【数据结构 | 哈希表】一文了解哈希表(散列表)

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⏰发布时间⏰： 2024-07-24 14:48:55

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🎄一、概述

在学习过的简单数据结构当中，

数组的特点：访问(寻址)速度较快的 、但插入、删除操作较慢；

链表的特点：访问(寻址)速度较慢的、但插入、删除操作很快 ；

所以，有些大牛就想着能不能结合这数组、链表的优点，造出一个 访问(寻址)速度较快的、插入、删除操作也很快 的数据结构，后面就造出来一个哈希表。

哈希表（Hash Table）：也叫做散列表。是根据关键码值（Key Value）直接进行访问的数据结构。

哈希表存储的都是键值对（Key-Value），即一个关键字对应一个内容，给出关键字就可以在哈希表中找到对应内容。

哈希表的工作过程：哈希表通过键值对的 关键字(key) 和 哈希函数 计算出对应的一个位置，通常是数组下标 ，然后把整个 键值对 (代码中叫Entry)存放到这个位置，以加快查找的速度。如果多个 关键字(key) 得到同一位置就会产生 哈希冲突，需要通过一个方法去解决。

这里面有好几个概念，会在后面的内容去介绍。

🎄二、键值对(key-value pair)

键值对(key-value pair) ：就是一个关键字(key)对应一个值(value)的组合，要求每个键值对的 关键字(key) 不能重复。下面表格就是一些键值对。

Key	Value
xia	虾
za	匝
zai	栽
zan	赞
zang	脏

在代码里可以使用下面结构体去表现一个键值对：

cpp 复制代码

struct table_entry{
	const char* key;
	void *value;
}

哈希表是存储键值对的，那它是怎样存储的呢？

哈希表要求每个键值对的 关键字(key) 不能重复，然后通过键值对的 关键字(key) 来定位每个键值对存放的位置，这个位置就是 哈希地址 ，而将 关键字(key) 映射成 哈希地址 的函数就是 哈希函数。

在哈希表中，会把 键值对(key-value) 的key称为键值。

🎄三、哈希函数

哈希函数（Hash Function）：也叫散列函数，将哈希表中元素的关键键值(key)映射为元素存储位置(哈希地址)的函数。

哈希函数是哈希表中最重要的部分。一般来说，哈希函数会满足以下几个条件：

哈希函数应该易于计算，并且尽量使计算出来的索引值均匀分布。
哈希函数计算得到的哈希值是一个固定长度的输出值。
计算出来的哈希地址不同，则传入键值(key)肯定不同；
```
Hash(key1) != Hash(key2)，则 key1 != key2。
```
如果 Hash(key1) 等于 Hash(key2)，那么 key1、key2 可能相等，也可能不相等（会发生哈希冲突）

在哈希表的应用中，最常见的2种键值类型是：字符串、数字。而其他键值类型还可以是是字符串类型、浮点数类型、大整数类型，甚至还有可能是几种类型的组合。设计哈希函数时，要根据键值类型的特点去设计，一般会先将键值转成整型再去计算，因为最终计算出来的一般是一个数组下标(Index)。

常见的哈希函数方法有：直接定址法、除留余数法、平方取中法、基数转换法、数字分析法、折叠法、随机数法、乘积法、点积法等。

假设我们把上个小节的键值对存到一个哈希表，并通过哈希函数计算出哈希地址，如下表：

Key	Value	哈希地址(Index)
xia	虾	517
za	匝	597
zai	栽	597
zan	赞	599
zang	脏	600

就像上面表格一样，哈希函数有时就将两个不同的键值计算出同一个哈希地址，这就造成了哈希冲突(哈希碰撞)

🎄四、哈希冲突(哈希碰撞)

哈希冲突（Hash Collision）：不同的关键字通过同一个哈希函数可能得到同一哈希地址，即 key1 ≠ key2，而 Hash(key1) = Hash(key2)，这种现象称为哈希冲突。

理想状态下，是每个key通过哈希函数都计算出不同的哈希地址，这样直接将键值对存入即可。但实际使用中一般都会出现哈希冲突的，这时就需要处理哈希冲突。处理哈希冲突的方法一般有两种：开放地址法、链地址法。

✨4.1 开发地址法

开放地址法（Open Addressing）：指的是将哈希表中的 空地址 向处理冲突开放。当哈希表未满时，处理冲突时需要尝试另外的单元，直到找到空的单元为止。

开放地址法主要有三种实现：

线性探测（Linear Probing）：发生冲突时，依次检查下一个地址，直到找到空闲位置。
二次探测（Quadratic Probing）：冲突时，以二次函数的方式探查空闲位置。
双重哈希（Double Hashing）：使用两个哈希函数，当发生冲突时，使用第二个哈希函数计算新的探查位置。

✨4.2 链地址法

链地址法（Chaining）：将具有相同哈希地址的元素（或记录）存储在同一个线性链表中。

链地址法是一种更加常用的哈希冲突解决方法。相比于开放地址法，链地址法更加简单。

具体的做法是当哈希地址的位置是空的话，就直接将键值对存入该位置；如果不为空，就将键值对存到该地址的链表中，所以在代码实现时，会在键值对所在结构体中加一个next指针，用于实现链表。

cpp 复制代码

struct TableEntry {
    TableEntry* fNext;
    char const* key;
    void* value;
};

🎄五、哈希表的使用

虽然上面说了那么多的概念，但只是使用哈希表并不需要知道这些。如果是要看别人实现哈希表的代码，则必须要清楚上面的那些概念，这里再总结一下：

1、键值对（Key-Value Pair）：是一种数据结构的表示形式，其中"键（Key）"是用于标识和查找数据的唯一标识符，"值（Value）"则是与该键相关联的数据。例如，在字典中，单词（键）与其释义（值）就构成了键值对。

2、哈希函数（Hash Function）：是一种将输入（通常是键）转换为固定长度输出（称为哈希值）的函数。哈希函数的设计目标是使得不同的输入尽可能产生不同的输出，并且输出分布均匀。

3、哈希值（Hash Value）：通过哈希函数对输入（键）进行计算得到的固定长度的数值。

4、哈希地址（Hash Address）：哈希值所对应的存储位置。通常，哈希表会根据哈希值来确定数据在内存中的存储位置。

5、哈希冲突（Hash Collision）：当两个或多个不同的键通过哈希函数计算得到相同的哈希值时，就发生了哈希冲突。这可能导致这些键对应的元素需要存储在同一个哈希地址，从而引发数据存储和检索的问题。

如果只是使用哈希表的话，只需要知道哈希表提供了哪些操作即可。哈希表至少会提供三个操作：插入、删除、查询。我们只需要知道怎样插入键值对、怎样删除、怎样查询就差不多了。