重温数据结构：哈希哈希函数哈希表

￡神魔★判官ぃ 2022-07-15 00:30 313阅读 0赞

### [点击查看 Java 集合框架深入理解 系列][Java _]， - ( ゜- ゜)つロ 乾杯~ ###

> 在学习 HashMap 前，我们先来温习下 Hash(哈希) 的概念。

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## 什么是 Hash ##

Hash（哈希），又称“散列”。

散列（hash）英文原意是“混杂”、“拼凑”、“重新表述”的意思。

在某种程度上，散列是与排序相反的一种操作，排序是将集合中的元素按照某种方式比如字典顺序排列在一起，而散列通过计算哈希值，打破元素之间原有的关系，使集合中的元素按照散列函数的分类进行排列。

在介绍一些集合时，我们总强调需要重写某个类的 equlas() 方法和 hashCode() 方法，确保唯一性。这里的 hashCode() 表示的是对当前对象的唯一标示。计算 hashCode 的过程就称作 哈希。

## 为什么要有 Hash ##

我们通常使用数组或者链表来存储元素，一旦存储的内容数量特别多，需要占用很大的空间，而且在**查找某个元素**是否存在的过程中，数组和链表都需要挨个循环比较，而通过 哈希 计算，可以大大**减少比较次数**。

![这里写图片描述][20161026174147384]

### 举个栗子： ###

现在有 4 个数 \{2,5,9,13\}，需要查找 13 是否存在。

#### 1.使用数组存储，需要新建个数组 new int\[\]\{2,5,9,13\}，然后需要写个循环遍历查找： ####

int[] numbers = new int[]{2,5,9,13};
        for (int i = 0; i < numbers.length; i++) {
            if (numbers[i] == 13){
                System.out.println("find it!");
                return;
            }
        }

这样需要遍历 4 次才能找到，时间复杂度为 O(n)。

#### 2.而假如存储时先使用哈希函数进行计算，这里我随便用个函数： ####

H[key] = key % 3;

四个数 \{2,5,9,13\} 对应的哈希值为：

H[2] = 2 % 3 = 2;
     H[5] = 5 % 3 = 2;
     H[9] = 9 % 3 = 0;
     H[13] = 13 % 3 = 1;

然后把它们存储到对应的位置。

当要查找 13 时，只要先使用哈希函数计算它的位置，然后去那个位置查看是否存在就好了，本例中只需查找一次，时间复杂度为 O(1)。

### 因此可以发现，哈希 其实是随机存储的一种优化，先进行分类，然后查找时按照这个对象的分类去找。 ###

### 哈希通过一次计算大幅度缩小查找范围，自然比从全部数据里查找速度要快。 ###

比如你和我一样是个剁手族买书狂，家里书一大堆，如果书存放时不分类直接摆到书架上（数组存储），找某本书时可能需要脑袋从左往右从上往下转好几圈才能发现；如果存放时按照类别分开放，技术书、小说、文学等等分开（按照某种哈希函数计算），找书时只要从它对应的分类里找，自然省事多了。

## 哈希函数 ##

哈希的过程中需要使用哈希函数进行计算。

哈希函数是一种映射关系，根据数据的关键词 key ，通过一定的函数关系，计算出该元素存储位置的函数。

表示为：

address = H \[key\]

### 几种常见的哈希函数（散列函数）构造方法 ###

*  直接定址法  
    
    
     *  取关键字或关键字的某个线性函数值为散列地址。
     *  即 H(key) = key 或 H(key) = a\*key + b，其中a和b为常数。
     *  比如![这里写图片描述][20161026171706654]
 *  除留余数法  
    
    
     *  取关键字被某个不大于散列表长度 m 的数 p 求余，得到的作为散列地址。
     *  即 H(key) = key % p, p < m。
     *  比如![这里写图片描述][20161026171807417]
 *  数字分析法  
    
