diff --git a/docs/chapter_hashing/hash_collision.md b/docs/chapter_hashing/hash_collision.md index 40c2a78c3..57f1c6e2a 100644 --- a/docs/chapter_hashing/hash_collision.md +++ b/docs/chapter_hashing/hash_collision.md @@ -4,14 +4,68 @@ comments: true # 哈希冲突处理 +理想情况下,哈希函数应该为每个输入产生唯一的输出,使得 key 和 value 一一对应。而实际上,可能存在多个输入产生相同输出的情况,即 key 和 value 存在多对一的关系,即「哈希冲突 Hash Collision」。 +「哈希冲突」会严重影响哈希表的实用性。试想一下,如果在哈希表中总是查找到错误的结果,亦或无法新建冲突的键值对,那么我们肯定不会继续使用这样的数据结构了。 -## 链地址法 +即使我们设计了一个足够好的「哈希函数」,仍然无法杜绝哈希冲突问题,这是因为: +- 哈希表的桶(地址)的大小是有限的,在数据量足够大时, +- 尽量使哈希冲突均匀分布, +哈希冲突的常见的解决方案有「链式地址」和「开放寻址」。 -## 开放定址法 +## 链式地址 +「链式地址」通过引入链表来解决哈希冲突问题,代价是占用空间变大,因为链表或二叉树包含结点指针,相比于数组更加耗费内存空间。 +### 链表 -## 再哈希法 +原始哈希表中一个桶地址只能存储一个元素(即键值对),因此无法处理冲突。「链式地址」考虑将桶地址内的单个元素转变成一个链表,将所有冲突元素都存储在一个链表中。 + +- **查询元素:** 先将 key 输入到哈希函数得到桶地址(即访问链表头部),再遍历链表来确定对应的 value 。 +- **添加元素:** 先通过哈希函数访问链表头部,再将元素直接添加到链表头部即可。 +- **删除元素:** 同样先访问链表头部,再遍历链表查找对应元素,删除之即可。 + +(图) + +### 二叉树 + +引入链表虽然解决了哈希冲突,但查询效率也随之降低了,因为需要线性查找(即遍历链表)来确认对应元素。为了缓解此问题,当某个桶地址内的链表太长时,可以将链表转化为「平衡二叉搜索树」,将时间复杂度降低至 $O(\log n)$ 。 + +!!! note "工业界方案" + + Java 使用了链式地址解决哈希冲突问题,并且在 JDK 1.8 之后, HashMap 内长度大于 8 的链表会被转化为「红黑树」,以提升查找性能。 + +## 开放寻址 + +「开放寻址」不引入额外数据结构,而是通过 “向后探测” 来解决哈希冲突。根据探测方法的不同,主要分为 **线性探测、平方探测、多次哈希**。 + +### 线性探测 + +「线性探测」利用线性查找来解决哈希冲突,具体为: + +- **插入元素:** 如果出现哈希冲突,则从冲突位置向后线性遍历(一般步长取 1 ),直到找到一个空位,则将元素插入到该空位中。 +- **查找元素:** 若出现哈希冲突,则使用相同步长执行线性查找,会遇到两种情况: + 1. 找到对应元素,返回 value 即可; + + 2. 若遇到空位,则说明查找键值对不在哈希表中; + + +(图) + +线性探测有以下缺陷: + +- 不能直接删除元素。删除元素后,桶内出现一个空槽,在查找其他元素时,该空槽有可能导致程序认为元素不存在(即上述第 `2.` 种情况)。因此,需要借助额外的 `flag` 来标记删除元素。 +- 容易产生聚集。桶内被占用的连续位置越长,这些连续位置发生哈希冲突的可能性越大,从而进一步促进这一位置的 “聚堆生长” ,最终导致增删查改操作效率的劣化。 + +### 多次哈希 + +顾名思义,「多次哈希」的思路是准备多个哈希函数 $f_1(x)$ , $f_2(x)$ , $f_3(x)$ , ... ,具体操作为: + +- **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:** 以相同的哈希函数顺序查找,存在两种情况: + 1. 找到目标元素,则返回之; + 2. 遇到空位或已尝试所有哈希函数,说明哈希表中无此元素; + +相比于「线性探测」,「多次哈希」方法更不容易产生聚集,代价是多个哈希函数增加了额外计算量。 