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【C++】哈希表实现

article 2024/12/23 23:15:07

目录

一、哈希概念

1.1 直接定址法

1.2 哈希冲突

1.3 负载因子

1.4 将关键字转为整数

二、哈希函数

2.1 除法散列法/除留余数法

2.2 乘法散列图（了解即可）

2.3 全域散列法（了解即可）

​编辑

三、处理哈希冲突

3.1 开放定址法

线性探测

二次探测

双重散列（了解）

开放定址法代码实现

开放定址法的哈希表结构

扩容 

 key不能取模的问题

完整代码实现

四、链地址法

解决冲突的思路

扩容 

完整代码

一、哈希概念

哈希(hash)又称散列，是一种组织数据的方式。从译名来看，有散乱排列的意思。本质就是通过哈希函数把关键字Key跟存储位置建立一个映射关系，查找时通过这个哈希函数计算出Key存储的位置，进行快速查找。

1.1 直接定址法

当关键字的范围比较集中时，直接定址法就是非常简单高效的方法，比如一组关键字都在[0,99]之间，那么我们开一个100个数的数组，每个关键字的值直接就是存储位置的下标。再比如一组关键字值都在[a,z]的小写字母，那么我们开一个26个数的数组，每个关键字acsii码-a ascii码就是存储位置的下标。也就是说直接定址法本质就是用关键字计算出一个绝对位置或者相对位置

1.2 哈希冲突

直接定址法的缺点也非常明显，当关键字的范围比较分散时，就很浪费内存甚至内存不够用。假设我们只有数据范围是[0, 9999]的N个值，我们要映射到一个M个空间的数组中(一般情况下M >= N)，那么就要借助哈希函数(hash function)hf，关键字key被放到数组的h(key)位置，这里要注意的是h(key)计算出的值必须在[0, M)之间。

这里存在的一个问题就是，两个不同的key可能会映射到同一个位置去，这种问题我们叫做哈希冲突，或者哈希碰撞。理想情况是找出一个好的哈希函数避免冲突，但是实际场景中，冲突是不可避免的，所以我们尽可能设计出优秀的哈希函数，减少冲突的次数，同时也要去设计出解决冲突的方案。

1.3 负载因子

假设哈希表中已经映射存储了N个值，哈希表的⼤⼩为M，那么 负载因子等于N/M，负载因⼦有些地⽅也翻译为载荷因⼦/装载因⼦等，他的英⽂为load factor。负载因⼦越⼤，哈希冲突的概率越⾼，空间利⽤率越⾼；负载因⼦越⼩，哈希冲突的概率越低，空间利⽤率越低

1.4 将关键字转为整数

我们将关键字映射到数组中位置，一般是整数好做映射计算，如果不是整数，我们要想办法转换成整数，这个细节我们后面代码实现中再进行细节展示。下面哈希函数部分我们讨论时，如果关键字不是整数，那么我们讨论的Key是关键字转换成的整数。

二、哈希函数

一个好的哈希函数应该让N个关键字被等概率的均匀的散列分布到哈希表的M个空间中，但是实际中却很难做到，但是我们要尽量往这个方向去考量设计。

2.1 除法散列法/除留余数法

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。

当使用除法散列法时，要尽量避免M为某些值，如2的幂，10的幂等。如果是2^X ，那么key % 2^X
本质相当于保留key的后X位，那么后X位相同的值，计算出的哈希值都是一样的，就冲突了。如：
{63 , 31}看起来没有关联的值，如果M是16，也就是 2^4，那么计算出的哈希值都是15，因为63的二进制后8位是 00111111，31的二进制后8位是 00011111。如果是 10^X，就更明显了，保留的都是10进值的后x位，如：{112, 12312}，如果M是100，也就是 10^2，那么计算出的哈希值都是12。

当使用除法散列法时，建议M取不太接近2的整数次幂的一个质数(素数)。

需要说明的是，实践中也是八仙过海，各显神通，Java的HashMap采用除法散列法时就是2的整数次幂做哈希表的大小M，这样玩的话，就不用取模，而可以直接位运算，相对而言位运算比模更高效一些。但是他不是单纯的去取模，比如M是2^16次方，本质是取后16位，那么用key’ =key>>16，然后把key和key' 异或的结果作为哈希值。也就是说我们映射出的值还是在[0,M)范围内，但是尽量让key所有的位都参与计算，这样映射出的哈希值更均匀一些即可。

