【高阶数据布局】哈希表

1.哈希的概念

哈希（hash）又称散列，是一种组织数据的方式。从译名来看，有散乱排列的意思。本质就是通过哈希函数把关键字Key跟存储位置创建一个映射关系，查找时通过这个哈希函数计算出Key存储的位置，举行快速查找。根据哈希的头脑而设计的数据布局：哈希表、位图、布隆过滤器。
2.直接定址法

• 当关键字的范围比较集中的整形时，直接定址法就是非常简单高效的方法。
  
• 比如一组关键字都在[0,99]之间，那么我们开一个100个数的数组，每个关键字的值直接就是存储位置的下标。
  
• 再比如一组关键字值都在[a,z]的小写字母，那么我们开一个26个数的数组，每个关键字acsii码值-a的ascii码值就是存储位置的下标。
  
• 也就是说直接定址法本质就是用关键字计算出一个绝对位置或者相对位置，用于储存关键字Key / 键值对Key/Value。
  

比方一个leetcode简单题：字符串中的第一个唯一字符

1. class Solution {
2. public:
3.     int firstUniqChar(string s)
4.     {
5.         //1.创建哈希表
6.         int hash[26] = {0};
8.         //2.将字符串中的所有字符丢进哈希表中
9.         for(int i = 0; i < s.size(); i++)
10.         {
11.             hash[s[i] - 'a']++;
12.         }
14.         //3.遍历字符串找出第一次出现的唯一字符
15.         for(int i = 0; i < s.size(); i++)
16.         {
17.             if(hash[s[i] - 'a'] == 1)
18.             {
19.                 return i;
20.             }
21.         }
22.         return -1;
23.     }
24. };

复制代码

3.哈希辩论

• 直接定址法的缺点也非常显着，当关键字的范围比较分散时，就很浪费内存甚至内存不够用。假设我们只有数据范围是[0, 9999]的N个值，我们要映射到一个M个空间的数组中（一样平常情况下M>=N），那么就要借助哈希函数，关键字key被放到数组的h(key)位置，这里要注意的是h(key)计算出的值必须在[0, M)之间。
  
• 这里存在的一个题目就是，两个差异的key可能会映射到同一个位置去，这种题目我们叫做哈希辩论，或者哈希碰撞。抱负情况是找出一个好的哈希函数避免辩论，但是实际场景中，辩论是不可避免的，以是我们尽可能设计出优秀的哈希函数，减少辩论的次数，同时也要去设计出办理辩论的方案。
  

4.负载因子

• 假设哈希表中已经映射存储了N个值，哈希表的大小为M，那么负载因子：N / M，负载因子有些地方也翻译为载荷因子/装载因子等，英文为load factor。
  
• 负载因子越大，哈希辩论的概率越高，空间使用率越高。
  
• 负载因子越小，哈希辩论的概率越低，空间使用率越低。
  

5.将关键字转为整数

• 我们将关键字映射到数组中位置，一样平常是整数好做映射计算，如果不是整数，我们要想办法转换成整数。
  
• 比方当关键字时字符串时：可以将字符串中的所有字符的ASCII码值相加，云云每一个字符串就转成为整数了。
  
• 下面哈希函数部分我们讨论时，如果关键字不是整数，那么我们讨论的是Key关键字转换成的整数后的哈希函数。
  

6.哈希函数

一个好的哈希函数应该让N个关键字被等概率的均匀的散列分布到哈希表的M个空间中，但是实际中却很难做到，但是我们要尽量往这个方向去考量设计。
1.除法散列法（除留余数法）

• 除法散列法也叫做除留余数法，顾名思义：假设哈希表的大小为M，那么通过key除以M的余数作为映射位置的下标，也就是哈希函数为：h(key) = key % M
  
• 当使用除法散列法时，要尽量避免M为某些值，如2的幂，10的幂等。如果是2 ^ X ，那key % 2 ^ X本质相当于保留key的后X位，那么后X位相同的值，计算出的哈希值都是一样的，就辩论了。如：{63, 31}看起来没有关联的值，如果M是16，也就是2 ^ 4，那么计算出的哈希值都是15，因为63的⼆进制后8位是00111111，31的⼆进制后8位是00011111。如果是10 ^ X，就更显着了，保留的都是10进值的后X位，如：{112, 12312}，如果M是100，也就是10 ^ 2，那么计算出的哈希值都是12。
  
