40 KiB

Raw Blame History Unescape Escape

comments
true

6.3 雜湊演算法

前兩節介紹了雜湊表的工作原理和雜湊衝突的處理方法。然而無論是開放定址還是鏈式位址，它們只能保證雜湊表可以在發生衝突時正常工作，而無法減少雜湊衝突的發生。

如果雜湊衝突過於頻繁，雜湊表的效能則會急劇劣化。如圖 6-8 所示，對於鏈式位址雜湊表，理想情況下鍵值對均勻分佈在各個桶中，達到最佳查詢效率；最差情況下所有鍵值對都儲存到同一個桶中，時間複雜度退化至 O(n) 。

{ class="animation-figure" }

圖 6-8 雜湊衝突的最佳情況與最差情況

鍵值對的分佈情況由雜湊函式決定。回憶雜湊函式的計算步驟，先計算雜湊值，再對陣列長度取模：

index = hash(key) % capacity

觀察以上公式，當雜湊表容量 capacity 固定時，雜湊演算法 hash() 決定了輸出值，進而決定了鍵值對在雜湊表中的分佈情況。

這意味著，為了降低雜湊衝突的發生機率，我們應當將注意力集中在雜湊演算法 hash() 的設計上。

6.3.1 雜湊演算法的目標

為了實現“既快又穩”的雜湊表資料結構，雜湊演算法應具備以下特點。

確定性：對於相同的輸入，雜湊演算法應始終產生相同的輸出。這樣才能確保雜湊表是可靠的。
效率高：計算雜湊值的過程應該足夠快。計算開銷越小，雜湊表的實用性越高。
均勻分佈：雜湊演算法應使得鍵值對均勻分佈在雜湊表中。分佈越均勻，雜湊衝突的機率就越低。

實際上，雜湊演算法除了可以用於實現雜湊表，還廣泛應用於其他領域中。

密碼儲存：為了保護使用者密碼的安全，系統通常不會直接儲存使用者的明文密碼，而是儲存密碼的雜湊值。當用戶輸入密碼時，系統會對輸入的密碼計算雜湊值，然後與儲存的雜湊值進行比較。如果兩者匹配，那麼密碼就被視為正確。
資料完整性檢查：資料傳送方可以計算資料的雜湊值並將其一同傳送；接收方可以重新計算接收到的資料的雜湊值，並與接收到的雜湊值進行比較。如果兩者匹配，那麼資料就被視為完整。

對於密碼學的相關應用，為了防止從雜湊值推導出原始密碼等逆向工程，雜湊演算法需要具備更高等級的安全特性。

單向性：無法透過雜湊值反推出關於輸入資料的任何資訊。
抗碰撞性：應當極難找到兩個不同的輸入，使得它們的雜湊值相同。
雪崩效應：輸入的微小變化應當導致輸出的顯著且不可預測的變化。

請注意，“均勻分佈”與“抗碰撞性”是兩個獨立的概念，滿足均勻分佈不一定滿足抗碰撞性。例如，在隨機輸入 key 下，雜湊函式 key % 100 可以產生均勻分佈的輸出。然而該雜湊演算法過於簡單，所有後兩位相等的 key 的輸出都相同，因此我們可以很容易地從雜湊值反推出可用的 key ，從而破解密碼。

6.3.2 雜湊演算法的設計

雜湊演算法的設計是一個需要考慮許多因素的複雜問題。然而對於某些要求不高的場景，我們也能設計一些簡單的雜湊演算法。

加法雜湊：對輸入的每個字元的 ASCII 碼進行相加，將得到的總和作為雜湊值。
乘法雜湊：利用乘法的不相關性，每輪乘以一個常數，將各個字元的 ASCII 碼累積到雜湊值中。
互斥或雜湊：將輸入資料的每個元素透過互斥或操作累積到一個雜湊值中。
旋轉雜湊：將每個字元的 ASCII 碼累積到一個雜湊值中，每次累積之前都會對雜湊值進行旋轉操作。

