mirror of
https://github.com/krahets/hello-algo.git
synced 2024-12-26 12:16:27 +08:00
510 lines
13 KiB
Markdown
Executable file
510 lines
13 KiB
Markdown
Executable file
---
|
||
comments: true
|
||
---
|
||
|
||
# 6.1. 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 $O(1)$ 。
|
||
|
||
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。
|
||
|
||
|
||
|
||
<p align="center"> Fig. 哈希表抽象表示 </p>
|
||
|
||
## 6.1.1. 哈希表效率
|
||
|
||
除了哈希表之外，还可以使用以下数据结构来实现上述查询功能：
|
||
|
||
1. **无序数组**：每个元素为 `[学号, 姓名]` ；
|
||
2. **有序数组**：将 `1.` 中的数组按照学号从小到大排序；
|
||
3. **链表**：每个结点的值为 `[学号, 姓名]` ；
|
||
4. **二叉搜索树**：每个结点的值为 `[学号, 姓名]` ，根据学号大小来构建树；
|
||
|
||
使用上述方法，各项操作的时间复杂度如下表所示（在此不做赘述，详解可见 [二叉搜索树章节](https://www.hello-algo.com/chapter_tree/binary_search_tree/#_6)）。无论是查找元素、还是增删元素，哈希表的时间复杂度都是 $O(1)$ ，全面胜出！
|
||
|
||
<div class="center-table" markdown>
|
||
|
||
| | 无序数组 | 有序数组 | 链表 | 二叉搜索树 | 哈希表 |
|
||
| -------- | -------- | ----------- | ------ | ----------- | ------ |
|
||
| 查找元素 | $O(n)$ | $O(\log n)$ | $O(n)$ | $O(\log n)$ | $O(1)$ |
|
||
| 插入元素 | $O(1)$ | $O(n)$ | $O(1)$ | $O(\log n)$ | $O(1)$ |
|
||
| 删除元素 | $O(n)$ | $O(n)$ | $O(n)$ | $O(\log n)$ | $O(1)$ |
|
||
|
||
</div>
|
||
|
||
## 6.1.2. 哈希表常用操作
|
||
|
||
哈希表的基本操作包括 **初始化、查询操作、添加与删除键值对**。
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="hash_map.java"
|
||
/* 初始化哈希表 */
|
||
Map<Integer, String> map = new HashMap<>();
|
||
|
||
/* 添加操作 */
|
||
// 在哈希表中添加键值对 (key, value)
|
||
map.put(12836, "小哈");
|
||
map.put(15937, "小啰");
|
||
map.put(16750, "小算");
|
||
map.put(13276, "小法");
|
||
map.put(10583, "小鸭");
|
||
|
||
/* 查询操作 */
|
||
// 向哈希表输入键 key ，得到值 value
|
||
String name = map.get(15937);
|
||
|
||
/* 删除操作 */
|
||
// 在哈希表中删除键值对 (key, value)
|
||
map.remove(10583);
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="hash_map.cpp"
|
||
/* 初始化哈希表 */
|
||
unordered_map<int, string> map;
|
||
|
||
/* 添加操作 */
|
||
// 在哈希表中添加键值对 (key, value)
|
||
map[12836] = "小哈";
|
||
map[15937] = "小啰";
|
||
map[16750] = "小算";
|
||
map[13276] = "小法";
|
||
map[10583] = "小鸭";
|
||
|
||
/* 查询操作 */
|
||
// 向哈希表输入键 key ，得到值 value
|
||
string name = map[15937];
|
||
|
||
/* 删除操作 */
|
||
// 在哈希表中删除键值对 (key, value)
|
||
map.erase(10583);
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="hash_map.py"
|
||
""" 初始化哈希表 """
|
||
mapp = {}
|
||
|
||
""" 添加操作 """
|
||
# 在哈希表中添加键值对 (key, value)
|
||
mapp[12836] = "小哈"
|
||
mapp[15937] = "小啰"
|
||
mapp[16750] = "小算"
|
||
mapp[13276] = "小法"
|
||
mapp[10583] = "小鸭"
|
||
|
||
""" 查询操作 """
|
||
# 向哈希表输入键 key ，得到值 value
|
||
name = mapp[15937]
|
||
|
||
""" 删除操作 """