• 当使用除法散列法时，建议M取不太靠近2的整数次幂的一个质数。
  
• 需要说明的是，实践中也是八仙过海，各显神通，Java的HashMap采用除法散列法时就是2的整数次幂做哈希表的大小M，如许玩的话，就不消取模，而可以直接位运算，相对而言位运算比取模更高效一些。但是他不是单纯的去取模，比如M是2^16次方，本质是取后16位，那么用key' = key >> 16，然后把key和key’ 异或的结果作为哈希值。也就是说我们映射出的值还是在[0, M)范围内，但是尽量让key所有的位都参与计算，如许映射出的哈希值更均匀一些即可。
  

2.乘法散列法（了解）

• 乘法散列法对哈希表大小M没有要求，它的大思绪第一步：用关键字k乘上常数A（0<A<1），并抽取出kA的小数部分。第二步：再用M乘以kA的小数部分，再向下取整。
  
• h(key) = floor(M × ((A × key)%1.0))，其中floor表示对表达式举行下取整，A∈(0,1)，这里最重要的是A的值应该怎样设定，Knuth认为A = ( 5 − 1)/2 = 0.6180339887… （黄金分割点）比较好。
  
• 乘法散列法对哈希表大小M是没有要求的，假设M为1024，key为1234，A = 0.6180339887，A × key = 762.6539420558，取小数部分为0.6539420558，M × ((A × key)%1.0) = 0.6539420558 × 1024 = 669.6366651392，那么h(1234) = 669。
  

3.全域散列法（了解）

• 如果存在一个恶意的对手，他针对我们提供的散列函数，特意构造出一个发生严峻辩论的数据集，比如，让所有关键字全部落入同一个位置中。这种情况是可以存在的，只要散列函数是公开且确定的，就可以实现此攻击。办理方法自然是见招拆招，给散列函数增加随机性，攻击者就无法找出确定可以导致最坏情况的数据。这种方法叫做全域散列。
  
• hab (key) = ((a × key + b)%P )%M，P需要选一个足够大的质数，a可以随机选[1, P-1]之间的任意整数，b可以随机选[0, P-1]之间的任意整数，这些函数构成了一个P*(P-1)组全域散列函数组。假设P=17，M=6，a=3，b=4，则h34 (8) = ((3 × 8 + 4)%17)%6 = 5。
  
• 需要注意的是每次初始化哈希表时，随机选取全域散列函数组中的一个散列函数使用，后续增删查改都固定使用这个散列函数，否则每次哈希都是随机选一个散列函数，那么插入是一个散列函数，查找又是另一个散列函数，就会导致找不到插入的key。
  

4.其他方法（了解）

• 上面的几种方法是《算法导论》书籍中讲解的方法。
  
• 《殷人昆 数据布局：用面向对象方法与C++语言描述（第二版）》和《[数据布局(C语言版)].严蔚敏_吴伟民》等教材型书籍上面还给出了平方取中法、折叠法、随机数法、数学分析法等，这些方法相对更适用于一些范围的特定场景，有爱好可以去看看这些书籍。
  

7.哈希辩论的办理方法

1.开放定址法

在开放定址法中所有的元素都放到哈希表里，当一个关键字key用哈希函数计算出的位置辩论了，则按照某种规则找到一个没有存储数据的位置举行存储。开放定址法中负载因子一定是小于1的。这里的规则有三种：线性探测、⼆次探测、双重探测。
1.线性探测

• 从发生辩论的位置开始，依次线性向后探测，直到寻找到下一个没有存储数据的位置为止，如果走到哈希表尾，则回绕到哈希表头的位置。
  
• h(key) = hash0 = key % M，hash0位置辩论了，则线性探测公式为：hc(key, i) = hashi = (hash0 + i) % M， i = {1, 2, 3, ..., M − 1} ，因为负载因子小于1，则最多探测M-1次，一定能找到一个存储key的位置。
  
• 线性探测的比较简单且容易实现，线性探测的题目假设，hash0位置一连辩论，hash0，hash1，
  hash2位置已经存储数据了，后续映射到hash0，hash1，hash2，hash3的值都会争夺hash3位
  置，这种征象叫做聚集/堆积。下面的⼆次探测可以一定程度改善这个题目。
  