=== "Python"

```python title="simple_hash.py"
def add_hash(key: str) -> int:
    """加法雜湊"""
    hash = 0
    modulus = 1000000007
    for c in key:
        hash += ord(c)
    return hash % modulus

def mul_hash(key: str) -> int:
    """乘法雜湊"""
    hash = 0
    modulus = 1000000007
    for c in key:
        hash = 31 * hash + ord(c)
    return hash % modulus

def xor_hash(key: str) -> int:
    """互斥或雜湊"""
    hash = 0
    modulus = 1000000007
    for c in key:
        hash ^= ord(c)
    return hash % modulus

def rot_hash(key: str) -> int:
    """旋轉雜湊"""
    hash = 0
    modulus = 1000000007
    for c in key:
        hash = (hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ ord(c)
    return hash % modulus
```

=== "C++"

```cpp title="simple_hash.cpp"
/* 加法雜湊 */
int addHash(string key) {
    long long hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    for (unsigned char c : key) {
        hash = (hash + (int)c) % MODULUS;
    }
    return (int)hash;
}

/* 乘法雜湊 */
int mulHash(string key) {
    long long hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    for (unsigned char c : key) {
        hash = (31 * hash + (int)c) % MODULUS;
    }
    return (int)hash;
}

/* 互斥或雜湊 */
int xorHash(string key) {
    int hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    for (unsigned char c : key) {
        hash ^= (int)c;
    }
    return hash & MODULUS;
}

/* 旋轉雜湊 */
int rotHash(string key) {
    long long hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    for (unsigned char c : key) {
        hash = ((hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ (int)c) % MODULUS;
    }
    return (int)hash;
}
```

=== "Java"

```java title="simple_hash.java"
/* 加法雜湊 */
int addHash(String key) {
    long hash = 0;
    final int MODULUS = 1000000007;
    for (char c : key.toCharArray()) {
        hash = (hash + (int) c) % MODULUS;
    }
    return (int) hash;
}

/* 乘法雜湊 */
int mulHash(String key) {
    long hash = 0;
    final int MODULUS = 1000000007;
    for (char c : key.toCharArray()) {
        hash = (31 * hash + (int) c) % MODULUS;
    }
    return (int) hash;
}

/* 互斥或雜湊 */
int xorHash(String key) {
    int hash = 0;
    final int MODULUS = 1000000007;
    for (char c : key.toCharArray()) {
        hash ^= (int) c;
    }
    return hash & MODULUS;
}

/* 旋轉雜湊 */
int rotHash(String key) {
    long hash = 0;
    final int MODULUS = 1000000007;
    for (char c : key.toCharArray()) {
        hash = ((hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ (int) c) % MODULUS;
    }
    return (int) hash;
}
```

=== "C#"

```csharp title="simple_hash.cs"
/* 加法雜湊 */
int AddHash(string key) {
    long hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    foreach (char c in key) {
        hash = (hash + c) % MODULUS;
    }
    return (int)hash;
}

/* 乘法雜湊 */
int MulHash(string key) {
    long hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    foreach (char c in key) {
        hash = (31 * hash + c) % MODULUS;
    }
    return (int)hash;
}

/* 互斥或雜湊 */
int XorHash(string key) {
    int hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    foreach (char c in key) {
        hash ^= c;
    }
    return hash & MODULUS;
}

/* 旋轉雜湊 */
int RotHash(string key) {
    long hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    foreach (char c in key) {
        hash = ((hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ c) % MODULUS;
    }
    return (int)hash;
}
```

=== "Go"

```go title="simple_hash.go"
/* 加法雜湊 */
func addHash(key string) int {
    var hash int64
    var modulus int64

    modulus = 1000000007
    for _, b := range []byte(key) {
        hash = (hash + int64(b)) % modulus
    }
    return int(hash)
}

/* 乘法雜湊 */
func mulHash(key string) int {
    var hash int64
    var modulus int64

    modulus = 1000000007
    for _, b := range []byte(key) {
        hash = (31*hash + int64(b)) % modulus
    }
    return int(hash)
}

/* 互斥或雜湊 */
func xorHash(key string) int {
    hash := 0
    modulus := 1000000007
    for _, b := range []byte(key) {
        fmt.Println(int(b))
        hash ^= int(b)
        hash = (31*hash + int(b)) % modulus
    }
    return hash & modulus
}

/* 旋轉雜湊 */
func rotHash(key string) int {
    var hash int64
    var modulus int64

    modulus = 1000000007
    for _, b := range []byte(key) {
        hash = ((hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ int64(b)) % modulus
    }
    return int(hash)
}
```