|
||
# 在哈希表中删除键值对 (key, value)
|
||
mapp.pop(10583)
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="hash_map.go"
|
||
/* 初始化哈希表 */
|
||
mapp := make(map[int]string)
|
||
|
||
/* 添加操作 */
|
||
// 在哈希表中添加键值对 (key, value)
|
||
mapp[12836] = "小哈"
|
||
mapp[15937] = "小啰"
|
||
mapp[16750] = "小算"
|
||
mapp[13276] = "小法"
|
||
mapp[10583] = "小鸭"
|
||
|
||
/* 查询操作 */
|
||
// 向哈希表输入键 key ，得到值 value
|
||
name := mapp[15937]
|
||
|
||
/* 删除操作 */
|
||
// 在哈希表中删除键值对 (key, value)
|
||
delete(mapp, 10583)
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```javascript title="hash_map.js"
|
||
/* 初始化哈希表 */
|
||
const map = new ArrayHashMap();
|
||
/* 添加操作 */
|
||
// 在哈希表中添加键值对 (key, value)
|
||
map.set(12836, '小哈');
|
||
map.set(15937, '小啰');
|
||
map.set(16750, '小算');
|
||
map.set(13276, '小法');
|
||
map.set(10583, '小鸭');
|
||
|
||
/* 查询操作 */
|
||
// 向哈希表输入键 key ，得到值 value
|
||
let name = map.get(15937);
|
||
|
||
/* 删除操作 */
|
||
// 在哈希表中删除键值对 (key, value)
|
||
map.delete(10583);
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="hash_map.ts"
|
||
/* 初始化哈希表 */
|
||
const map = new Map<number, string>();
|
||
/* 添加操作 */
|
||
// 在哈希表中添加键值对 (key, value)
|
||
map.set(12836, '小哈');
|
||
map.set(15937, '小啰');
|
||
map.set(16750, '小算');
|
||
map.set(13276, '小法');
|
||
map.set(10583, '小鸭');
|
||
console.info('\n添加完成后，哈希表为\nKey -> Value');
|
||
console.info(map);
|
||
|
||
/* 查询操作 */
|
||
// 向哈希表输入键 key ，得到值 value
|
||
let name = map.get(15937);
|
||
console.info('\n输入学号 15937 ，查询到姓名 ' + name);
|
||
|
||
/* 删除操作 */
|
||
// 在哈希表中删除键值对 (key, value)
|
||
map.delete(10583);
|
||
console.info('\n删除 10583 后，哈希表为\nKey -> Value');
|
||
console.info(map);
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="hash_map.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="hash_map.cs"
|
||
/* 初始化哈希表 */
|
||
Dictionary<int, String> map = new ();
|
||
|
||
/* 添加操作 */
|
||
// 在哈希表中添加键值对 (key, value)
|
||
map.Add(12836, "小哈");
|
||
map.Add(15937, "小啰");
|
||
map.Add(16750, "小算");
|
||
map.Add(13276, "小法");
|
||
map.Add(10583, "小鸭");
|
||
|
||
/* 查询操作 */
|
||
// 向哈希表输入键 key ，得到值 value
|
||
String name = map[15937];
|
||
|
||
/* 删除操作 */
|
||
// 在哈希表中删除键值对 (key, value)
|
||
map.Remove(10583);
|
||
```
|
||
|
||
=== "Swift"
|
||
|
||
```swift title="hash_map.swift"
|
||
/* 初始化哈希表 */
|
||
var map: [Int: String] = [:]
|
||
|
||
/* 添加操作 */
|
||
// 在哈希表中添加键值对 (key, value)
|
||
map[12836] = "小哈"
|
||
map[15937] = "小啰"
|
||
map[16750] = "小算"
|
||
map[13276] = "小法"
|
||
map[10583] = "小鸭"
|
||
|
||
/* 查询操作 */
|
||
// 向哈希表输入键 key ，得到值 value
|
||
let name = map[15937]!
