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顺序结构以及平衡树中,元素关键码与其存储位置之间没有对应的关系,因此在查找一个元素时,必须要经过关键码的多次比较。顺序查找时间复杂度为O(N),平衡树中为树的高度,即 O(log2N),搜索的效率取决于搜索过程中元素的比较次数。
哈希方法:可以不经过任何比较,一次直接从表中得到要搜索的元素。
构造一种存储结构,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。
例如:数据集合{1,7,6,4,5,9}
哈希函数设置为:hash(key) = key % capacity; capacity为存储元素底层空间总的大小。
用该方法进行搜索不必进行多次关键码的比较,因此搜索的速度非常快。
对于两个数据元素的关键字key1和 key2,有key1!=key2,但有:Hash(key1) == Hash(key2),即: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。
取关键字的某个线性函数为散列地址:Hash(Key)= A*Key + B
优点:不会发生Hash冲突,简单。
缺点:可能会分布不均匀,使Hash表的一部分未被利用,导致浪费空间。
例如:key={1,2,4,6,10000},哈希函数为Hash(key)= key。
这样需要开一个大小为10000的数组但是仅仅存储这几个值,中间部分造成了极大的浪费。
设散列表中允许的地址数为m,取一个不大于m,但最接近或者等于m的质数p作为除数, 按照哈希函数:Hash(key) = key% p(p<=m),将关键码转换成哈希地址。
优点:可以自行规定表的大小,使插入数据可以均匀占据空间。
本质上是当前位置冲突,后面找一个合适的位置继续储存。
从发生冲突的位置开始,依次向后探测,直到寻找到下一个空位置为止。
例子:{1,4,24,34,7,44,17}(注意顺序!)
需要枚举类型表示一个位置的状态
- enum State
- {
-
- EMPTY,//空值,一开始一张表里都是空值
- EXIST,//有值,插入值时相应的位置变成有值
-
- DELETE//删除,在删除后,防止再次查找时,走到该位置停止
- };
注意:本质上需要有值和无值即可,但是这里有一个DELETE,它是在查找时起作用
代码如下:
- enum State
- {
- EMPTY,
- EXIST,
- DELETE
- };
- template<class K,class V>
- struct HashData
- {
- par<K, V> _data;
- State _state = EMPTY;//开始都标记为空
- };
- template<class K,class V>
- class HashTable
- {
- public:
- //插入
- ……
- //删除
- ……
- //寻找
- private:
- vector<HashData<K, V>> _table;
- size_t _n = 0;实际插入数据的个数
- };
- HashTable(size_t size = 10)//默认开10个类型的大小
- {
- _table.resize(size);
- }
功能:给定一个值,通过哈希函数找到一个适合这个值位置的地址,插入。
这种插入方法世间复杂度是O(1)。
i=key%表的大小,如果i位置已经有值了,就线性往后找到空位置,放进去。
- //插入
- bool Insert(const pair<K,V>& kv)
- {
- size_t hashi = kv.first % _table.size();//根据值找位置
-
- while (_table[hashi]._state != EMPTY)//找到位置后判断是否发生哈希冲突
- {
- hashi++;//该位置有值(发生哈希冲突),向后移动。
- hashi %= _table.size();//防止越界(线性探测规则)
- }
-
- //解决哈希冲突后,在该位置插入值
- _table[hashi]._data = kv;
- _table[hashi]._state = EXIST;
- ++_n;
-
- return true;
- }
空间是有限的,一直插入,总会有空间不够的情况。
负载因子------衡量哈希表的拥挤程度,空间的剩余情况
负载因子越大,哈希表越拥挤,空间剩余越少,可能造成的哈希冲突越多,效率越低。
计算公式:负载因子=已有数据/表的大小
一般控制在0.7左右,当负载因子大于等于0.7时扩容。
方法:再建一个两倍大小的哈希表,将原来哈希表的数据重新插入到这个新的哈希表,最后交换一下哈希表的地址。
- //扩容问题
- //当负载因子到达0.7时,此时扩容
- if (10 * _n / _table.size() >= 7)//此处同时乘以10,防止小数进行比较
- {
- HashTable<K, V> newHT(2 * _table());//新开一个空间是两倍的哈希表
- for (auto& e : _table)
- {
- if (e._state == EXIST)
- {
- newHT.Insert(e._data);//不会出现无穷递归,因为插入的新表里时负载因子小,不会走扩容,直接走线性探测插入
- }
- }
- _table.swap(newHT._table);//使用的是vector容器的swap
- }
完整的插入代码:
- bool Insert(const pair<K,V>& kv)
- {
- //扩容问题
- //当负载因子到达0.7时,此时扩容