=== "Swift"

```swift title="simple_hash.swift"
/* 加法雜湊 */
func addHash(key: String) -> Int {
    var hash = 0
    let MODULUS = 1_000_000_007
    for c in key {
        for scalar in c.unicodeScalars {
            hash = (hash + Int(scalar.value)) % MODULUS
        }
    }
    return hash
}

/* 乘法雜湊 */
func mulHash(key: String) -> Int {
    var hash = 0
    let MODULUS = 1_000_000_007
    for c in key {
        for scalar in c.unicodeScalars {
            hash = (31 * hash + Int(scalar.value)) % MODULUS
        }
    }
    return hash
}

/* 互斥或雜湊 */
func xorHash(key: String) -> Int {
    var hash = 0
    let MODULUS = 1_000_000_007
    for c in key {
        for scalar in c.unicodeScalars {
            hash ^= Int(scalar.value)
        }
    }
    return hash & MODULUS
}

/* 旋轉雜湊 */
func rotHash(key: String) -> Int {
    var hash = 0
    let MODULUS = 1_000_000_007
    for c in key {
        for scalar in c.unicodeScalars {
            hash = ((hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ Int(scalar.value)) % MODULUS
        }
    }
    return hash
}
```

=== "JS"

```javascript title="simple_hash.js"
/* 加法雜湊 */
function addHash(key) {
    let hash = 0;
    const MODULUS = 1000000007;
    for (const c of key) {
        hash = (hash + c.charCodeAt(0)) % MODULUS;
    }
    return hash;
}

/* 乘法雜湊 */
function mulHash(key) {
    let hash = 0;
    const MODULUS = 1000000007;
    for (const c of key) {
        hash = (31 * hash + c.charCodeAt(0)) % MODULUS;
    }
    return hash;
}

/* 互斥或雜湊 */
function xorHash(key) {
    let hash = 0;
    const MODULUS = 1000000007;
    for (const c of key) {
        hash ^= c.charCodeAt(0);
    }
    return hash & MODULUS;
}

/* 旋轉雜湊 */
function rotHash(key) {
    let hash = 0;
    const MODULUS = 1000000007;
    for (const c of key) {
        hash = ((hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ c.charCodeAt(0)) % MODULUS;
    }
    return hash;
}
```

=== "TS"

```typescript title="simple_hash.ts"
/* 加法雜湊 */
function addHash(key: string): number {
    let hash = 0;
    const MODULUS = 1000000007;
    for (const c of key) {
        hash = (hash + c.charCodeAt(0)) % MODULUS;
    }
    return hash;
}

/* 乘法雜湊 */
function mulHash(key: string): number {
    let hash = 0;
    const MODULUS = 1000000007;
    for (const c of key) {
        hash = (31 * hash + c.charCodeAt(0)) % MODULUS;
    }
    return hash;
}

/* 互斥或雜湊 */
function xorHash(key: string): number {
    let hash = 0;
    const MODULUS = 1000000007;
    for (const c of key) {
        hash ^= c.charCodeAt(0);
    }
    return hash & MODULUS;
}

/* 旋轉雜湊 */
function rotHash(key: string): number {
    let hash = 0;
    const MODULUS = 1000000007;
    for (const c of key) {
        hash = ((hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ c.charCodeAt(0)) % MODULUS;
    }
    return hash;
}
```