• 下面演示 {19,30,5,36,13,20,21,12} 等这一组值映射到M=11的表中。
  

2.二次探测

• 从发生辩论的位置开始，依次左右按二次方跳跃式探测，直到寻找到下一个没有存储数据的位置为止，如果往右走到哈希表尾，则回绕到哈希表头的位置；如果往左走到哈希表头，则回绕到哈希表尾的位置。
  
• h(key) = hash0 = key % M， hash0位置辩论了，则⼆次探测公式为：
  hc(key，i) = hashi = (hash0 ± i^2) % M， i = {1，2，3， ...，M / 2}
  
• 二次探测当：hashi = (hash0 − i^2) % M，当hashi < 0时，需要hashi += M
  
• 下面演示 {19,30,52,63,11,22} 等这一组值映射到M=11的表中。
  

3.双重散列（了解）

• 第一个哈希函数计算出的值发生辩论，使用第二个哈希函数计算出一个跟key相关的偏移量值，不停以后探测，直到寻找到下一个没有存储数据的位置为止。
  
• h1(key) = hash0 = key % M，hash0位置辩论了，则双重探测公式为：
  hc(key，i) = hashi = (hash0 + i ∗ h2 (key)) % M， i = {1，2，3，…，M}
  
• 要求h2 (key) < M 且 h2 (key) 和M互为质数，有两种简单的取值方法：1、当M为2整数幂时，h2(key) 从[0，M-1]任选一个奇数。2、当M为质数时，h2 (key) = key % (M − 1) + 1。
  
• 保证h2(key)与M互质是因为根据固定的偏移量所寻址的所有位置将形成一个群，若最大公约数 p = gcd(M，h1(key)) > 1，那么所能寻址的位置的个数为 M/P < M，使得对于一个关键字来说无法充实使用整个散列表。举例来说，若初始探查位置为1，偏移量为3，整个散列表的大小为12，那么所能寻址的位置为{1，4，7，10}，寻址个数为12/gcd(12，3) = 4。
  
• 下面演示 {19,30,52,74} 等这一组值映射到M=11的表中，设h2 (key) = key%10 + 1。
  

2.开放定址法代码实现

开放定址法在实践中，不如下面讲的链地址法，因为开放定址法办理辩论不管使用哪种方法，占用法的都是哈希表中的空间，始终存在互相影响的题目。以是开放定址法，我们简单选择线性探测实现即
可。
1.开放定址法的哈希表布局

• 要注意的是这里需要给每个存储值的位置加一个状态标识，否则删除一些值以后，会影响后面辩论的值的查找。
  
• 如下图，我们删除30，会导致查找20失败，当我们给每个位置加一个状态标识{EXIST, EMPTY, DELETE}，删除30就可以不消删除值，而是把状态改为DELETE，那么查找20时是遇到EMPTY为止。
  

1. enum State
2. {
3.         EXIST,
4.         EMPTY,
5.         DELETE
6. };
8. template<class K, class V>
9. struct HashData
10. {
11.         pair<K, V> _kv; //键值对
12.         State _state = EMPTY; //数据的状态
13. };
15. namespace open_address
16. {
17.         template<class K, class V>
18.         class HashTable
19.         {
20.         public:
21.                 HashTable()
22.                         //:_tables(11) //初始化vector低层数据个数为11：默认值K()和V()
23.                         :_tables(__stl_next_prime(0))
24.                         ,_n(0) //记录真实的数据个数
25.                 {}
26.        
27.         private:
28.                 vector<HashData<K, V>> _tables;
29.                 size_t _n = 0; //表中存储真实数据的个数
30.         };
31. }

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2.扩容

这里我们哈希表负载因子控制在0.7，当负载因子到0.7以后我们就需要扩容了，我们还是按照2倍扩容，但是同时我们要保持哈希表大小是一个质数，第一个是质数，2倍后就不是质数了。那么怎样办理了，一种方案就是上面除法散列中我们讲的Java HashMap的使用2的整数幂，但是计算时不能直接取模的改进方法。别的一种方案是sgi版本的哈希表使用的方法，给了一个近似2倍的质数表，每次去质数表获取扩容后的大小。

1. inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
2. {
3.         // Note: assumes long is at least 32 bits.
4.         static const int __stl_num_primes = 28;
5.         static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] =
6.         {
7.                 53,                        97,                        193,                389,                769,
8.                 1543,                3079,                6151,                12289,                24593,
9.                 49157,                98317,                196613,                393241,                786433,
10.                 1572869,        3145739,        6291469,        12582917,        25165843,
11.                 50331653,        100663319,        201326611,        402653189,        805306457,
12.                 1610612741, 3221225473,        4294967291
13.         };
15.         const unsigned long* first = __stl_prime_list;
16.         const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;
17.         const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
18.         //lower_bound：大于等于
19.         //upper_bound：大于
21.         return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
22. }

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3.key不能取模的题目

当key是string/Date等类型时，key不能取模，那么我们需要给HashTable增加一个仿函数，这个仿函数支持把key转换成一个可以取模的整形，如果key可以转换为整形而且不容易辩论，那么这个仿函数就用默认参数即可，如果这个Key不能转换为整形，我们就需要自己实现一个仿函数传给这个参数，实现这个仿函数的要求就是尽量key的每值都参与到计算中，让差异的key转换出的整形值差异。string做哈希表的key非常常见，以是我们可以思量把string特化⼀下。

1. //适用于：整型、浮点型
2. template<class K>
3. struct HashFunc
4. {
5.         size_t operator()(const K& key)
6.         {
7.                 return (size_t)key;
8.         }
9. };
11. //适用于：字符串
12. struct StringHashFunc
13. {
14.         size_t operator()(const string& s)
15.         {
16.                 size_t hash = 0;
17.                 for (auto& ch : s)
18.                 {
19.                         hash += ch;
20.                 }
21.                 return hash;
22.         }
23. };
25. //string较为常用，可以进行特化
26. template<>
27. struct HashFunc<string>
28. {
29.         //字符串转换成整形，可以把字符ASCII码相加即可
30.         //但是直接相加的话，类似"abcd"和"bcad"这样的字符串计算出是相同的
31.         //这里我们使用BKDR哈希的思路，用上次的计算结果去乘一个质数，这个质数一般取31, 131等效果会比较好
32.         size_t operator()(const string& s)
33.         {
34.                 size_t hash = 0;
35.                 for (auto& ch : s)
36.                 {
37.                         hash += ch;
38.                         hash *= 131;
39.                 }
40.                 return hash;
41.         }
42. };
44. struct Date
45. {
46.         int _year;
47.         int _month;
48.         int _day;
50.         Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
51.                 :_year(year)
52.                 , _month(month)
53.                 , _day(day)
54.         {}
56.         //注意：哈希表需要支持等于的比较
57.         bool operator==(const Date& d)
58.         {
59.                 return _year == d._year
60.                         && _month == d._month
61.                         && _day == d._day;
62.         }
63. };
65. struct DateHashFunc
66. {
67.         size_t operator()(const Date& d)
68.         {
69.                 size_t hash = 0;
71.                 hash += d._year;
72.                 hash *= 131;
73.                 hash += d._month;
74.                 hash *= 131;
75.                 hash += d._day;
76.                 hash *= 131;
78.                 return hash;
79.         }
80. };
82. namespace open_address
83. {
84.         //Hash：仿函数，若K不是整形，将其转化为一个整形
85.         template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
86.         class HashTable
87.         {
88.         private:
89.                 vector<HashData<K, V>> _tables;
90.                 size_t _n = 0;
91.         };
92. }