2.2 乘法散列图（了解即可）

2.3 全域散列法（了解即可）

三、处理哈希冲突

实践中哈希表⼀般还是选择除法散列法作为哈希函数，当然哈希表⽆论选择什么哈希函数也避免不了冲突，那么插⼊数据时，如何解决冲突呢？主要有两种两种⽅法，开放定址法和链地址法。

3.1 开放定址法

在开放定址法中所有的元素都放到哈希表里，当一个关键字key用哈希函数计算出的位置冲突了，则按照某种规则找到一个没有存储数据的位置进行存储，开放定址法中负载因子一定是小于的。这里的规则有三种：线性探测、二次探测、双重探测。

线性探测

从发生冲突的位置开始，依次线性向后探测，直到寻找到下一个没有存储数据的位置为止，如果走
到哈希表尾，则回绕到哈希表头的位置。

线性探测的比较简单且容易实现，线性探测的问题假设，hash0位置连续冲突，hash0，hash1，
hash2位置已经存储数据了，后续映射到hash0，hash1，hash2，hash3的值都会争夺hash3位
置，这种现象叫做群集/堆积。下面的二次探测可以一定程度改善这个问题。

下面演示 {19,30,5,36,13,20,21,12} 等这一组值映射到M=11的表中。

h(19) = 8，h(30) = 8，h(5) = 5，h(36) = 3，h(13) = 2，h(20) = 9，h(21) =10，h(12) = 1

简单举个栗子： 

//hashTable.h
#pragma once
#include<vector>
#include<iostream>

using namespace std;

enum State
{
	EXIST,
	EMPTY,
	DELETE
};

template<class K,class V>
struct HashData
{
	pair<K, V> _kv;
	State _state = EMPTY;
};

template<class K,class V>
class HashTable
{
public:
	HashTable()
		:_tables(11)
		, _n(0)
	{}

	bool Insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		size_t hash0 = kv.first % _tables.size();
		size_t hashi = hash0;
		size_t i = 1;
		while (_tables[hashi]._state == EXIST)
		{	//线性探测
			hashi = (hash0 + i) % _tables.size();
			i++;
		}
		_tables[hashi]._kv = kv;
		_tables[hashi]._state = EXIST;
		_n++;

		return true;
	}

private:
	vector<HashData<K, V>> _tables;
	size_t _n; //记录数据个数
};

//text.cpp
#include<iostream>
#include"hashTable.h"

using namespace std;

int main()
{
	//int a[] = { 19,30,52,63,11,22 };
	int a[] = { 19,30,5,36,13,20,21,12 };
	HashTable<int, int> ht;
	for (auto e : a)
	{
		ht.Insert({ e,e });
	}

	return 0;
}

但是有个问题就是如果表满了，探测不到一个新位置，就会死循环，所以这里要控制负载因子

二次探测

从发生冲突的位置开始，依次左右按二次方跳跃式探测，直到寻找到下一个没有存储数据的位置为止，如果往右走到哈希表尾，则回绕到哈希表头的位置；如果往左走到哈希表头，则回绕到哈希表尾的位置；

下面演示 {19,30,52,63,11,22} 等这一组值映射到M=11的表中

h(19) = 8, h(30) = 8, h(52) = 8, h(63) = 8, h(11) = 0, h(22) = 0 

双重散列（了解）

下面演示 {19,30,52,74} 等这一组值映射到M=11的表中，设 h 2(key) = key%10 + 1

开放定址法代码实现

开放定址法的哈希表结构

enum State
{
	EXIST,
	EMPTY,
	DELETE
};
template<class K, class V>
struct HashData
{
	pair<K, V> _kv;
	State _state = EMPTY;
};
template<class K, class V>
class HashTable
{
private:
	vector<HashData<K, V>> _tables;
	size_t _n = 0; // 表中存储数据个数
};

