数据结构C语言描述7(图文结合)--哈希、哈希冲突、开放地址法、链地址法等实现

羊小猪~~2025-01-02 16:30

前言

  • 这个专栏将会用纯C实现常用的数据结构和简单的算法；
  • 有C基础即可跟着学习，代码均可运行；
  • 准备考研的也可跟着写，个人感觉，如果时间充裕，手写一遍比看书、刷题管用很多，这也是本人采用纯C语言实现的原因之一；
  • 欢迎收藏 + 关注，本人将会持续更新。

文章目录

什么是哈希

📘 概念：哈希结构（Hash Table）也被称为散列表，是一种用于实现字典（Dictionary）的数据结构。

重点 ：散列表，这个刷过算法的人应该都知道这个数据结果，散列表 的特点就是查找特别快，典型应用 ：判断A集合是否存在B集合；字典结构，我感觉学过Python或者JS都很清楚这个特点了；

🔴 重点概念

  • 哈希结构 通过键Key映射到值Value的过程称为哈希 ，映射学过数学应该都知道这个概念，函数就是典型的映射关系；
  • 哈希函数：将键 映射到一个存储位置的函数；

⏫ 用处

哈希用处很多，最核心 的应用是查找 ，哈希查找速度很快，如：用数组作为哈希结构容器，假设我们要存储一段数据(1， 5， 100， 10000， 100000)，想要查找最快，找到数组下标即可 ，但是这个最大值很大(100000)，如果申请这么大的内存，储存量却很少，这就造成了内存浪费，但是用哈希结构的一些方法，可以很大的节省时间 ，数组也是一种哈希结构，这个后面我们会讲。

哈希构造函数

🏡 概念 哈希构造函数（Hash Constructor）是哈希结构中的一种函数，用于将键（Key）映射到哈希表中的位置。哈希构造函数通常是一个确定性函数，即对于相同的键，哈希构造函数总是返回相同的哈希值。哈希构造函数的设计非常关键，它直接影响哈希结构的查找、插入和删除等操作的效率。

重点：

  • 哈希函数：将键值映射到哈希表中位置；
  • 哈希构造函数通常是一个确定性函数，即对于相同的键，哈希构造函数总是返回相同的哈希值，键与射的值相互对于，具有唯一性；
  • 哈希构造函数的设计非常关键，但是这个一般我感觉需要结合业务场景，根据不同数据从而选取不同的哈希函数，下面会有一些常用的哈希函数。

🌓 哈希构造函数的设计需要满足以下几个要求：

  • 一致性：对于相同的键，哈希构造函数应该总是返回相同的哈希值。
  • 均匀性：哈希构造函数应该尽可能均匀地将键映射到哈希表中的位置，以避免哈希冲突。
  • 高效性：哈希构造函数的计算时间应该尽可能短，以提高哈希结构的操作效率。

🌌 哈希构造函数的设计方法有很多种，常见的方法包括：

  • 直接寻址法（Direct Addressing）：将键直接作为哈希表中的位置，适用于键的范围比较小的情况。

  • 除留余数法（Division Method）：将键除以一个不大于哈希表大小的质数 ，然后取余数作为哈希值，h*(*k)= k mod m，m 是哈希表的大小，即输出哈希值的范围，这个也是最常用的，一般来说，m不能过于靠近2的幂。