复制代码

4.代码实现

1. //HashTable.h
2. #pragma once
4. #include<vector>
6. enum State
7. {
8.         EXIST,
9.         EMPTY,
10.         DELETE
11. };
13. template<class K, class V>
14. struct HashData
15. {
16.         pair<K, V> _kv; //键值对
17.         State _state = EMPTY; //数据的状态
18. };
20. template<class K>
21. struct HashFunc
22. {
23.         size_t operator()(const K& key)
24.         {
25.                 return (size_t)key;
26.         }
27. };
29. //string较为常用，可以进行特化
30. template<>
31. struct HashFunc<string>
32. {
33.         //字符串转换成整形，可以把字符ASCII码相加即可
34.         //但是直接相加的话，类似"abcd"和"bcad"这样的字符串计算出是相同的
35.         //这里我们使用BKDR哈希的思路，用上次的计算结果去乘一个质数，这个质数一般取31, 131等效果会比较好
36.         size_t operator()(const string& s)
37.         {
38.                 size_t hash = 0;
39.                 for (auto& ch : s)
40.                 {
41.                         hash += ch;
42.                         hash *= 131;
43.                 }
44.                 return hash;
45.         }
46. };
48. struct StringHashFunc
49. {
50.         size_t operator()(const string& s)
51.         {
52.                 size_t hash = 0;
53.                 for (auto& ch : s)
54.                 {
55.                         hash += ch;
56.                 }
57.                 return hash;
58.         }
59. };
61. struct Date
62. {
63.         int _year;
64.         int _month;
65.         int _day;
67.         Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
68.                 :_year(year)
69.                 , _month(month)
70.                 , _day(day)
71.         {}
73.         //哈希表需要支持等于的比较
74.         bool operator==(const Date& d)
75.         {
76.                 return _year == d._year
77.                         && _month == d._month
78.                         && _day == d._day;
79.         }
80. };
82. struct DateHashFunc
83. {
84.         size_t operator()(const Date& d)
85.         {
86.                 size_t hash = 0;
88.                 hash += d._year;
89.                 hash *= 131;
90.                 hash += d._month;
91.                 hash *= 131;
92.                 hash += d._day;
93.                 hash *= 131;
95.                 return hash;
96.         }
97. };
99. namespace open_address
100. {
101.         //Hash：仿函数，若K不是整形，将其转化为一个整形
102.         template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
103.         class HashTable
104.         {
105.         public:
106.                 HashTable()
107.                         //:_tables(11) //初始化vector低层数据个数为11：默认值K()和V()
108.                         //:_tables(pow(2, _m))
109.                         :_tables(__stl_next_prime(0))
110.                         , _n(0) //记录真实的数据个数
111.                 {}
113.                 inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
114.                 {
115.                         // Note: assumes long is at least 32 bits.
116.                         static const int __stl_num_primes = 28;
117.                         static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] =
118.                         {
119.                                 53,                        97,                        193,                389,                769,
120.                                 1543,                3079,                6151,                12289,                24593,
121.                                 49157,                98317,                196613,                393241,                786433,
122.                                 1572869,        3145739,        6291469,        12582917,        25165843,
123.                                 50331653,        100663319,        201326611,        402653189,        805306457,
124.                                 1610612741, 3221225473,        4294967291
125.                         };
127.                         const unsigned long* first = __stl_prime_list;
128.                         const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;
129.                         const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
130.                         //lower_bound：大于等于
131.                         //upper_bound：大于
133.                         return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
134.                 }
136.                 HashData<K, V>* Find(const K& key)
137.                 {
138.                         Hash hash;
139.                         size_t hash0 = hash(key) % _tables.size();
140.                         //size_t hash0 = HashFunc(key);
142.                         size_t hashi = hash0;
143.                         size_t i = 1;
144.                         while (_tables[hashi]._state != EMPTY)
145.                         {
146.                                 if (_tables[hashi]._state == EXIST && _tables[hashi]._kv.first == key)
147.                                 {
148.                                         return &_tables[hashi];
149.                                 }
151.                                 //线性探测
152.                                 hashi = (hash0 + i) % _tables.size();
153.                                 ++i;
154.                         }
156.                         return nullptr;
157.                 }
159.                 bool Erase(const K& key)
160.                 {
161.                         HashData<K, V>* ret = Find(key);
162.                         if (ret)
163.                         {
164.                                 ret->_state = DELETE;
165.                                 --_n;
166.                                 return true;
167.                         }
168.                         else
169.                         {
170.                                 return false;
171.                         }
172.                 }
174.                 返回k映射后的下标：java中的hashmap
175.                 //size_t hashfunc(const k& key)
176.                 //{
177.                 //        //size_t hash = key % _tables.size();
178.                 //       
179.                 //        //size_t hash = key & (_tables.size() - 1); //取key的后_m位
180.                 //        size_t hash = key & (pow(2, _m) - 1);       //取key的后_m位
181.                 //        hash = hash ^ (key >> (32 - _m));           //异或前32-_m位
182.                 //        return hash;
183.                 //}
185.                 bool Insert(const pair<K, V>& kv)
186.                 {
187.                         //若存在，插入失败
188.                         if (Find(kv.first))
189.                                 return false;
191.                         //负载因子 >= 0.7时：扩容
192.                         if (_n * 10 / _tables.size() >= 7)
193.                         {
194.                                 //方法一
195.                                 //vector<HashData<K, V>> _newtables(__stl_next_prime(_tables.size() + 1));
196.                                 //for (auto& data : _tables)
197.                                 //{
198.                                 //        //旧表的数据映射到新表中
199.                                 //        if (data._state == EXIST)
200.                                 //        {
201.                                 //                size_t hash0 = data._kv.first % _newtables.size();
202.                                 //                size_t hashi = hash0;
203.                                 //                size_t i = 1;
204.                                 //                while (_newtables[hashi]._state == EXIST)
205.                                 //                {
206.                                 //                        hashi = (hash0 + i) % _newtables.size();
207.                                 //                        ++i;
208.                                 //                }
209.                                 //                _newtables[hashi]._kv = data._kv;
210.                                 //                _newtables[hashi]._state = EXIST;
211.                                 //                ++_n;
212.                                 //        }
213.                                 //}
214.                                 //_tables.swap(_newtables);
216.                                 //方法二
217.                                 HashTable<K, V, Hash> newht;
219.                                 //_m++;
220.                                 //newht._tables.resize(pow(2, _m));
221.                                 //newht._tables.resize(_tables.size() * 2);
222.                                 newht._tables.resize(__stl_next_prime(_tables.size() + 1));
224.                                 for (auto& data : _tables)
225.                                 {
226.                                         //旧表的数据映射到新表中
227.                                         if (data._state == EXIST)
228.                                         {
229.                                                 newht.Insert(data._kv);
230.                                         }
231.                                 }
232.                                 _tables.swap(newht._tables); //交换的效率比赋值高
233.                         }
235.                         //size_t hash0 = HashFunc(kv.first);
236.                         //size_t hash0 = kv.first % _tables.size();
237.                         Hash hash;
238.                         size_t hash0 = hash(kv.first) % _tables.size(); //注意是size()，而不是capacity()
240.                         size_t hashi = hash0;
241.                         size_t i = 1;
242.                         //int flag = 1;
243.                         while (_tables[hashi]._state == EXIST) //该位置存在数据时：开始线性探测
244.                         {
245.                                 //线性探测
246.                                 hashi = (hash0 + i) % _tables.size();
247.                                 i++;
249.                                 //二次探测
250.                                 //hashi = (hash0 + (i*i*flag)) % _tables.size();
251.                                 //if(hashi < 0)
252.                                 //        hashi += _tables.size();
253.                                 //flag = -1;
254.                                 //if(flag == 1)
255.                                 //{
256.                                 //        flag = -1;
257.                                 //}
258.                                 //else
259.                                 //{
260.                                 //        ++i;
261.                                 //        flag = 1;
262.                                 //}
263.                         }
265.                         //此时该位置EMPTY/DELETE：插入数据
266.                         _tables[hashi]._kv = kv;
267.                         _tables[hashi]._state = EXIST;
268.                         ++_n;
270.                         return true;
271.                 }
273.         private:
274.                 vector<HashData<K, V>> _tables;
275.                 size_t _n = 0; //表中存储真实数据的个数
276.                 //size_t _m = 16;
277.         };
278. }