- if (10 * _n / _table.size() >= 7)//此处同时乘以10,防止小数进行比较
- {
- HashTable<K, V> newHT(2 * _table());//新开一个空间是两倍的哈希表
- for (auto& e : _table)
- {
- if (e._state == EXIST)
- {
- newHT.Insert(e._data);//不会出现无穷递归,因为插入的新表里时负载因子小,不会走扩容,直接走线性探测插入
- }
- }
- _table.swap(newHT._table);//使用的是vector容器的swap
- }
-
- //线性探测
- size_t hashi = kv.first % _table.size();
- while (_table[hashi]._state != EMPTY)
- {
- hashi++;
- hashi %= _table.size();
- }
- _table[hashi]._data = kv;
- _table[hashi]._state = EXIST;
- ++_n;
- return true;
- }
功能:给定key值查找该节点的地址。
查找的时间复杂度是O(1),因为直接根据哈希函数定位到地址,如果有哈希冲突,进行常阶的移位比较。(几乎不需要比较!)
i=key%表的大小,如果i不是要查找的key就线性往后查找,直到找到或者遇到空(如果是DELETE,还要继续往后查找)。
如果找到了表的结尾,就要回到头查找。
- HashData<K, V>* Find(const K& key)
- {
- size_t hashi = key % _table.size();
-
- //开始寻找
- while (_table.[hashi]._state != EMPTY)
- {
- if (_table.[hashi]._state == EXIST
- && key == _table[hashi]._data.first)
- {
- return &_table[hashi];
- }
-
-
- //探测规则(这里是线性探测)
- hashi++;//如果没找到,说明冲突了,向后线性探测。
- hashi %= _tables.size();//hashi向后++时,可能会越界,应该按照取余的方式控制在这个数组长度的范围内
- }
- return nullptr;
- }
功能:给定key值,根据key值找到某节点,删除该节点
很简单,只要用Find找到要删除的即可。
- //删除
- bool Erase(const K& key)
- {
- HashData<K, V>* ret = Find(key);//通过key找到节点的位置
-
- if (ret)//若节点存在
- {
- --_n;
- ret->_state = DELETE;//删除
- return true;
- }
- else
- {
- return false;
- }
- }
-
- enum State
- {
- EMPTY,
- EXIST,
- DELETE
- };
- template<class K, class V>
- struct HashData
- {
- pair<K, V> _data;
- State _state = EMPTY;//开始都标记为空
- };
-
- template<class K, class V>
- class HashTable
- {
- public:
- HashTable(size_t size = 10)
- {
- _table.resize(size);
- }
- //插入
- bool Insert(const pair<K,V>& kv)
- {
- //扩容问题
- //当负载因子到达0.7时,此时扩容
- if (10 * _n / _table.size() >= 7)//此处同时乘以10,防止小数进行比较
- {
- HashTable<K, V> newHT(2 * _table.size());//新开一个空间是两倍的哈希表
- for (auto& e : _table)
- {
- if (e._state == EXIST)
- {
- newHT.Insert(e._data);//不会出现无穷递归,因为插入的新表里时负载因子小,不会走扩容
- }
- }
- _table.swap(newHT._table);
- }
-
- //线性探测
- size_t hashi = kv.first % _table.size();
- while (_table[hashi]._state != EMPTY)
- {
- hashi++;
- hashi %= _table.size();
- }
- _table[hashi]._data = kv;
- _table[hashi]._state = EXIST;
- ++_n;
- return true;
- }
- //寻找
- HashData<K, V>* Find(const K& key)
- {
- size_t hashi = key % _table.size();
- while (_table[hashi]._state != EMPTY)
- {
- if (_table[hashi]._state == EXIST
- && key == _table[hashi]._data.first)
- {
- return &_table[hashi];
- }
-
- //探测规则(这里是线性探测)
- hashi++;//如果没找到,说明冲突了,向后线性探测。
