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hash-table基础以及一些运用例子

时间:2015-07-31 18:21:45      阅读:111      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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最近在复习算法和数据结构 ,这章把hash表的概念和相关题目进行汇总。

一、前言

1.1、哈希表和数组、以及链表的对比:

(1).数组的特点:寻址容易,插入和删除困难; 数组存储连续,查找一个元素的时间复杂度为O(1);

(2).链表的特点:寻址困难,插入和删除容易。链表存储区是离散的,遍历链表的元素的时间复杂度为O(N)。

(3).hash-table是根据关键值(key-value)来直接进行访问的数据结构,它结合了数组和链表的优点。hash表的难点在于设计hash函数,以及解决冲突。这里我们会在后面提及;

1.2、一个hash表运用的的直观理解(内容取自教材书)

这里是一些联系人的信息,如果要存储这些信息你会怎么做?我们比较直观的想法是,设计一个结构体,用链表来存储。结构体里面包含一个char型数组存放名字,char字符串存放电话号码,和一个结构体指针用来存放下个结构体的地址。
张三 13980593357
李四 15828662334
王五 13409821234
张帅 13890583472

当要查找”王五 15828662334“这条记录是否在这张链表中时,可能会从链表的头结点开始遍历,依次将每个结点中的姓名同”李四“进行比较,直到查找成功或者失败为止,这种做法的时间复杂度为O(n)。即使采用二叉排序树进行存储,也最多为O(logn)。假设能够通过”王五“这个信息直接获取到该记录在表中的存储位置,就能省掉中间关键字比较的这个环节,复杂度直接降到O(1)。Hash表就能够达到这样的效果。

Hash表采用一个映射函数 f : key —> address 将关键字映射到该记录在表中的存储位置,从而在想要查找该记录时,可以直接根据关键字和映射关系计算出该记录在表中的存储位置,通常情况下,这种映射关系称作为Hash函数,而通过Hash函数和关键字计算出来的存储位置(注意这里的存储位置只是表中的存储位置,并不是实际的物理地址)称作为Hash地址。比如上述例子中,假如联系人信息采用Hash表存储,则当想要找到“李四”的信息时,直接根据“李四”和Hash函数计算出Hash地址即可。

二、hash函数的设计

1、整数的hash函数设计

  常见的hash函数有三种,分别是:直接取余法、乘积取整法、平方取中法。下面一一介绍:

1.1、直接取余法

直接取余法根据字面意思我们就能理解到,它的基本实现是用关键字直接除以散列表的大小(我们一般取跟元素个数最接近的质数作为散列表的大小)。如果知道Hash表的最大长度为m,可以取不大于m的最大质数p,然后对关键字进行取余运算,h(key)=key%p很多的书上认为,哈希表的大小最好是选择一个大的质数,并且最好不要和2的整数幂接近。最不好的选择是哈希表的大小恰好是2的整数幂。

这里可以这么认为:计算机是用二进制存储的,当一个二进制数除以一个2的整数幂的时候,结果就是这个二进制数的后几位,前面的位都丢失了,也就意味着丢失了一部分信息,进而导致哈希表中的元素分布不均匀。为了避免产生冲突,我们可以采用加、乘法、移位等等运算关系来进行处理,然后再取余数,获得哈希地址。

下面是个例子。

<span style="font-size:18px;"> static int additiveHash(String key, int prime)  //prime为我们选取的hash表大小。
 {
   int hash, i;
   for (hash = key.length(), i = 0; i < key.length(); i++)
   <span style="white-space:pre">	</span>hash += key.charAt(i);
   return (hash % prime);
 }</span>

1.2、乘积取整法

字k乘以一个在(0,1)中的实数(最好是无理数),得到一个(0,1)之间的实数;取出其小数部分,乘以m,再取整数部分,即得K在Hash表中的位置。

1.3、平方取中法

     对关键字进行平方运算,然后取结果的中间几位作为Hash地址。假如有以下关键字序列{421,423,436},平方之后的结果为{177241,178929,190096},那么可以取{72,89,00}作为Hash地址。