复制代码

1. //Test.cpp
2. #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
4. #include<iostream>
5. using namespace std;
7. #include"HashTable.h"
9. int main()
10. {
11.         int a1[] = { 19,30,5,36,13,20,21,12 };
12.         HashTable<int, int> ht1;
13.         for (auto& e : a1)
14.         {
15.                 ht1.Insert({ e,e });
16.         }
17.         ht1.Insert({ 15,15 });
19.         ht1.Erase(30);
20.         if (ht1.Find(20))
21.                 cout << "找到了" << endl;
23.         if (ht1.Find(30))
24.                 cout << "找到了" << endl;
25.         else
26.                 cout << "没有找到" << endl;
29.         const char* a2[] = { "abcd","sort","insert" };
30.         HashTable<string, string, StringHashFunc> ht2;
31.         for (auto& e : a2)
32.         {
33.                 ht2.Insert({ e,e });
34.         }
36.         cout << HashFunc<string>()("abcd") << endl;
37.         cout << HashFunc<string>()("bcad") << endl;
38.         cout << HashFunc<string>()("aadd") << endl;
41.         HashTable<Date, int, DateHashFunc> ht3;
42.         ht3.Insert({ {2024,12,30}, 1 });
43.         ht3.Insert({ {2024,12,31}, 1 });
44.         ht3.Insert({ {2031,12,1}, 24 });
46.         return 0;
47. }