diff --git a/docs/chapter_hashing/hash_map.md b/docs/chapter_hashing/hash_map.md index 77bc82321..2b5f8be60 100644 --- a/docs/chapter_hashing/hash_map.md +++ b/docs/chapter_hashing/hash_map.md @@ -4,7 +4,7 @@ comments: true # 哈希表 -哈希表通过建立「键 Key」和「值 Value」之间的映射,实现高效的元素查找。具体地,输入一个 Key ,在哈希表中查询并获取 Value ,时间复杂度为 $O(1)$ 。 +哈希表通过建立「键 key」和「值 value」之间的映射,实现高效的元素查找。具体地,输入一个 key ,在哈希表中查询并获取 value ,时间复杂度为 $O(1)$ 。 例如,给定一个包含 $n$ 个学生的数据库,每个学生有 "姓名 `name` ” 和 “学号 `id` ” 两项数据,希望实现一个查询功能:**输入一个学号,返回对应的姓名**,则可以使用哈希表实现。 @@ -62,15 +62,15 @@ map.remove(10583); ```java /* 遍历哈希表 */ -// 遍历键值对 Key->Value +// 遍历键值对 key->value for (Map.Entry kv: map.entrySet()) { System.out.println(kv.getKey() + " -> " + kv.getValue()); } -// 单独遍历键 Key +// 单独遍历键 key for (int key: map.keySet()) { System.out.println(key); } -// 单独遍历值 Value +// 单独遍历值 value for (String val: map.values()) { System.out.println(val); } @@ -80,14 +80,14 @@ for (String val: map.values()) { 哈希表中存储元素的数据结构被称为「桶 Bucket」,底层实现可能是数组、链表、二叉树(红黑树),或是它们的组合。 -最简单地,**我们可以仅用一个「数组」来实现哈希表**。首先,将所有 Value 放入数组中,那么每个 Value 在数组中都有唯一的「索引」。显然,访问 Value 需要给定索引,而为了 **建立 Key 和索引之间的映射关系**,我们需要使用「哈希函数 Hash Function」。 +最简单地,**我们可以仅用一个「数组」来实现哈希表**。首先,将所有 value 放入数组中,那么每个 value 在数组中都有唯一的「索引」。显然,访问 value 需要给定索引,而为了 **建立 key 和索引之间的映射关系**,我们需要使用「哈希函数 Hash Function」。 -设数组为 `bucket` ,哈希函数为 `f(x)` ,输入键为 `key` 。那么获取 Value 的步骤为: +设数组为 `bucket` ,哈希函数为 `f(x)` ,输入键为 `key` 。那么获取 value 的步骤为: 1. 通过哈希函数计算出索引,即 `index = f(key)` ; 2. 通过索引在数组中获取值,即 `value = bucket[index]` ; -以上述学生数据 `Key 学号 -> Value 姓名` 为例,我们可以将「哈希函数」设计为 +以上述学生数据 `key 学号 -> value 姓名` 为例,我们可以将「哈希函数」设计为 $$ f(x) = x \% 100 @@ -151,11 +151,13 @@ class ArrayHashMap { ## 哈希冲突 -细心的同学可能会发现,**哈希函数 $f(x) = x \% 100$ 会在某些情况下失效**。具体地,当输入的 Key 后两位相同时,哈希函数的计算结果也相同,指向同一个 Value 。例如,分别查询两个学号 12836 和 20336 ,则有 +细心的同学可能会发现,**哈希函数 $f(x) = x \% 100$ 会在某些情况下失效**。具体地,当输入的 key 后两位相同时,哈希函数的计算结果也相同,指向同一个 value 。例如,分别查询两个学号 12836 和 20336 ,则有 + $$ f(12836) = f(20336) = 36 $$ -导致两个学号指向了同一个姓名,这明显是不对的。我们将这种现象称为「哈希冲突 Hash Collision」,其会严重影响查询的正确性,我们将如何避免哈希冲突的问题留在下章讨论。 + +两个学号指向了同一个姓名,这明显是不对的,我们将这种现象称为「哈希冲突 Hash Collision」,其会严重影响查询的正确性。如何避免哈希冲突的问题将被留在下章讨论。 ![hash_collision](hash_map.assets/hash_collision.png)