【C++】数据结构：哈希桶

哈希桶（Hash Bucket）是哈希表（Hash Table）实现中的一种数据结构，用于解决哈希冲突问题。哈希表是一种非常高效的数据结构，它通过一个特定的函数（哈希函数）将输入数据（通常是键，key）直接映射到一个数组的某个位置上，这样就可以通过这个位置快速访问到相应值（通常是值，value）。然而，不同的键可能经过哈希函数计算后得到相同的索引，这种现象称为哈希冲突。处理哈希冲突的方法有多种，其中开放地址法、链地址法和建立公共溢出区等，而哈希桶就是链地址法的具体应用。

哈希桶的工作原理

在哈希桶的实现中，每个数组元素不再直接存储值，而是存储一个链表（或其它容器，如动态数组）的指针，这个链表用于保存所有映射到该数组索引上的键值对。当有新的键值对插入时，首先使用哈希函数计算其位置，然后将其添加到对应位置的链表中。查询时，同样使用哈希函数定位到链表，再在链表中查找匹配的键。

为什么使用哈希桶

高效性：平均情况下，哈希表的查找、插入、删除操作的时间复杂度可以达到O(1)。
灵活性：链地址法通过链表处理冲突，即使大量键映射到同一位置，也能有效管理。
动态性：哈希表可以根据需要动态调整大小，以适应不同数量的数据。

实现哈希桶的步骤

定义哈希函数：选择合适的哈希函数是关键，好的哈希函数应尽可能减少冲突。
初始化哈希表：创建一个足够大的数组，并为每个数组元素初始化为空链表。
插入操作：计算键的哈希值，找到对应的链表，将新元素插入链表。
查找操作：计算键的哈希值，遍历对应链表寻找匹配的键。
删除操作：同查找过程找到元素后，从链表中移除。

代码样例

下面是一个简单的C++哈希桶实现示例：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>

// 定义哈希桶类，用于实现哈希表功能
class HashBucket {
public:
    // 构造函数，初始化哈希桶数组，默认大小为10
    explicit HashBucket(size_t size = 10) : buckets(size) {}

    // 插入操作，接受键值对，通过哈希函数计算位置并插入到相应链表中
    void insert(int key, std::string value) {
        size_t index = hashFunction(key);
        buckets[index].push_back({key, value}); // 使用pair存储键值对
    }

    // 查找操作，根据键返回对应的值，未找到则返回"Not Found"
    std::string search(int key) {
        size_t index = hashFunction(key);
        for (const auto& pair : buckets[index]) { // 遍历链表
            if (pair.first == key) {
                return pair.second; // 找到键，返回对应的值
            }
        }
        return "Not Found"; // 未找到键，返回"Not Found"
    }

    // 删除操作，根据键移除对应的键值对
    void remove(int key) {
        size_t index = hashFunction(key);
        auto& bucket = buckets[index]; // 引用当前桶的链表
        bucket.erase(std::remove_if(bucket.begin(), bucket.end(), // 移除符合条件的元素
                                    [key](const auto& p){ return p.first == key; }), 
                     bucket.end());
    }

private:
    // 简单的取模哈希函数，用于确定键值对在哈希桶中的位置
    std::size_t hashFunction(int key) const {
        return key % buckets.size();
    }

    // 使用vector存储链表，每个链表代表一个哈希桶
    std::vector<std::list<std::pair<int, std::string>>> buckets;
};

int main() {
    // 创建哈希桶实例
    HashBucket hashTable;

    // 插入一些键值对
    hashTable.insert(10, "Apple");
    hashTable.insert(25, "Banana");
    hashTable.insert(20, "Cherry");

    // 查找并打印结果
    std::cout << "Search 10: " << hashTable.search(10) << std::endl; // 应输出 Apple
    std::cout << "Search 30: " << hashTable.search(30) << std::endl; // 应输出 Not Found

    // 删除操作
    hashTable.remove(20);

    // 再次查找并打印结果，验证删除操作
    std::cout << "Search 20 after removal: " << hashTable.search(20) << std::endl; // 应输出 Not Found

    return 0;
}

哈希桶是解决哈希冲突的有效方法之一，它通过将冲突的元素放入同一个链表中，保持了数据的组织性和查找效率。在实际应用中，根据具体需求选择合适的哈希函数和冲突解决策略至关重要。此外，随着数据量的变化，适时调整哈希表的大小也是优化性能的关键。