复制代码

3.链地址法代码实现

办理辩论的思绪：开放定址法中所有的元素都放到哈希表里，链地址法中所有的数据不再直接存储在哈希表中，哈希表中存储一个指针，没有数据映射这个位置时，这个指针为空，有多个数据映射到这个位置时，我们把这些辩论的数据链接成一个链表，挂在哈希表这个位置下面，链地址法也叫做拉链法或者哈希桶。
下面演示 {19,30,5,36,13,20,21,12,24,96} 等这一组值映射到M=11的表中。

h(19) = 8，h(30) = 8，h(5) = 5，h(36) = 3，h(13) = 2，h(20) = 9，h(21) = 10，h(12) = 1，h(24) = 2，h(96) = 88

扩容：开放定址法负载因子必须小于1，链地址法的负载因子就没有限制了，可以大于1。负载因字越大，哈希辩论的概率越高，空间使用率越高；负载因子越小，哈希辩论的概率越低，空间使用率越低。stl中unordered_set/unordered_map的最大负载因子根本控制在1，大于1就扩容，我们下面实现也使用这个方式。
极度场景：如果极度场景下，某个桶特别长怎么办？实在我们可以思量使用全域散列法，如许就不容易被针对了。但是假设不是被针对了，用了全域散列法，但是偶然情况下，某个桶很长，查找效率很低怎么办？这里在Java8的HashMap中当桶的长度超过一定阀值(8)时就把链表转换成红黑树。一样平常情况下，不停扩容，单个桶很长的场景还是比较少的，下面我们实现就不搞这么复杂了，这个办理极度场景的思绪，了解即可。