2、字符串的hash函数设计

我们一般是通过某种算法,以把一个字符串"压缩" 成一个整数。当然,一个32位整数是无法对应回一个字符串的,但在程序中,两个字符串计算出的Hash值相等的可能非常小。下面我介绍几个经典的字符串hash函数设计。

2.1"One-Way Hash"算法

这个算法是Blizzard的创作,是一个非常高效的把字符串转换成整数的算法,举个例子,字符串"unitneutralacritter.grp",通过这个算法得到的结果是0xA26067F3。

<span style="font-size:18px;">unsigned long HashString(char *lpszFileName, unsigned long dwHashType)
{ 
unsigned char *key = (unsigned char *)lpszFileName;
unsigned long seed1 = 0x7FED7FED, seed2 = 0xEEEEEEEE;
int ch;
while(*key != 0)
{ 
   ch = toupper(*key++);   //toupper是转换为大写
seed1 = cryptTable[(dwHashType << 8) + ch] ^ (seed1 + seed2);  
seed2 = ch + seed1 + seed2 + (seed2 << 5) + 3; 
}
return seed1; 
}</span>

运用上面的函数就可以把字符串转化为整数,接下来我们用这个整数就可以通过hash函数产生hash地址了。

<span style="font-size:18px;">int GetHashTablePos(char *lpszString, SOMESTRUCTURE *lpTable, int nTableSize)
{ 
int nHash = HashString(lpszString), nHashPos = nHash % nTableSize;
if (lpTable[nHashPos].bExists && !strcmp(lpTable[nHashPos].pString, lpszString)) 
   return nHashPos; 
else 
   return -1; //Error value 
}</span>

其他的字符串转换成整数算法,可以查阅相关书籍,这不再深入分析。

三、hash冲突的解决方法

1、拉链法

最常用的一种解决哈希冲突的方法,我们可以理解为“链表的数组”,如图:

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左边很明显是个数组,数组的每个成员包括一个指针,指向一个链表的头,当然这个链表可能为空,也可能元素很多。我们根据元素的一些特征把元素分配到不同的链表中去,也是根据这些特征,找到正确的链表,再从链表中找出这个元素。

这里给个例子:设有 m = 5 , H(K) = K mod 5 ,关键字值序例 5 , 21 , 17 , 9 , 15 , 36 , 41 , 24 ,按外链地址法所建立的哈希表如下图所示:

                                                                    技术分享

2、开放定址法

     用开放定址法解决冲突的做法是:当冲突发生时,使用某种探查(亦称探测)技术在散列表中形成一个探查(测)序列。沿此序列逐个单元地查找,直到找到给定 的关键字,或者碰到一个开放的地址(即该地址单元为空)为止(若要插入,在探查到开放的地址,则可将待插入的新结点存人该地址单元)。查找时探查到开放的 地址则表明表中无待查的关键字,即查找失败。
注意:
①用开放定址法建立散列表时,建表前须将表中所有单元(更严格地说,是指单元中存储的关键字)置空。

②空单元的表示与具体的应用相关。

     按照形成探查序列的方法不同,可将开放定址法区分为线性探查法、线性补偿探测法、随机探测等。

2.1、线性探查法(Linear Probing)

该方法的基本思想是:

    将散列表T[0..m-1]看成是一个循环向量,若初始探查的地址为d(即h(key)=d),则最长的探查序列为

       d,d+l,d+2,…,m-1,0,1,…,d-

     即:探查时从地址d开始,首先探查T[d],然后依次探查T[d+1],…,直到T[m-1],此后又循环到T[0],T[1],…,直到探查到T[d-1]为止。

探查过程终止于三种情况:

     (1)若当前探查的单元为空,则表示查找失败(若是插入则将key写入其中);

       (2)若当前探查的单元中含有key,则查找成功,但对于插入意味着失败;

     (3)若探查到T[d-1]时仍未发现空单元也未找到key,则无论是查找还是插入均意味着失败(此时表满)。

利用开放地址法的一般形式,线性探查法的探查序列为:

       hi=(h(key)+i)%m 0≤i≤m-1//即di=i

用线性探测法处理冲突,思路清晰,算法简单,但存在下列缺点:

① 处理溢出需另编程序。一般可另外设立一个溢出表,专门用来存放上述哈希表中放不下的记录。此溢出表最简

单的结构是顺序表,查找方法可用顺序查找。

② 按上述算法建立起来的哈希表,删除工作非常困难。假如要从哈希表 HT 中删除一个记录,按理应将这个记录所

在位置置为空,但我们不能这样做,而只能标上已被删除的标记,否则,将会影响以后的查找。

③ 线性探测法很容易产生堆聚现象。所谓堆聚现象,就是存入哈希表的记录在表中连成一片。按照线性探测法处

理冲突,如果生成哈希地址的连续序列愈长 ( 即不同关键字值的哈希地址相邻在一起愈长 ) ,则当新的记录加入该

表时,与这个序列发生冲突的可能性愈大。因此,哈希地址的较长连续序列比较短连续序列生长得快,这就意味

着,一旦出现堆聚 ( 伴随着冲突 ) ,就将引起进一步的堆聚。


2.2、线性补偿探测法 

线性补偿探测法的基本思想是:

将线性探测的步长从 1 改为 Q ,即将上述算法中的 j = (j + 1) % m 改为: j = (j + Q) % m ,而且要求 Q 与

 m 是互质的,以便能探测到哈希表中的所有单元。

【例】 PDP-11 小型计算机中的汇编程序所用的符合表,就采用此方法来解决冲突,所用表长 m = 1321 ,选用

 Q = 25 。


2.3、随机探测 

随机探测的基本思想是:

将线性探测的步长从常数改为随机数,即令: j = (j + RN) % m ,其中 RN 是一个随机数。在实际程序中应预先

用随机数发生器产生一个随机序列,将此序列作为依次探测的步长。这样就能使不同的关键字具有不同的探测次

序,从而可以避 免或减少堆聚。基于与线性探测法相同的理由,在线性补偿探测法和随机探测法中,删除一个记

录后也要打上删除标记。

四、与hash表相关的面试题

面试题目1、有一个庞大的字符串数组,然后给你一个单独的字符串,让你从这个数组中查找是否有这个字符串并找到它,你会怎么做?

解题思路:有一个方法最简单,老老实实从头查到尾,一个一个比较,直到找到为止,我想只要学过程序设计的人都能把这样一个程序作出来,但要是有程序员把这样的程序交给用户,我只能用无语来评价,或许它真的能工作,但…也只能如此了。

最合适的算法自然是使用HashTable(哈希表),所谓Hash,一般是一个整数,通过某种算法,可以把一个字符串”压缩”成一个整数。这里我把伪代码说一下:

字符串为lpszString,哈希表为hashTble,哈希表大小为tableSize。这里假设我们已经把所以得IP已经放到hash表里面去了。

(1).  intnHash= HashString(lpszString); //这里把字符串转换为一个整数。

(2). nHashPos= nHash%tableSize;    /查找字符串lpszString的Hash值,

(3).判断hashTble[nHashPos]是否存在,存在的话就说明这个字符串在里面。

当然,无论如何,一个32位整数是无法对应回一个字符串的,但在程序中,两个字符串计算出的Hash值相等的可能非常小。


面试题目2、题目:海量日志数据,提取出某日访问百度次数最多的那个IP。


解题思路:IP的数目还是有限的,最多2^32个,所以可以考虑使用hash将ip直接存入内存,然后进行统计。


面试题目3、求最小的K个数,题目:输入n个整数,找出其中最小的K个数,例如输入4、5、1、6、2、7、3、8这八个数字,则最小的4个数是:1、2、3、4。

 解题思路:这个题目的解决思路有很多,我这里列举几种:

1、排序法,先把所有的数进行排序,前面的K个数就是我们要找的k个数。这种算法的时间复杂度为O(NlogN),我们还可以找个时间复杂度更低的哦!

2、利用partition函数来解决,这个代码不在编写,我主要讲下面这个方法。

        3、hash表,时间复杂度为O(N),思路如下,用数组实现一个hash表,hash表的大小为最大元素的大小。其次,把所有数压入hash表,然后再从头取出前k个数。









hash-table基础以及一些运用例子

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原文地址:http://blog.csdn.net/stefan1240/article/details/47150725

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