|
||
|
||
/* 删除操作 */
|
||
// 在哈希表中删除键值对 (key, value)
|
||
map.removeValue(forKey: 10583)
|
||
```
|
||
|
||
=== "Zig"
|
||
|
||
```zig title="hash_map.zig"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
遍历哈希表有三种方式，即 **遍历键值对、遍历键、遍历值**。
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="hash_map.java"
|
||
/* 遍历哈希表 */
|
||
// 遍历键值对 key->value
|
||
for (Map.Entry <Integer, String> kv: map.entrySet()) {
|
||
System.out.println(kv.getKey() + " -> " + kv.getValue());
|
||
}
|
||
// 单独遍历键 key
|
||
for (int key: map.keySet()) {
|
||
System.out.println(key);
|
||
}
|
||
// 单独遍历值 value
|
||
for (String val: map.values()) {
|
||
System.out.println(val);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="hash_map.cpp"
|
||
/* 遍历哈希表 */
|
||
// 遍历键值对 key->value
|
||
for (auto kv: map) {
|
||
cout << kv.first << " -> " << kv.second << endl;
|
||
}
|
||
// 单独遍历键 key
|
||
for (auto key: map) {
|
||
cout << key.first << endl;
|
||
}
|
||
// 单独遍历值 value
|
||
for (auto val: map) {
|
||
cout << val.second << endl;
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="hash_map.py"
|
||
""" 遍历哈希表 """
|
||
# 遍历键值对 key->value
|
||
for key, value in mapp.items():
|
||
print(key, "->", value)
|
||
# 单独遍历键 key
|
||
for key in mapp.keys():
|
||
print(key)
|
||
# 单独遍历值 value
|
||
for value in mapp.values():
|
||
print(value)
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="hash_map_test.go"
|
||
/* 遍历哈希表 */
|
||
// 遍历键值对 key->value
|
||
for key, value := range mapp {
|
||
fmt.Println(key, "->", value)
|
||
}
|
||
// 单独遍历键 key
|
||
for key := range mapp {
|
||
fmt.Println(key)
|
||
}
|
||
// 单独遍历值 value
|
||
for _, value := range mapp {
|
||
fmt.Println(value)
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```javascript title="hash_map.js"
|
||
/* 遍历哈希表 */
|
||
// 遍历键值对 key->value
|
||
for (const entry of map.entries()) {
|
||
if (!entry) continue;
|
||
console.info(entry.key + ' -> ' + entry.val);
|
||
}
|
||
// 单独遍历键 key
|
||
for (const key of map.keys()) {
|
||
console.info(key);
|
||
}
|
||
// 单独遍历值 value
|
||
for (const val of map.values()) {
|
||
console.info(val);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="hash_map.ts"
|
||
/* 遍历哈希表 */
|
||
console.info('\n遍历键值对 Key->Value');
|
||
for (const [k, v] of map.entries()) {
|
||
console.info(k + ' -> ' + v);
|
||
}
|
||
console.info('\n单独遍历键 Key');
|
||
for (const k of map.keys()) {
|
||
console.info(k);
|
||
}
|
||
console.info('\n单独遍历值 Value');
|
||
for (const v of map.values()) {
|
||
console.info(v);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="hash_map.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="hash_map.cs"
|
||
/* 遍历哈希表 */
|
||
// 遍历键值对 Key->Value
|
||
foreach (var kv in map) {
|
||