    
     *  当关键字的位数大于地址的位数，对关键字的各位分布进行分析，选出分布均匀的任意几位作为散列地址。
     *  仅适用于所有关键字都已知的情况下，根据实际应用确定要选取的部分，尽量避免发生冲突。
     *  比如 ![这里写图片描述][20161026172017748]
 *  平方取中法  
    
    
     *  先计算出关键字值的平方，然后取平方值中间几位作为散列地址。
     *  随机分布的关键字，得到的散列地址也是随机分布的。
     *  比如 ![这里写图片描述][20161026171618181]
 *  折叠法（叠加法）  
    
    
     *  将关键字分为位数相同的几部分，然后取这几部分的叠加和（舍去进位）作为散列地址。
     *  用于关键字位数较多，并且关键字中每一位上数字分布大致均匀。
     *  比如 ![这里写图片描述][20161026173032699]
 *  随机数法  
    
    
     *  选择一个随机函数，把关键字的随机函数值作为它的哈希值。
     *  通常当关键字的长度不等时用这种方法。

构造哈希函数的方法很多，实际工作中要根据不同的情况选择合适的方法，总的原则是**尽可能少的产生冲突**。

通常考虑的因素有**关键字的长度**和**分布情况**、**哈希值的范围**等。

如：当关键字是整数类型时就可以用除留余数法；如果关键字是小数类型，选择随机数法会比较好。

## 哈希冲突的解决 ##

选用哈希函数计算哈希值时，可能不同的 key 会得到相同的结果，一个地址怎么存放多个数据呢？这就是冲突。

常用的主要有两种方法解决冲突：

**1.链接法（拉链法）**

拉链法解决冲突的做法是：  
**将所有关键字为同义词的结点链接在同一个单链表中。**

若选定的散列表长度为 m，则可将散列表定义为一个由 m 个头指针组成的指针数组 T\[0..m-1\] 。

凡是散列地址为 i 的结点，均插入到以 T\[i\] 为头指针的单链表中。  
T 中各分量的初值均应为空指针。

在拉链法中，装填因子 α 可以大于 1，但一般均取 α ≤ 1。

![这里写图片描述][20161026174615667]

**2.开放定址法**

用开放定址法解决冲突的做法是：

> 用开放定址法解决冲突的做法是：当冲突发生时，使用某种探测技术在散列表中形成一个探测序列。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）。查找时探测到开放的地址则表明表中无待查的关键字，即查找失败。

简单的说：当冲突发生时，**使用某种探查(亦称探测)技术在散列表中寻找下一个空的散列地址，只要散列表足够大，空的散列地址总能找到**。

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、二次探查法、双重散列法等。

**a.线性探查法**

hi=(h(key)+i) ％ m ，0 ≤ i ≤ m-1

基本思想是：  
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 **有空余地址** 或者到 T\[d-1\]为止。

**b.二次探查法**

hi=(h(key)+i\*i) ％ m，0 ≤ i ≤ m-1

基本思想是：  
探查时从地址 d 开始，首先探查 T\[d\]，然后依次探查 T\[d+1^2\]，T\[d+2^2\]，T\[d+3^2\],…，等，直到探查到 **有空余地址** 或者到 T\[d-1\]为止。

缺点是无法探查到整个散列空间。

**c.双重散列法**

hi=(h(key)+i\*h1(key)) ％ m，0 ≤ i ≤ m-1

基本思想是：  
探查时从地址 d 开始，首先探查 T\[d\]，然后依次探查 T\[d+h1(d)\], T\[d + 2\*h1(d)\]，…，等。

该方法使用了两个散列函数 h(key) 和 h1(key)，故也称为双散列函数探查法。

定义 h1(key) 的方法较多，但无论采用什么方法定义，都必须使 h1(key) 的值和 m 互素，才能使发生冲突的同义词地址均匀地分布在整个表中，否则可能造成同义词地址的循环计算。

该方法是开放定址法中最好的方法之一。

## 哈希的应用 ##

*  哈希表
 *  分布式缓存

## 哈希表（散列表） ##

哈希表（hash table）是哈希函数最主要的应用。

哈希表是实现关联数组（associative array）的一种数据结构，广泛应用于实现数据的快速查找。

![这里写图片描述][20161027004004320]