- hashi %= _table.size();//hashi向后++时,可能会越界,应该按照取余的方式控制在这个数组长度的范围内
- }
- return nullptr;
- }
- //删除
- bool Erase(const K& key)
- {
- HashData<K, V>* ret = Find(key);
- if (ret->_state == EXIST)
- {
- --_n;
- ret->_state = DELETE;
- return true;
- }
- else
- {
- return false;
- }
- }
- private:
- vector<HashData<K, V>> _table;
- size_t _n = 0;
- };
开散列法又叫链地址法(开链法),首先对关键码集合用散列函数计算散列地址,具有相同地址的关键码归于同一子集合,每一个子集合称为一个桶,各个桶中的元素通过一个单链表链接起来,各链表的头结点存储在哈希表中。
本质:当使用除留余数法在同一个位置存储多个值时(发生哈希冲突),则在同一个位置以链表的形式储存多个值。
例子:{1,4,24,34,7,44,17}(不是很注重顺序)
代码如下:
- template<class K,class V>
- struct HashNode
- {
- HashNode<K, V>* next;
- pair<K, V> _kv;
- };
-
- template<class K,class V>
- class HashTable
- {
- typedef HashNode<K,V> Node;
- public:
- //插入
-
- //寻找
-
- //删除
- private:
- vector<Node*> _table;
- size_t _n = 0;
- };
- HashTable(size_t size = 10)
- {
- _table.resize(size);
- }
为什么需要写析构函数?对于vector有它自己的析构函数,而我们对每个vector储存的指针指向链表没有析构,会导致内存泄漏。
下面是对HashNode的节点组成的链表进行析构。
- ~HashTable()
- {
- for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
- {
- Node* cur = _table[i];
-
- while (cur)//将该节点的链表全部删除
- {
- Node* next = cur->_next;
- delete cur;
- cur = next;
- }
- _table[i] = nullptr;
- }
- }
功能:给定节点的key值,插入哈希表
原理:先根据key值计算出要插入节点的位置,再头插入链表。
- //插入
- bool Insert(const pair<K, V>& kv)
- {
- size_t hashi = kv.first % _table.size();//计算位置
- Node* newnode = new Node(kv);
-
- //头插
- newnode->_next = _table[hashi];//将新节点的_next指向最开始的节点,而vector保存的就是开始节点的指针
- _table[hashi] = newnode;//vector存储的指针换成刚插入的节点
- ++_n;
-
- return true;
- }
当实际节点数等于表的大小时,扩容。
原理:开个两倍的新表,将原来节点重新定址后插入新表中,交换两个表。
注:不要重新开节点,直接将老表的节点重新定值插入新表中,防止创建新节点造成过多的开销。
- //插入
- bool Insert(const pair<K, V>& kv)
- {
- //--------------------------------------------------------------------------------------
- //扩容
- if (_n == _table.size())//当实际位置的节点个数等于表的大小时进行扩容
- {
- //1.开一个大小为旧表两倍的新表
- vector<Node*> newTable(_table.size() * 2, nullptr);
- //2.遍历旧表每一个vector的每一个链表,将每个节点插入到新表
- for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)//遍历每一个表中vector单元
- {
- //取出旧表中的节点,重新定址后挂到新表桶中
- Node* cur = _table[i];
- while (cur)
- {
- Node* next = cur->_next;//保存第一个节点的下一个节点
-
- //头插到新表
- size_t hashi = cur->_kv.first % newTable.size();//重新定址
- cur->_next = newTable[hashi];//这个vector单元保存的是第一个节点的指针
- newTable[hashi] = cur;//将vector保存的节点替换成新头插的节点
-
- cur = next;//再去刚才没有移动的下一个节点
- }
- _table[i] = nullptr;//原表vector处置空
- }
- //3.交换两表
- _table.swap(newTable);
- }
- //--------------------------------------------------------------------------------------