Console.WriteLine(kv.Key + " -> " + kv.Value);
|
||
}
|
||
// 单独遍历键 key
|
||
foreach (int key in map.Keys) {
|
||
Console.WriteLine(key);
|
||
}
|
||
// 单独遍历值 value
|
||
foreach (String val in map.Values) {
|
||
Console.WriteLine(val);
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "Swift"
|
||
|
||
```swift title="hash_map.swift"
|
||
/* 遍历哈希表 */
|
||
// 遍历键值对 Key->Value
|
||
for (key, value) in map {
|
||
print("\(key) -> \(value)")
|
||
}
|
||
// 单独遍历键 Key
|
||
for key in map.keys {
|
||
print(key)
|
||
}
|
||
// 单独遍历值 Value
|
||
for value in map.values {
|
||
print(value)
|
||
}
|
||
```
|
||
|
||
=== "Zig"
|
||
|
||
```zig title="hash_map.zig"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
## 6.1.3. 哈希函数
|
||
|
||
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」。
|
||
|
||
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
|
||
|
||
$$
|
||
f(x) = x \% 100
|
||
$$
|
||
|
||
|
||
|
||
<p align="center"> Fig. 哈希函数 </p>
|
||
|
||
=== "Java"
|
||
|
||
```java title="array_hash_map.java"
|
||
[class]{Entry}-[func]{}
|
||
|
||
[class]{ArrayHashMap}-[func]{}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C++"
|
||
|
||
```cpp title="array_hash_map.cpp"
|
||
[class]{Entry}-[func]{}
|
||
|
||
[class]{ArrayHashMap}-[func]{}
|
||
```
|
||
|
||
=== "Python"
|
||
|
||
```python title="array_hash_map.py"
|
||
[class]{Entry}-[func]{}
|
||
|
||
[class]{ArrayHashMap}-[func]{}
|
||
```
|
||
|
||
=== "Go"
|
||
|
||
```go title="array_hash_map.go"
|
||
[class]{entry}-[func]{}
|
||
|
||
[class]{arrayHashMap}-[func]{}
|
||
```
|
||
|
||
=== "JavaScript"
|
||
|
||
```javascript title="array_hash_map.js"
|
||
[class]{Entry}-[func]{}
|
||
|
||
[class]{ArrayHashMap}-[func]{}
|
||
```
|
||
|
||
=== "TypeScript"
|
||
|
||
```typescript title="array_hash_map.ts"
|
||
[class]{Entry}-[func]{}
|
||
|
||
[class]{ArrayHashMap}-[func]{}
|
||
```
|
||
|
||
=== "C"
|
||
|
||
```c title="array_hash_map.c"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
=== "C#"
|
||
|
||
```csharp title="array_hash_map.cs"
|
||
[class]{Entry}-[func]{}
|
||
|
||
[class]{ArrayHashMap}-[func]{}
|
||
```
|
||
|
||
=== "Swift"
|
||
|
||
```swift title="array_hash_map.swift"
|
||
[class]{Entry}-[func]{}
|
||
|
||
[class]{ArrayHashMap}-[func]{}
|
||
```
|
||
|
||
=== "Zig"
|
||
|
||
```zig title="array_hash_map.zig"
|
||
|
||
```
|
||
|
||
## 6.1.4. 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
|
||
|
||
$$
|
||
f(12836) = f(20336) = 36
|
||
$$
|
||
|
||
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」。如何避免哈希冲突的问题将被留在下章讨论。
|
||
|
||
|
||
|
||
<p align="center"> Fig. 哈希冲突 </p>
|
||
|
||
综上所述，一个优秀的「哈希函数」应该具备以下特性：
|
||
|
||
- 尽量少地发生哈希冲突；
|
||
- 时间复杂度 $O(1)$ ，计算尽可能高效；
|
||
- 空间使用率高，即“键值对占用空间 / 哈希表总占用空间”尽可能大；
|