用哈希函数计算关键字的哈希值（hash value）,通过哈希值这个索引就可以找到关键字的存储位置，即桶（bucket）。哈希表不同于二叉树、栈、序列的数据结构一般情况下，在哈希表上的插入、查找、删除等操作的时间复杂度是 O(1)。

查找过程中，关键字的比较次数，取决于产生冲突的多少，产生的冲突少，查找效率就高，产生的冲突多，查找效率就低。因此，影响产生冲突多少的因素，也就是影响查找效率的因素。  
影响产生冲突多少有以下三个因素：

1.  哈希函数是否均匀；
2.  处理冲突的方法；
3.  哈希表的加载因子。

哈希表的加载因子和容量决定了在什么时候桶数（存储位置）不够，需要重新哈希。

加载因子太大的话桶太多，遍历时效率变低；太大的话频繁 rehash，导致性能降低。所以加载因子的大小需要结合时间和空间效率考虑。

在 HashMap 中的加载因子为 0.75，即四分之三。

## 分布式缓存 ##

> 网络环境下的分布式缓存系统一般基于一致性哈希（Consistent hashing）。简单的说，一致性哈希将哈希值取值空间组织成一个虚拟的环，各个服务器与数据关键字K使用相同的哈希函数映射到这个环上，数据会存储在它顺时针“游走”遇到的第一个服务器。可以使每个服务器节点的负载相对均衡，很大程度上避免资源的浪费。
> 
> 在动态分布式缓存系统中，哈希算法的设计是关键点。使用分布更合理的算法可以使得多个服务节点间的负载相对均衡，可以很大程度上避免资源的浪费以及部分服务器过载。 使用带虚拟节点的一致性哈希算法，可以有效地降低服务硬件环境变化带来的数据迁移代价和风险，从而使分布式缓存系统更加高效稳定。

## Thanks ##

[http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/1273][http_www.nowamagic.net_librarys_veda_detail_1273]

[http://blog.csdn.net/cywosp/article/details/23397179/][http_blog.csdn.net_cywosp_article_details_23397179]

[http://www.cnblogs.com/qiaoshanzi/p/5295554.html][http_www.cnblogs.com_qiaoshanzi_p_5295554.html]

[http://baike.baidu.com/view/549615.htm][http_baike.baidu.com_view_549615.htm]

[https://books.google.co.jp/books?id=wCWmdhdX1AYC&pg=PA214&lpg=PA214&dq=%E6%95%B0%E5%AD%97%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95&source=bl&ots=5ieOT99Dob&sig=UcYbua2lwYocCQr32HF0XDF34h4&hl=zh-CN&sa=X&ved=0ahUKEwj104zw\_\_fPAhUDw7wKHf3cAhIQ6AEISzAJ\#v=onepage&q=%E6%95%B0%E5%AD%97%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95&f=false][https_books.google.co.jp_books_id_wCWmdhdX1AYC_pg_PA214_lpg_PA214_dq_E6_95_B0_E5_AD_97_E5_88_86_E6_9E_90_E6_B3_95_source_bl_ots_5ieOT99Dob_sig_UcYbua2lwYocCQr32HF0XDF34h4_hl_zh-CN_sa_X_ved_0ahUKEwj104zw_fPAhUDw7wKHf3cAhIQ6AEISzAJ_v_onepage_q_E6_95_B0_E5_AD_97_E5_88_86_E6_9E_90_E6_B3_95_f_false]

[http://sjjp.tjuci.edu.cn/sjjg/DataStructure/DS/web/chazhao/chazhao9.4.3.3.htm][http_sjjp.tjuci.edu.cn_sjjg_DataStructure_DS_web_chazhao_chazhao9.4.3.3.htm]

[http://www.cnblogs.com/qiaoshanzi/p/5295554.html][http_www.cnblogs.com_qiaoshanzi_p_5295554.html]

[Java _]: http://blog.csdn.net/u011240877/article/category/6447444
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