要注意的是这里需要给每个存储值的位置加一个状态标识，否则删除一些值以后，会影响后面冲突的值的查找。如下图，我们删除30，会导致查找20失败，当我们给每个位置加一个状态标识
{EXIST,EMPTY,DELETE} ，删除30就可以不用删除值，而是把状态改为DELETE ，那么查找20
时是遇到EMPTY 才能，就可以找到20。

h(19) = 8，h(30) = 8，h(5) = 5，h(36) = 3，h(13) = 2，h(20) = 9，h(21) =10，h(12) = 1 

扩容 

 这里我们哈希表负载因子控制在0.7，当负载因子到0.7以后我们就需要扩容了，我们还是按照2倍扩容，但是同时我们要保持哈希表大小是一个质数，第一个是质数，2倍后就不是质数了。那么如何解决了，一种方案就是上面1.4.1除法散列中我们讲的Java HashMap的使用2的整数幂，但是计算时不能直接取模的改进方法。另外一种方案是sgi版本的哈希表使用的方法，给了一个近似2倍的质数表，每次去质数表获取扩容后的大小。

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;
}

 key不能取模的问题

当key是string/Date等类型时，key不能取模，那么我们需要给HashTable增加一个仿函数，这个仿函数支持把key转换成一个可以取模的整形，如果key可以转换为整形并且不容易冲突，那么这个仿函数就用默认参数即可，如果这个Key不能转换为整形，我们就需要自己实现一个仿函数传给这个参数，实现这个仿函数的要求就是尽量key的每值都参与到计算中，让不同的key转换出的整形值不同。string做哈希表的key非常常见，所以我们可以考虑把string特化一下。

template<class K>
struct HashFunc
{
	size_t operator()(const K& key)
{
	return (size_t)key;
}
};
// 特化
template<>
struct HashFunc<string>
{
	// 字符串转换成整形，可以把字符ascii码相加即可
	// 但是直接相加的话，类似"abcd"和"bcad"这样的字符串计算出是相同的
	// 这⾥我们使⽤BKDR哈希的思路，⽤上次的计算结果去乘以⼀个质数，这个质数⼀般去31, 131
等效果会⽐较好
size_t operator()(const string& key)
{
	size_t hash = 0;
	for (auto e : key)
{
	hash *= 131;
	hash += e;
}
	return hash;
}
};
template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class HashTable
{
public:
private:
	vector<HashData<K, V>> _tables;
	size_t _n = 0; // 表中存储数据个数
};

完整代码实现

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

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)
	{
		size_t hash = 0;
		for (auto ch : s)
		{
			hash += ch;
			hash * 131;
		}

		return hash;
	}
};
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;
}

template<class K,class V>
struct HashNode
{
	pair<K, V> _kv;
	HashNode<K, V>* _next;

	HashNode(const pair<K, V>& kv)
		:_kv(kv)
		,_next(nullptr)
	{}

};

template<class K,class V,class Hash=HashFunc<K>>
class HashTable
{
	typedef HashNode<K,V> Node;
public:
	HashTable()
		:_tables(__stl_next_prime(0))
		,_n(0)
	{}
	~HashTable()
	{
		for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
		{
			Node* cur = _tables[i];
			while (cur)
			{
				Node* next = cur->_next;

				delete cur;
				cur = next;
			}
			_tables[i] = nullptr;
		}
	}
	bool Insert(const pair<K, V> kv)
	{
		Hash hash;
		if (_n == _tables.size())
		{
			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;
					size_t hashi = hash(cur->_kv.first) % NewTable.size();
					cur->_next = NewTable[hashi];
					NewTable[hashi] = cur;

					cur = next;
				}
			}

			_tables.swap(NewTable);
		}
		size_t hashi = hash(kv.first) % _tables.size();
		Node* newnode = new Node(kv);
		newnode->_next = _tables[hashi];
		_tables[hashi] = newnode;
		++_n;

		return true;
	}

	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;
	}

	bool Erase(const K& key)
	{
		Hash hash;
		size_t hashi = hash(key) % _tables.size();
		Node* prev = nullptr;
		Node* cur = _tables[hashi];
		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first == key)
			{
				if (prev == nullptr)
				{
					_tables[hashi] = cur->_next;
				}
				else
				{
					prev->_next = cur->_next;
				}

				delete cur;
				--_n;
				return true;
			}
			else
			{
				prev = cur;
				cur = cur->_next;
			}
		}
		return false;
	}
private:
	vector<Node*> _tables;
	size_t _n=0;
};