=== "Dart"

```dart title="simple_hash.dart"
/* 加法雜湊 */
int addHash(String key) {
  int hash = 0;
  final int MODULUS = 1000000007;
  for (int i = 0; i < key.length; i++) {
    hash = (hash + key.codeUnitAt(i)) % MODULUS;
  }
  return hash;
}

/* 乘法雜湊 */
int mulHash(String key) {
  int hash = 0;
  final int MODULUS = 1000000007;
  for (int i = 0; i < key.length; i++) {
    hash = (31 * hash + key.codeUnitAt(i)) % MODULUS;
  }
  return hash;
}

/* 互斥或雜湊 */
int xorHash(String key) {
  int hash = 0;
  final int MODULUS = 1000000007;
  for (int i = 0; i < key.length; i++) {
    hash ^= key.codeUnitAt(i);
  }
  return hash & MODULUS;
}

/* 旋轉雜湊 */
int rotHash(String key) {
  int hash = 0;
  final int MODULUS = 1000000007;
  for (int i = 0; i < key.length; i++) {
    hash = ((hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ key.codeUnitAt(i)) % MODULUS;
  }
  return hash;
}
```

=== "Rust"

```rust title="simple_hash.rs"
/* 加法雜湊 */
fn add_hash(key: &str) -> i32 {
    let mut hash = 0_i64;
    const MODULUS: i64 = 1000000007;

    for c in key.chars() {
        hash = (hash + c as i64) % MODULUS;
    }

    hash as i32
}

/* 乘法雜湊 */
fn mul_hash(key: &str) -> i32 {
    let mut hash = 0_i64;
    const MODULUS: i64 = 1000000007;

    for c in key.chars() {
        hash = (31 * hash + c as i64) % MODULUS;
    }

    hash as i32
}

/* 互斥或雜湊 */
fn xor_hash(key: &str) -> i32 {
    let mut hash = 0_i64;
    const MODULUS: i64 = 1000000007;

    for c in key.chars() {
        hash ^= c as i64;
    }

    (hash & MODULUS) as i32
}

/* 旋轉雜湊 */
fn rot_hash(key: &str) -> i32 {
    let mut hash = 0_i64;
    const MODULUS: i64 = 1000000007;

    for c in key.chars() {
        hash = ((hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ c as i64) % MODULUS;
    }

    hash as i32
}
```

=== "C"

```c title="simple_hash.c"
/* 加法雜湊 */
int addHash(char *key) {
    long long hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    for (int i = 0; i < strlen(key); i++) {
        hash = (hash + (unsigned char)key[i]) % MODULUS;
    }
    return (int)hash;
}

/* 乘法雜湊 */
int mulHash(char *key) {
    long long hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    for (int i = 0; i < strlen(key); i++) {
        hash = (31 * hash + (unsigned char)key[i]) % MODULUS;
    }
    return (int)hash;
}

/* 互斥或雜湊 */
int xorHash(char *key) {
    int hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;

    for (int i = 0; i < strlen(key); i++) {
        hash ^= (unsigned char)key[i];
    }
    return hash & MODULUS;
}

/* 旋轉雜湊 */
int rotHash(char *key) {
    long long hash = 0;
    const int MODULUS = 1000000007;
    for (int i = 0; i < strlen(key); i++) {
        hash = ((hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ (unsigned char)key[i]) % MODULUS;
    }

    return (int)hash;
}
```

=== "Kotlin"

```kotlin title="simple_hash.kt"
/* 加法雜湊 */
fun addHash(key: String): Int {
    var hash = 0L
    val MODULUS = 1000000007
    for (c in key.toCharArray()) {
        hash = (hash + c.code) % MODULUS
    }
    return hash.toInt()
}

/* 乘法雜湊 */
fun mulHash(key: String): Int {
    var hash = 0L
    val MODULUS = 1000000007
    for (c in key.toCharArray()) {
        hash = (31 * hash + c.code) % MODULUS
    }
    return hash.toInt()
}

/* 互斥或雜湊 */
fun xorHash(key: String): Int {
    var hash = 0
    val MODULUS = 1000000007
    for (c in key.toCharArray()) {
        hash = hash xor c.code
    }
    return hash and MODULUS
}

/* 旋轉雜湊 */
fun rotHash(key: String): Int {
    var hash = 0L
    val MODULUS = 1000000007
    for (c in key.toCharArray()) {
        hash = ((hash shl 4) xor (hash shr 28) xor c.code.toLong()) % MODULUS
    }
    return hash.toInt()
}
```

