyOfT()(_node->_data)) % _pht->_table.size();
				KeyOfT kot;
				HashFunc hf;
				size_t index = hf(kot(_node->_data)) % _pht->_table.size();

				++index;
				while (index < _pht->_table.size())
				{
					if (_pht->_table[index])
					{
						//_pht访问私有成员需要申明友元
						_node = _pht->_table[index];
						
						return *this;
					}
					//为空桶
					else
					{
						++index;
					}
				}

				_node = nullptr;
			}

			return *this;
		}
		//底层实现用的是单向链表,并没有重载--
		T& operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		T* operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

		bool operator != (const Self& s) const
		{
			return _node != s._node;
		}

		bool operator == (const Self& s) const
		{
			return _node == s.node;
		}
	};

②hash functions

hash fuctions是仿函数,解决存储的值的取模的问题
①针对char,int,long等本身就是整数型别,直接返回值
②对string,以及内置类型需要进行特殊的运算后才能返回

并且返回的值要考虑产生的哈希冲突的问题

//转化Key,实现取模运算
	template<class K>
	struct Hash
	{
		size_t operator()(const K& key)
		{
			return key;
		}
	};
	// 特化string
	template<>
	struct Hash < string >
	{
		size_t operator()(const string& s)
		{
			// BKDR Hash
			size_t value = 0;
			for (auto ch : s)
			{
				value += ch;
				value *= 131;
			}
			return value;
		}
	};

③哈希表

	
	//结点存储T
	template<class T>
	struct HashNode
	{
		HashNode<T>* _next;
		T _data;

		HashNode(const T& data)
			:_next(nullptr)
			, _data(data)
		{}
	};
  template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc = Hash<K>>
	class HashTable
	{
		typedef HashNode<T> Node;

		template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
		friend struct __HTIterator;//类模板参数友元
	public:
		typedef __HTIterator<K, T, KeyOfT, HashFunc> iterator;

		HashTable() = default; // 显示指定生成默认构造
	   //深拷贝
		HashTable(const HashTable& ht)
		{
			_n = ht._n;
			_table.resize(ht._table.size());
			for (size_t i = 0; i < ht._table.size(); i++)
			{
				Node* cur = ht._table[i];
				while (cur)
				{
					Node* copy = new Node(cur->_data);
					// 遍历插入
					copy->_next = _table[i];
					_table[i] = copy;

					cur = cur->_next;
				}
			}
		}
		
		HashTable& operator=(HashTable ht)
		{
			_table.swap(ht._table);
			swap(_n, ht._n);

			return *this;
		}

		~HashTable()
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); ++i)
			{
				Node* cur = _table[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;
					delete cur;
					cur = next;
				}
				_table[i] = nullptr;
			}
		}
		//计算表中桶的个数
		size_t bucket_count()const
		{
			return  _table.size();
		}
		
		iterator begin()
		{
			size_t i = 0;
			while (i < _table.size())
			{
				if (_table[i])
				{
					return iterator(_table[i], this);
				}

				++i;
			}

			return end();
		}

		iterator end()
		{
			return iterator(nullptr, this);
		}

		size_t GetNextPrime(size_t prime)
		{
			const int PRIMECOUNT = 28;
			static const size_t primeList[PRIMECOUNT] =
			{
				53ul, 97ul, 193ul, 389ul, 769ul,
				1543ul, 3079ul, 6151ul, 12289ul, 24593ul,
				49157ul, 98317ul, 196613ul, 393241ul, 786433ul,
				1572869ul, 3145739ul, 6291469ul, 12582917ul, 25165843ul,
				50331653ul, 100663319ul, 201326611ul, 402653189ul, 805306457ul,
				1610612741ul, 3221225473ul, 4294967291ul
			};
			size_t i = 0;
			for (; i < PRIMECOUNT; ++i)
			{
				if (primeList[i] > prime)
					return primeList[i];
			}

			return primeList[i];
		}
		//计算最大桶的个数
		size_t maxbucket_count()const
		{
			return primeList[PRIMECOUNT-1];
		}
		