- size_t hashi = kv.first % _table.size();//计算位置
- Node* newnode = new Node(kv);
-
- //头插
- newnode->_next = _table[hashi];//将新节点的_next指向最开始的节点,而vector保存的就是开始节点的指针
- _table[hashi] = newnode;//vector存储的指针换成刚插入的节点
- ++_n;
-
- return true;
- }
功能:给定一个(key)值,找到这个储存这个值的地址。
原理:根据key值计算索引位置,去该索引位置处遍历所挂的链表,直到找到key值所在的节点
- //寻找
- Node* Find(const K& key)
- {
- size_t hashi = key % _table.size();//计算这个值的位置
- Node* cur = _table[hashi];//找到这个位置
-
- //遍历这个位置挂的节点
- while (cur)
- {
- if (cur->_kv.first == key)
- {
- return cur;
- }
- cur = cur->_next;
- }
-
- return nullptr;
- }
功能:给定一个(key)值,删除储存该值的节点
原理:根据key值计算出对应vector的位置,然后遍历比较vector下挂的链表,并删除节点
- //删除
- bool Erase(const K& key)
- {
- size_t hashi = key % _table.szie();//计算要删节点的位置
- Node* prev = nullptr;
- Node* cur = _table[hashi];
- while (cur)
- {
- if (cur->_kv.first == key)//找到了该值所对应的节点
- {
- if (prev)//删除中间节点
- {
- prev->_next = cur->_next;//跳过cur节点,将prev节点与cur的下一个节点连接
- }
- else//删除第一个节点
- {
- _table[hashi] = cur->_next;//将vector中储存第二个节点
- }
-
- delete cur;
- --_n;
- return true;
- }
- //向下搜索
- prev = cur;
- cur = cur->_next;
- }
-
- return false;
- }
- namespace syb1
- {
-
- template<class K,class V>
- struct HashNode
- {
- HashNode<K, V>* _next;
- pair<K, V> _kv;
-
- HashNode(const pair<K,V>& kv)
- :_next(nullptr)
- ,_kv(kv)
- {}
- };
- template<class K,class V>
- class HashTable
- {
- typedef HashNode<K,V> Node;
- public:
- HashTable(size_t size = 10)
- {
- _table.resize(size);
- }
- ~HashTable()
- {
- for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
- {
- Node* cur = _table[i];
-
- while (cur)//将该节点的链表全部删除
- {
- Node* next = cur->_next;
- delete cur;
- cur = next;
- }
- _table[i] = nullptr;
- }
- }
- //插入
- bool Insert(const pair<K, V>& kv)
- {
- //扩容
- if (_n == _table.size())//当实际位置的节点个数等于表的大小时进行扩容
- {
- vector<Node*> newTable(_table.size() * 2, nullptr);
- for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)//遍历每一个表中vector单元
- {
- //取出旧表中的节点,重新定址后挂到新表桶中
- Node* cur = _table[i];
- while (cur)
- {
- Node* next = cur->_next;//保存第一个节点的下一个节点
-
- //头插到新表
- size_t hashi = cur->_kv.first % newTable.size();//重新定址
- cur->_next = newTable[hashi];//这个vector单元保存的是第一个节点的指针
- newTable[hashi] = cur;//将vector保存的节点替换成新头插的节点
-
- cur = next;//再去刚才没有移动的下一个节点
- }
- _table[i] = nullptr;//原表vector处置空
- }
-
- _table.swap(newTable);
- }
-
- size_t hashi = kv.first % _table.size();//计算位置
- Node* newnode = new Node(kv);
-
- //头插