=== "Ruby"

```ruby title="simple_hash.rb"
### 加法雜湊 ###
def add_hash(key)
  hash = 0
  modulus = 1_000_000_007

  key.each_char { |c| hash += c.ord }

  hash % modulus
end

### 乘法雜湊 ###
def mul_hash(key)
  hash = 0
  modulus = 1_000_000_007

  key.each_char { |c| hash = 31 * hash + c.ord }

  hash % modulus
end

### 互斥或雜湊 ###
def xor_hash(key)
  hash = 0
  modulus = 1_000_000_007

  key.each_char { |c| hash ^= c.ord }

  hash % modulus
end

### 旋轉雜湊 ###
def rot_hash(key)
  hash = 0
  modulus = 1_000_000_007

  key.each_char { |c| hash = (hash << 4) ^ (hash >> 28) ^ c.ord }

  hash % modulus
end
```

=== "Zig"

```zig title="simple_hash.zig"
[class]{}-[func]{addHash}

[class]{}-[func]{mulHash}

[class]{}-[func]{xorHash}

[class]{}-[func]{rotHash}
```

??? pythontutor "視覺化執行"

<div style="height: 549px; width: 100%;"><iframe class="pythontutor-iframe" src="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=def%20add_hash%28key%3A%20str%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%8A%A0%E6%B3%95%E9%9B%9C%E6%B9%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20hash%20%3D%200%0A%20%20%20%20modulus%20%3D%201000000007%0A%20%20%20%20for%20c%20in%20key%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20hash%20%2B%3D%20ord%28c%29%0A%20%20%20%20return%20hash%20%25%20modulus%0A%0A%0Adef%20mul_hash%28key%3A%20str%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E4%B9%98%E6%B3%95%E9%9B%9C%E6%B9%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20hash%20%3D%200%0A%20%20%20%20modulus%20%3D%201000000007%0A%20%20%20%20for%20c%20in%20key%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20hash%20%3D%2031%20%2A%20hash%20%2B%20ord%28c%29%0A%20%20%20%20return%20hash%20%25%20modulus%0A%0A%0Adef%20xor_hash%28key%3A%20str%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E4%BA%92%E6%96%A5%E6%88%96%E9%9B%9C%E6%B9%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20hash%20%3D%200%0A%20%20%20%20modulus%20%3D%201000000007%0A%20%20%20%20for%20c%20in%20key%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20hash%20%5E%3D%20ord%28c%29%0A%20%20%20%20return%20hash%20%25%20modulus%0A%0A%0Adef%20rot_hash%28key%3A%20str%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%97%8B%E8%BD%89%E9%9B%9C%E6%B9%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20hash%20%3D%200%0A%20%20%20%20modulus%20%3D%201000000007%0A%20%20%20%20for%20c%20in%20key%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20hash%20%3D%20%28hash%20%3C%3C%204%29%20%5E%20%28hash%20%3E%3E%2028%29%20%5E%20ord%28c%29%0A%20%20%20%20return%20hash%20%25%20modulus%0A%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20key%20%3D%20%22Hello%20%E6%BC%94%E7%AE%97%E6%B3%95%22%0A%0A%20%20%20%20hash%20%3D%20add_hash%28key%29%0A%20%20%20%20print%28f%22%E5%8A%A0%E6%B3%95%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E5%80%BC%E7%82%BA%20%7Bhash%7D%22%29%0A%0A%20%20%20%20hash%20%3D%20mul_hash%28key%29%0A%20%20%20%20print%28f%22%E4%B9%98%E6%B3%95%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E5%80%BC%E7%82%BA%20%7Bhash%7D%22%29%0A%0A%20%20%20%20hash%20%3D%20xor_hash%28key%29%0A%20%20%20%20print%28f%22%E4%BA%92%E6%96%A5%E6%88%96%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E5%80%BC%E7%82%BA%20%7Bhash%7D%22%29%0A%0A%20%20%20%20hash%20%3D%20rot_hash%28key%29%0A%20%20%20%20print%28f%22%E6%97%8B%E8%BD%89%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E5%80%BC%E7%82%BA%20%7Bhash%7D%22%29%0A&codeDivHeight=472&codeDivWidth=350&cumulative=false&curInstr=6&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false"> </iframe></div>
