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2023-04-17 18:24:20 +08:00
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commit 261332f372
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# 6.2.   哈希冲突
# 7.2.   哈希冲突
在理想情况下,哈希函数应为每个输入生成唯一的输出,实现 key 和 value 的一一对应。然而实际上,向哈希函数输入不同的 key 却产生相同输出的情况是存在的,这种现象被称为「哈希冲突 Hash Collision」。哈希冲突可能导致查询结果错误,从而严重影响哈希表的可用性。
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另一方面,**可以考虑优化哈希表的表示以缓解哈希冲突**,常用方法包括「链式地址 Separate Chaining」和「开放寻址 Open Addressing」。
## 6.2.1.   哈希表扩容
## 7.2.1.   哈希表扩容
哈希函数的最后一步通常是对桶数量 $n$ 取余,作用是将哈希值映射到桶索引范围,从而将 key 放入对应的桶中。当哈希表容量越大(即 $n$ 越大)时,多个 key 被分配到同一个桶中的概率就越低,冲突就越少。
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编程语言通常使用「负载因子 Load Factor」来衡量哈希冲突的严重程度,**定义为哈希表中元素数量除以桶数量**,常作为哈希表扩容的触发条件。在 Java 中,当负载因子 $> 0.75$ 时,系统会将 HashMap 容量扩展为原先的 $2$ 倍。
## 6.2.2.   链式地址
## 7.2.2.   链式地址
在原始哈希表中,每个桶仅能存储一个键值对。**链式地址将单个元素转换为链表,将键值对作为链表节点,将所有发生冲突的键值对都存储在同一链表中**。
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为了提高操作效率,**可以将链表转换为「AVL 树」或「红黑树」**,将查询操作的时间复杂度优化至 $O(\log n)$ 。
## 6.2.3.   开放寻址
## 7.2.3.   开放寻址
「开放寻址」方法不引入额外的数据结构,而是通过“多次探测”来解决哈希冲突,**探测方主要包括线性探测、平方探测、多次哈希**。
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# 6.1.   哈希表
# 7.1.   哈希表
哈希表通过建立「键 key」与「值 value」之间的映射,实现高效的元素查询。具体而言,我们向哈希表输入一个 key,则可以在 $O(1)$ 时间内获取对应的 value 。
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<p align="center"> Fig. 哈希表的抽象表示 </p>
## 6.1.1. &nbsp; 哈希表效率
除哈希表外,我们还可以使用数组或链表实现查询功能,各项操作的时间复杂度如下表所示。
哈希表外,还可以使用以下数据结构来实现上述查询功能:
1. **无序数组**:每个元素为 `[学号, 姓名]`
2. **有序数组**:将 `1.` 中的数组按照学号从小到大排序;
3. **链表**:每个节点的值为 `[学号, 姓名]`
4. **二叉搜索树**:每个节点的值为 `[学号, 姓名]` ,根据学号大小来构建树;
各项操作的时间复杂度如下表所示(详解可见[二叉搜索树章节](https://www.hello-algo.com/chapter_tree/binary_search_tree/))。无论是查找元素还是增删元素,哈希表的时间复杂度都是 $O(1)$ ,全面胜出!
哈希表中增删查改的时间复杂度都是 $O(1)$ ,全面胜出!因此,哈希表常用于对查找效率要求较高的场景。
<div class="center-table" markdown>
| | 无序数组 | 有序数组 | 链表 | 二叉搜索树 | 哈希表 |
| -------- | -------- | ----------- | ------ | ----------- | ------ |
| 查找元素 | $O(n)$ | $O(\log n)$ | $O(n)$ | $O(\log n)$ | $O(1)$ |
| 插入元素 | $O(1)$ | $O(n)$ | $O(1)$ | $O(\log n)$ | $O(1)$ |
| 删除元素 | $O(n)$ | $O(n)$ | $O(n)$ | $O(\log n)$ | $O(1)$ |
| | 数组 | 链表 | 哈希表 |
| -------- | ------ | ------ | ------ |
| 查找元素 | $O(n)$ | $O(n)$ | $O(1)$ |
| 插入元素 | $O(1)$ | $O(1)$ | $O(1)$ |
| 删除元素 | $O(n)$ | $O(n)$ | $O(1)$ |
</div>
## 6.1.2. &nbsp; 哈希表常用操作
## 7.1.1. &nbsp; 哈希表常用操作
哈希表的基本操作包括 **初始化、查询操作、添加与删除键值对**
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```
## 6.1.3. &nbsp; 哈希函数
## 7.1.2. &nbsp; 哈希函数
哈希表的底层实现为数组,同时可能包含链表、二叉树(红黑树)等数据结构,以提高查询性能(将在下节讨论)。
@@ -1286,7 +1279,7 @@ $$
}
```
## 6.1.4. &nbsp; 哈希冲突
## 7.1.3. &nbsp; 哈希冲突
细心的你可能已经注意到,**在某些情况下,哈希函数 $f(x) = x % 100$ 可能无法正常工作**。具体来说,当输入的 key 后两位相同时,哈希函数的计算结果也会相同,从而指向同一个 value 。例如,查询学号为 $12836$ 和 $20336$ 的两个学生时,我们得到:
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# 6.3. &nbsp; 小结
# 7.3. &nbsp; 小结
- 哈希表能够在 $O(1)$ 时间内将键 key 映射到值 value,效率非常高。
- 常见的哈希表操作包括查询、添加与删除键值对、遍历键值对等。