- newnode->_next = _table[hashi];//将新节点的_next指向最开始的节点,而vector保存的就是开始节点的指针
- _table[hashi] = newnode;//vector存储的指针换成刚插入的节点
- ++_n;
-
- return true;
- }
- //寻找
- Node* Find(const K& key)
- {
- size_t hashi = key % _table.size();//计算这个值的位置
- Node* cur = _table[hashi];//找到这个位置
-
- //遍历这个位置挂的节点
- while (cur)
- {
- if (cur->_kv.first == key)
- {
- return cur;
- }
- cur = cur->_next;
- }
-
- return nullptr;
- }
- //删除
- bool Erase(const K& key)
- {
- size_t hashi = key % _table.szie();//计算要删节点的位置
- Node* prev = nullptr;
- Node* cur = _table[hashi];
- while (cur)
- {
- if (cur->_kv.first == key)
- {
- if (prev)//删除中间节点
- {
- prev->_next = cur->_next;//跳过cur节点,将prev节点与cur的下一个节点连接
- }
- else//删除第一个节点
- {
- _table[hashi] = cur->_next;//将vector中储存第二个节点
- }
-
- delete cur;
- --_n;
- return true;
- }
- //向下搜索
- prev = cur;
- cur = cur->_next;
- }
-
- return false;
- }
- private:
- vector<Node*> _table;
- size_t _n = 0;
- };
- }
对于key值是int型参数时,直接进行取模运算,即可得到映射的位置。但是对于字符串类型(string)的key值,或者是结构体类型的key值,如何确定其映射的位置呢?我们可以利用仿函数将其他类型的key值转化。
原理:非常简单,直接强转
- template<class K>
- struct HashFunc
- {
- size_t operator()(const K& key)
- {
- return (size_t)key;
- }
- };
原理:读取string每一个字符,将其的ASCII值每次乘一个值后加到Hash变量中,最后返回这个值Hash,这样就对每一个不同字符串都得到一个不同的key值。
关于溢出问题:如果字符串太长,通过这样方式转换成整形后溢出怎么办?不用管,自动截断,得到一个key值。
关于每次乘的值:选31 131 1313 13131 131313这些值都可以
- struct HashFuncString
- {
- size_t operator()(const string& s)
- {
- size_t hash = 0;
- for (auto e : s)
- {
- hash += e;
- hash *= 131;//可以防止顺序不同造成的位置相同
- }
-
- return hash;
- }
- };
原理:同上,将每个元素转换成整形后乘上131加在一起。
- struct HashFuncDate
- {
- size_t operator()(const Date& d)
- {
- size_t hash = 0;
- hash += d._year;
- hash *= 131;
-
- hash += d._month;
- hash *= 131;
-
- hash += d._day;
- hash *= 131;
- }
- };
总结:以后对于各种各样的key值,我们可以把每个元素划分出来(结构体类型的将每个元素划分出来,string类型的划分成一个个char型)乘上一个特定的数加在一起,从而得到一个int型的key值。
使用:当key值为不同的类型时,使用仿函数作用在key值上,使key值变成int型数据。
以查找函数为例:
- HashData<K, V>* Find(const K& key)//<------传string类型数据
- {
- //-----------------------------------------------------------------------------------------
- HashFuncString hs;//类构造一个对象
- size_t hashi = hs(key) % _table.size();用仿函数将key转换成int类型的数据
- //-----------------------------------------------------------------------------------------
- while (_table[hashi]._state != EMPTY)
- {
- if (_table[hashi]._state == EXIST
- && key == _table[hashi]._data.first)
- {
- return &_table[hashi];
- }
- hashi++;
- hashi %= _table.size();
- }
- return nullptr;
- }
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