<div style="margin-top: 5px;"><a href="https://pythontutor.com/iframe-embed.html#code=def%20add_hash%28key%3A%20str%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E5%8A%A0%E6%B3%95%E9%9B%9C%E6%B9%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20hash%20%3D%200%0A%20%20%20%20modulus%20%3D%201000000007%0A%20%20%20%20for%20c%20in%20key%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20hash%20%2B%3D%20ord%28c%29%0A%20%20%20%20return%20hash%20%25%20modulus%0A%0A%0Adef%20mul_hash%28key%3A%20str%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E4%B9%98%E6%B3%95%E9%9B%9C%E6%B9%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20hash%20%3D%200%0A%20%20%20%20modulus%20%3D%201000000007%0A%20%20%20%20for%20c%20in%20key%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20hash%20%3D%2031%20%2A%20hash%20%2B%20ord%28c%29%0A%20%20%20%20return%20hash%20%25%20modulus%0A%0A%0Adef%20xor_hash%28key%3A%20str%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E4%BA%92%E6%96%A5%E6%88%96%E9%9B%9C%E6%B9%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20hash%20%3D%200%0A%20%20%20%20modulus%20%3D%201000000007%0A%20%20%20%20for%20c%20in%20key%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20hash%20%5E%3D%20ord%28c%29%0A%20%20%20%20return%20hash%20%25%20modulus%0A%0A%0Adef%20rot_hash%28key%3A%20str%29%20-%3E%20int%3A%0A%20%20%20%20%22%22%22%E6%97%8B%E8%BD%89%E9%9B%9C%E6%B9%8A%22%22%22%0A%20%20%20%20hash%20%3D%200%0A%20%20%20%20modulus%20%3D%201000000007%0A%20%20%20%20for%20c%20in%20key%3A%0A%20%20%20%20%20%20%20%20hash%20%3D%20%28hash%20%3C%3C%204%29%20%5E%20%28hash%20%3E%3E%2028%29%20%5E%20ord%28c%29%0A%20%20%20%20return%20hash%20%25%20modulus%0A%0A%0A%22%22%22Driver%20Code%22%22%22%0Aif%20__name__%20%3D%3D%20%22__main__%22%3A%0A%20%20%20%20key%20%3D%20%22Hello%20%E6%BC%94%E7%AE%97%E6%B3%95%22%0A%0A%20%20%20%20hash%20%3D%20add_hash%28key%29%0A%20%20%20%20print%28f%22%E5%8A%A0%E6%B3%95%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E5%80%BC%E7%82%BA%20%7Bhash%7D%22%29%0A%0A%20%20%20%20hash%20%3D%20mul_hash%28key%29%0A%20%20%20%20print%28f%22%E4%B9%98%E6%B3%95%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E5%80%BC%E7%82%BA%20%7Bhash%7D%22%29%0A%0A%20%20%20%20hash%20%3D%20xor_hash%28key%29%0A%20%20%20%20print%28f%22%E4%BA%92%E6%96%A5%E6%88%96%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E5%80%BC%E7%82%BA%20%7Bhash%7D%22%29%0A%0A%20%20%20%20hash%20%3D%20rot_hash%28key%29%0A%20%20%20%20print%28f%22%E6%97%8B%E8%BD%89%E9%9B%9C%E6%B9%8A%E5%80%BC%E7%82%BA%20%7Bhash%7D%22%29%0A&codeDivHeight=800&codeDivWidth=600&cumulative=false&curInstr=6&heapPrimitives=nevernest&origin=opt-frontend.js&py=311&rawInputLstJSON=%5B%5D&textReferences=false" target="_blank" rel="noopener noreferrer">全螢幕觀看 ></a></div>

觀察發現，每種雜湊演算法的最後一步都是對大質數 1000000007 取模，以確保雜湊值在合適的範圍內。值得思考的是，為什麼要強調對質數取模，或者說對合數取模的弊端是什麼？這是一個有趣的問題。