1. //HashTable.h
2. namespace hash_bucket
3. {
4.         template<class K, class V>
5.         struct HashNode
6.         {
7.                 pair<K, V> _kv;
8.                 HashNode<K, V>* _next;
10.                 HashNode(const pair<K, V>& kv)
11.                         :_kv(kv)
12.                         , _next(nullptr)
13.                 {}
14.         };
16.         template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
17.         class HashTable
18.         {
19.                 typedef HashNode<K, V> Node;
21.         public:
22.                 HashTable()
23.                         :_tables(__stl_next_prime(0))
24.                         , _n(0)
25.                 {}
27.                 ~HashTable()
28.                 {
29.                         for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
30.                         {
31.                                 Node* cur = _tables[i];
32.                                 while (cur)
33.                                 {
34.                                         Node* next = cur->_next;
35.                                         delete cur;
36.                                         cur = next;
37.                                 }
38.                                 _tables[i] = nullptr;
39.                         }
40.                 }
42.                 inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n)
43.                 {
44.                         // Note: assumes long is at least 32 bits.
45.                         static const int __stl_num_primes = 28;
46.                         static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] =
47.                         {
48.                                 53,                        97,                        193,                389,                769,
49.                                 1543,                3079,                6151,                12289,                24593,
50.                                 49157,                98317,                196613,                393241,                786433,
51.                                 1572869,        3145739,        6291469,        12582917,        25165843,
52.                                 50331653,        100663319,        201326611,        402653189,        805306457,
53.                                 1610612741, 3221225473,        4294967291
54.                         };
56.                         const unsigned long* first = __stl_prime_list;
57.                         const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;
58.                         const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
59.                         //lower_bound：大于等于
60.                         //upper_bound：大于
62.                         return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
63.                 }
65.                 Node* Find(const K& key)
66.                 {
67.                         Hash hash;
68.                         size_t hashi = hash(key) % _tables.size();
69.                         Node* cur = _tables[hashi];
70.                         while (cur)
71.                         {
72.                                 if (cur->_kv.first == key)
73.                                 {
74.                                         return cur;
75.                                 }
76.                                 cur = cur->_next;
77.                         }
78.                         return nullptr;
79.                 }
81.                 bool Erase(const K& key)
82.                 {
83.                         size_t hashi = key % _tables.size();
84.                         Node* prev = nullptr;
85.                         Node* cur = _tables[hashi];
86.                         while (cur)
87.                         {
88.                                 if (cur->_kv.first == key)
89.                                 {
90.                                         if (prev == nullptr)
91.                                         {
92.                                                 //删除头节点
93.                                                 _tables[hashi] = cur->_next;
94.                                         }
95.                                         else
96.                                         {
97.                                                 //删除中间节点
98.                                                 prev->_next = cur->_next;
99.                                         }
100.                                         delete cur;
101.                                         --_n;
103.                                         return true;
104.                                 }
105.                                 else
106.                                 {
107.                                         prev = cur;
108.                                         cur = cur->_next;
109.                                 }
110.                         }
111.                         return false;
112.                 }
114.                 bool Insert(const pair<K, V>& kv)
115.                 {
116.                         //若存在，插入失败
117.                         if (Find(kv.first))
118.                                 return false;
120.                         Hash hash;
122.                         //负载因子==1时：扩容
123.                         if (_n == _tables.size())
124.                         {
125.                                 //方法一：扩容时创建新的结点
126.                                 //HashTable<K, V, Hash> newht;
127.                                 //newht._tables.resize(__stl_next_prime(_tables.size() + 1));
128.                                 旧表的数据插入到新表中
129.                                 //for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
130.                                 //{
131.                                 //        Node* cur = _tables[i];
132.                                 //        while (cur)
133.                                 //        {
134.                                 //                newht.Insert(cur->_kv);
135.                                 //                cur = cur->_next;
136.                                 //        }
137.                                 //}
138.                                 //_tables.swap(newht._tables);
139.                                
140.                                 //方法二：直接移动旧表的结点到新表，效率更好
141.                                 vector<Node*> newTable(__stl_next_prime(_tables.size() + 1));
142.                                 for (size_t i = 0; i < _tables.size(); i++)
143.                                 {
144.                                         Node* cur = _tables[i];
145.                                         while (cur)
146.                                         {
147.                                                 Node* next = cur->_next;
148.                                                 //头插到新表中
149.                                                 size_t hashi = hash(cur->_kv.first) % newTable.size();
150.                                                 cur->_next = newTable[hashi];
151.                                                 newTable[hashi] = cur;
153.                                                 cur = next;
154.                                         }
155.                                         _tables[i] = nullptr;
156.                                 }
157.                                 _tables.swap(newTable);
158.                         }
159.                        
160.                         size_t hashi = hash(kv.first) % _tables.size();
162.                         //头插
163.                         Node* newnode = new Node(kv);
164.                         newnode->_next = _tables[hashi];
165.                         _tables[hashi] = newnode;
166.                         ++_n;
168.                         return true;
169.                 }
171.         private:
172.                 vector<Node*> _tables; //指针数组
173.                 size_t _n;             //表中存储数据个数
175.                 //struct Date
176.                 //{
177.                 //        list<pair<K, V>> _list;
178.                 //        map<K, V> _map;
179.                 //        size_t _len; // <=8存链表，>8存红黑树
180.                 //};
181.                 //vector<Date> _tables;
182.                 //size_t _n;
183.         };
184. }

复制代码

1. //Test.cpp
2. int main()
3. {
4.         int a1[] = { 19,30,5,36,13,20,21,12,24,96 };
5.         hash_bucket::HashTable<int, int> ht1;
6.         for (auto e : a1)
7.         {
8.                 ht1.Insert({ e,e });
9.         }
10.         ht1.Insert({ 100,100 });
11.         ht1.Insert({ 101,101 });
13.         cout << ht1.Find(96) << endl;
14.         cout << ht1.Find(30) << endl;
15.         cout << ht1.Find(19) << endl;
17.         cout << ht1.Erase(96) << endl;
18.         cout << ht1.Erase(30) << endl;
19.         cout << ht1.Erase(19) << endl;
21.         cout << ht1.Find(96) << endl;
22.         cout << ht1.Find(30) << endl;
23.         cout << ht1.Find(19) << endl;
26.         const char* a2[] = { "abcd","sort","insert" };
27.         hash_bucket::HashTable<string, string> ht2;
28.         for (auto& e : a2)
29.         {
30.                 ht2.Insert({ e,e });
31.         }
33.         return 0;
34. }

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