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2023-08-27 23:40:56 +08:00
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上节提到,**通常情况下哈希函数的输入空间远大于输出空间**,因此理论上哈希冲突是不可避免的。比如,输入空间为全体整数,输出空间为数组容量大小,则必然有多个整数映射至同一数组索引。
哈希冲突会导致查询结果错误,严重影响哈希表的可用性。为解决该问题,我们可以每当遇到哈希冲突时就进行哈希表扩容,直至冲突消失为止。此方法简单粗暴且有效,但效率太低,因为哈希表扩容需要进行大量的数据搬运与哈希值计算。为了提升效率,我们切换一下思路
哈希冲突会导致查询结果错误,严重影响哈希表的可用性。为解决该问题,我们可以每当遇到哈希冲突时就进行哈希表扩容,直至冲突消失为止。此方法简单粗暴且有效,但效率太低,因为哈希表扩容需要进行大量的数据搬运与哈希值计算。为了提升效率,我们可以采用以下思路
1. 改良哈希表数据结构,**使得哈希表可以在存在哈希冲突时正常工作**。
2. 仅在必要时,即当哈希冲突比较严重时,才执行扩容操作。
哈希表的结构改良方法主要包括链式地址开放寻址。
哈希表的结构改良方法主要包括链式地址”和“开放寻址
## 6.2.1   链式地址
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<p align="center"> 图 6-5 &nbsp; 链式地址哈希表 </p>
链式地址下,哈希表的操作方法包括:
哈希表在链式地址下的操作方法发生了一些变化。
- **查询元素**:输入 `key` ,经过哈希函数得到数组索引,即可访问链表头节点,然后遍历链表并对比 `key` 以查找目标键值对。
- **添加元素**:先通过哈希函数访问链表头节点,然后将节点(即键值对)添加到链表中。
- **删除元素**:根据哈希函数的结果访问链表头部,接着遍历链表以查找目标节点,并将其删除。
该方法存在一些局限性,包括:
链式地址存在以下局限性。
- **占用空间增大**,链表包含节点指针,它相比数组更加耗费内存空间。
- **查询效率降低**,因为需要线性遍历链表来查找对应元素。
以下给出了链式地址哈希表的简单实现,需要注意
以下代码给出了链式地址哈希表的简单实现,需要注意两点。
- 为了使得代码尽量简短,我们使用列表(动态数组)代替链表。在这种设定下,哈希表(数组)包含多个桶,每个桶都是一个列表。
- 以下代码实现了哈希表扩容方法。具体来看,当负载因子超过 $0.75$ 时,我们将哈希表扩容至 $2$ 倍。
- 使用列表(动态数组)代替链表,从而简化代码。在这种设定下,哈希表(数组)包含多个桶,每个桶都是一个列表。
- 以下实现包含哈希表扩容方法。当负载因子超过 $0.75$ 时,我们将哈希表扩容至 $2$ 倍。
=== "Java"
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### 1. &nbsp; 线性探测
线性探测采用固定步长的线性查找来进行探测,对应的哈希表操作方法为:
线性探测采用固定步长的线性搜索来进行探测,其操作方法与普通哈希表有所不同。
- **插入元素**:通过哈希函数计算数组索引,若发现桶内已有元素,则从冲突位置向后线性遍历(步长通常为 $1$ ),直至找到空位,将元素插入其中。
- **查找元素**:若发现哈希冲突,则使用相同步长向后线性遍历,直到找到对应元素,返回 `value` 即可;如果遇到空位,说明目标键值对不在哈希表中,返回 $\text{None}$ 。
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<p align="center"> 图 6-6 &nbsp; 开放寻址和线性探测 </p>
然而,线性探测存在以下缺陷
然而,线性探测存在以下缺陷
- **不能直接删除元素**。删除元素会在数组内产生一个空位,当查找该空位之后的元素时,该空位可能导致程序误判元素不存在。为此,通常需要借助一个标志位来标记已删除元素。
- **容易产生聚集**。数组内连续被占用位置越长,这些连续位置发生哈希冲突的可能性越大,进一步促使这一位置的聚堆生长,形成恶性循环,最终导致增删查改操作效率劣化。
以下代码实现了一个简单的开放寻址(线性探测)哈希表。值得注意两点:
以下代码实现了一个简单的开放寻址(线性探测)哈希表。
- 我们使用一个固定的键值对实例 `removed` 来标记已删除元素。也就是说,当一个桶内的元素为 $\text{None}$ 或 `removed` 时,说明这个桶是空的,可用于放置键值对。
- 在线性探测时,我们从当前索引 `index` 向后遍历;而当越过数组尾部时,需要回到头部继续遍历。
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### 2. &nbsp; 多次哈希
顾名思义,多次哈希方法是使用多个哈希函数 $f_1(x)$ , $f_2(x)$ , $f_3(x)$ , $\dots$ 进行探测。
顾名思义,多次哈希方法是使用多个哈希函数 $f_1(x)$$f_2(x)$$f_3(x)$$\dots$ 进行探测。
- **插入元素**:若哈希函数 $f_1(x)$ 出现冲突,则尝试 $f_2(x)$ ,以此类推,直到找到空位后插入元素。
- **查找元素**:在相同的哈希函数顺序下进行查找,直到找到目标元素时返回;或遇到空位或已尝试所有哈希函数,说明哈希表中不存在该元素,则返回 $\text{None}$ 。