先丟擲結論：使用大質數作為模數，可以最大化地保證雜湊值的均勻分佈。因為質數不與其他數字存在公約數，可以減少因取模操作而產生的週期性模式，從而避免雜湊衝突。

舉個例子，假設我們選擇合數 9 作為模數，它可以被 3 整除，那麼所有可以被 3 整除的 key 都會被對映到 0、3、6 這三個雜湊值。


\begin{aligned}
\text{modulus} & = 9 \newline
\text{key} & = \{ 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33, \dots \} \newline
\text{hash} & = \{ 0, 3, 6, 0, 3, 6, 0, 3, 6, 0, 3, 6,\dots \}
\end{aligned}

如果輸入 key 恰好滿足這種等差數列的資料分佈，那麼雜湊值就會出現聚堆積，從而加重雜湊衝突。現在，假設將 modulus 替換為質數 13 ，由於 key 和 modulus 之間不存在公約數，因此輸出的雜湊值的均勻性會明顯提升。


\begin{aligned}
\text{modulus} & = 13 \newline
\text{key} & = \{ 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24, 27, 30, 33, \dots \} \newline
\text{hash} & = \{ 0, 3, 6, 9, 12, 2, 5, 8, 11, 1, 4, 7, \dots \}
\end{aligned}

值得說明的是，如果能夠保證 key 是隨機均勻分佈的，那麼選擇質數或者合數作為模數都可以，它們都能輸出均勻分佈的雜湊值。而當 key 的分佈存在某種週期性時，對合數取模更容易出現聚集現象。

總而言之，我們通常選取質數作為模數，並且這個質數最好足夠大，以儘可能消除週期性模式，提升雜湊演算法的穩健性。

6.3.3 常見雜湊演算法

不難發現，以上介紹的簡單雜湊演算法都比較“脆弱”，遠遠沒有達到雜湊演算法的設計目標。例如，由於加法和互斥或滿足交換律，因此加法雜湊和互斥或雜湊無法區分內容相同但順序不同的字串，這可能會加劇雜湊衝突，並引起一些安全問題。

在實際中，我們通常會用一些標準雜湊演算法，例如 MD5、SHA-1、SHA-2 和 SHA-3 等。它們可以將任意長度的輸入資料對映到恆定長度的雜湊值。

近一個世紀以來，雜湊演算法處在不斷升級與最佳化的過程中。一部分研究人員努力提升雜湊演算法的效能，另一部分研究人員和駭客則致力於尋找雜湊演算法的安全性問題。表 6-2 展示了在實際應用中常見的雜湊演算法。

MD5 和 SHA-1 已多次被成功攻擊，因此它們被各類安全應用棄用。
SHA-2 系列中的 SHA-256 是最安全的雜湊演算法之一，仍未出現成功的攻擊案例，因此常用在各類安全應用與協議中。
SHA-3 相較 SHA-2 的實現開銷更低、計算效率更高，但目前使用覆蓋度不如 SHA-2 系列。

表 6-2 常見的雜湊演算法

	MD5	SHA-1	SHA-2	SHA-3
推出時間	1992	1995	2002	2008
輸出長度	128 bit	160 bit	256/512 bit	224/256/384/512 bit
雜湊衝突	較多	較多	很少	很少
安全等級	低，已被成功攻擊	低，已被成功攻擊	高	高
應用	已被棄用，仍用於資料完整性檢查	已被棄用	加密貨幣交易驗證、數字簽名等	可用於替代 SHA-2

6.3.4 資料結構的雜湊值

我們知道，雜湊表的 key 可以是整數、小數或字串等資料型別。程式語言通常會為這些資料型別提供內建的雜湊演算法，用於計算雜湊表中的桶索引。以 Python 為例，我們可以呼叫 hash() 函式來計算各種資料型別的雜湊值。

整數和布林量的雜湊值就是其本身。
浮點數和字串的雜湊值計算較為複雜，有興趣的讀者請自行學習。
元組的雜湊值是對其中每一個元素進行雜湊，然後將這些雜湊值組合起來，得到單一的雜湊值。
物件的雜湊值基於其記憶體位址生成。透過重寫物件的雜湊方法，可實現基於內容生成雜湊值。

!!! tip

請注意，不同程式語言的內建雜湊值計算函式的定義和方法不同。