		//哈希桶实现
		pair<iterator, bool> Insert(const T& data)
		{
			KeyOfT kot;
			// 找到了
			auto ret = Find(kot(data));
			if (ret != end())
				return make_pair(ret, false);

			HashFunc hf;
			// 负载因子到1时,进行增容
			if (_n == _table.size())
			{
				vector<Node*> newtable;
				//size_t newSize = _table.size() == 0 ? 8 : _table.size() * 2;
				//newtable.resize(newSize, nullptr);
				newtable.resize(GetNextPrime(_table.size()));

				// 遍历取旧表中节点,映射到新表中
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); ++i)
				{
					if (_table[i])
					{
						Node* cur = _table[i];
						while (cur)
						{
							Node* next = cur->_next;
							size_t index = hf(kot(cur->_data)) % newtable.size();
							// 头插
							cur->_next = newtable[index];
							newtable[index] = cur;

							cur = next;
						}
						_table[i] = nullptr;
					}
				}

				_table.swap(newtable);
			}

			size_t index = hf(kot(data)) % _table.size();
			Node* newnode = new Node(data);

			// 头插
			newnode->_next = _table[index];
			_table[index] = newnode;
			++_n;

			return make_pair(iterator(newnode, this), true);
		}

		iterator Find(const K& key)
		{
			if (_table.size() == 0)
			{
				return end();
			}

			KeyOfT kot;//取key
			HashFunc hf;//转化key取模
			size_t index = hf(key) % _table.size();
			Node* cur = _table[index];
			while (cur)
			{
				if (kot(cur->_data) == key)
				{
					return iterator(cur, this);
				}
				else
				{
					cur = cur->_next;
				}
			}

			return end();
		}

		bool Erase(const K& key)
		{
			size_t index = hf(key) % _table.size();
			Node* prev = nullptr;
			Node* cur = _table[index];
			while (cur)
			{
				if (kot(cur->_data) == key)
				{
					if (_table[index] == cur)
					{
						_table[index] = cur->_next;
					}
					else
					{
						prev->_next = cur->_next;
					}

					--_n;
					delete cur;
					return true;
				}

				prev = cur;
				cur = cur->_next;
			}

			return false;
		}

	private:
		vector<Node*> _table;
		size_t _n = 0;         // 有效数据的个数
	};

UnorderedSet

运用set是方便能够快速找到元素
底层是红黑树的set具有自动排序的功能(中序遍历),而底层是哈希表的UnorderedSet就没有

namespace tzc
{
	template<class K>
	class unordered_set
	{
		//取key
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& k)
			{
				return k;
			}
		};
	public:
		typedef typename OpenHash::HashTable<K, K, SetKeyOfT >::iterator iterator;
		iterator begin()
		{
			return _ht.begin();
		}

		iterator end()
		{
			return _ht.end();
		}

		pair<iterator, bool> insert(const K k)
		{
			return _ht.Insert(k);
		}

	private:
		OpenHash::HashTable<K, K, SetKeyOfT> _ht;//开散列实现的哈希表
	};
}

UnorderedMap

namespace tzc
{
	template<class K, class V>
	class unordered_map
	{
		//取Key
		struct MapKeyOfT
		{
			const K& operator()(const pair<K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};
	public:
		typedef typename OpenHash::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT>::iterator iterator;
		iterator begin()
		{
			return _ht.begin();
		}

		iterator end()
		{
			return _ht.end();
		}

		pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			return _ht.Insert(kv);
		}

		V& operator[](const K& key)//重载[]
		{
			pair<iterator, bool> ret = _ht.Insert(make_pair(key, V()));
			return ret.first->second;
		}

	private:
		OpenHash::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT> _ht;
	};
}

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来源: https://blog.csdn.net/hbbfvv1h/article/details/121953059