四、链地址法

解决冲突的思路

开放定址法中所有的元素都放到哈希表里，链地址法中所有的数据不再直接存储在哈希表中，哈希表中存储一个指针，没有数据映射这个位置时，这个指针为空，有多个数据映射到这个位置时，我们把这些冲突的数据链接成一个链表，挂在哈希表这个位置下面，链地址法也叫做拉链法或者哈希桶。

下面演示 {19,30,5,36,13,20,21,12,24,96} 等这一组值映射到M=11的表中。

h(19) = 8，h(30) = 8，h(5) = 5，h(36) = 3，h(13) = 2，h(20) = 9，h(21) =10，h(12) = 1,h(24) = 2,h(96) = 88

扩容 

开放定址法负载因子必须小于1，链地址法的负载因子就没有限制了，可以大于1。负载因子越大，哈希冲突的概率越高，空间利用率越高；负载因子越小，哈希冲突的概率越低，空间利用率越低；stl中unordered_xxx的最大负载因子基本控制在1，大于1就扩容，我们下面实现也使用这个方式。

完整代码

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;

template<class K>
struct FuncHash
{
	size_t operator()(const K& key)
	{
		return size_t key;
	}
};

template<>
struct FuncHash<string>
{
	size_t operator()(const string& s)
	{
		size_t hash = 0;
		for (auto ch : s)
		{
			hash += ch;
			hash * 131;
		}
		return hash;
	}
};

template<class K,class V>
struct HashNode
{
	pair<K, V> _kv;
	HashNode<K, V>* _next;

	HashNode(const pair<K,V> kv)
		:_kv(kv)
		,_next(nullptr)
	{}
};

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;
}

template<class K,class V,class Hash=FuncHash<K>>
class HashTable
{
	typedef HashNode<K, V> Node;
public:
	HashTable()
		:_tables(__stl_next_prime(0))
		,_n(0)
	{}

	~HashTable()
	{
		for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
		{
			Node* cur = _tables[i];
			while (cur)
			{
				Node* next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = next;
			}

			_tables[i] = nullptr;
		}
	}
	bool Insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		if(Find(kv.first))
			return false;
		Hash hs;
		if (_n == _tables.size())
		{
			vector<Node*>NewTable(__stl_next_prime(_tables.size() + 1));
			for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
			{
				Node* cur = _tables[i];
				while (cur)
				{
					size_t hashi = cur->_kv.first % _tables.size();
					Node* next = cur->_next;
					cur->_next = _tables[hashi];
					_tables[hashi] = cur;

					cur = next;
				}

				_tables[i] = nullptr;
			}

			_tables.swap(NewTable);
		}
		size_t hashi = kv.first % _tables.size();
		Node* newnode = new Node(kv);
		newnode->_next = _tables[hashi];
		_tables[hashi] = newnode;

		++_n;
		return true;
	}

	Node* Find(const K& key)
	{
		Hash hs;
		size_t hashi = key % _tables.size();
		Node* cur = _tables[hashi];
		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first == key)
			{
				return cur;
			}
			else
			{
				cur = cur->_next;
			}
		}
		return nullptr;
	}
	bool Erase(const K& key)
	{
		Hash hs;
		size_t hashi = key % _tables.size();
		Node* prev = nullptr;
		Node* cur = _tables[hashi];
		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first == key)
			{
				if (prev == nullptr)
				{
					_tables[hashi] = cur->_next;
				}
				else
				{
					prev->_next = cur->_next;
				}

				delete cur;
				--_n;
				return true;
			}
			else
			{
				prev = cur;
				cur = cur->_next;
			}
		}

		return false;
	}
private:
	vector<Node*> _tables;
	size_t _n;
};

 极端场景（了解一下）

如果极端场景下，某个桶特别长怎么办？其实我们可以考虑使用全域散列法，这样就不容易被针对
了。但是假设不是被针对了，用了全域散列法，但是偶然情况下，某个桶很长，查找效率很低怎么
办？这里在Java8的HashMap中当桶的长度超过一定阀值(8)时就把链表转换成红黑树。

本篇完，下篇见！


http://www.kler.cn/a/448524.html

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