  • 乘法哈希法（Multiplicative Hashing）：将键乘以一个常数A（0<A<1），然后取乘积的小数部分乘以哈希表大小作为哈希值。

  • 一次探测法（Linear Probing）：当发生哈希冲突时，依次向后探测空桶，直到找到空桶或者遍历整个哈希表。

  • 双重哈希法（Double Hashing）：使用两个不同的哈希函数，当发生哈希冲突时，依次使用两个哈希函数计算出新的哈希值，直到找到空桶或者遍历整个哈希表。

🌾 当然还有其他，注意 ：像除留余数法，为什么需要除以不大于哈希表最大大小的质数，这是是有严格的数学证明，可以减少哈希冲突概率，记住即可。

哈希解决冲突方法

这个有很多，如：开放地址寻址法、再次哈希法、链地址法、建立公共溢出区，这里只讲解，开放地址寻址法和链地址法。

开放地址寻址法

开发地址寻址法就是在发生哈希冲突的时候，在哈希映射那个点往后寻找，寻找到一个空位即可。

链地址法

链地址法就是用一个链表，当发生哈希冲突的时候，在哈希映射那个位置，拉一条链表，将数据填入链表中。

数组哈希案例实现

封装

cpp 复制代码 
// 这里假设存储的数据是这个，key是自己抽象出来的
typedef struct Data {
	int key;
	char buffer[20];
}Data;

typedef struct Hash {
	Data** data;
	int p;
	int count;
}Hash;

创建哈希

cpp 复制代码 
Hash* create_hash(int p)
{
	Hash* hash = (Hash*)calloc(1, sizeof(Hash));
	assert(hash);
	hash->data = (Data**)calloc(p, sizeof(Data));
	assert(hash->data);
	hash->p = p;
	return hash;
}

得到哈希映射值

cpp 复制代码 
// 如果相同key值，则覆盖
int get_index(Hash* hash, Data data)
{
	assert(hash);

	int pos = data.key % hash->p;
	int curPos = pos;
	do {
		if (hash->data[curPos] == NULL || hash->data[curPos]->key == data.key) {
			return curPos;
		}
		curPos = (curPos + 1) % hash->p;
	} while (curPos != pos);

	return -1;   // 找不到，则当前满了，这里假设数据能够存储
}

插入数据

cpp 复制代码 
void push(Hash* hash, Data data)
{
	assert(hash);

	int pos = get_index(hash, data);
	if (pos == -1) {
		return;
	}

	if (hash->data[pos] == NULL) {
		Data* newData = (Data*)calloc(1, sizeof(Data));
		assert(newData);
		hash->data[pos] = newData;
		// 内存拷贝
		memcpy(hash->data[pos], &data, sizeof(data));
	}
	else {
		if (hash->data[pos]->key == data.key) {
			// 字符串拷贝
			strcpy(hash->data[pos]->buffer, data.buffer);
		}
	}

	hash->count++;
}

哈希查找

循环查找一圈看是否能找到。

cpp 复制代码 
Data* search(Hash* hash, int key)
{
	assert(hash);

	int pos = key % hash->count;
	int curPos = pos;

	do {
		if (hash->data[curPos] == NULL) {
			return NULL;
		}

		if (hash->data[curPos]->key == key) {
			return hash->data[curPos];
		}

		curPos = (curPos + 1) % hash->p;
	} while (pos != curPos);

	return NULL;
}

总代码

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>

/*
	f(key) = key / p;
*/

// 这里假设存储的数据是这个，key是自己抽象出来的
typedef struct Data {
	int key;
	char buffer[20];
}Data;

typedef struct Hash {
	Data** data;
	int p;
	int count;
}Hash;

Hash* create_hash(int p)
{
	Hash* hash = (Hash*)calloc(1, sizeof(Hash));
	assert(hash);
	hash->data = (Data**)calloc(p, sizeof(Data));
	assert(hash->data);
	hash->p = p;
	return hash;
}

// 如果相同key值，则覆盖
int get_index(Hash* hash, Data data)
{
	assert(hash);

	int pos = data.key % hash->p;
	int curPos = pos;
	do {
		if (hash->data[curPos] == NULL || hash->data[curPos]->key == data.key) {
			return curPos;
		}
		curPos = (curPos + 1) % hash->p;
	} while (curPos != pos);

	return -1;   // 找不到，则当前满了，这里假设数据能够存储
}

void push(Hash* hash, Data data)
{
	assert(hash);

	int pos = get_index(hash, data);
	if (pos == -1) {
		return;
	}

	if (hash->data[pos] == NULL) {
		Data* newData = (Data*)calloc(1, sizeof(Data));
		assert(newData);
		hash->data[pos] = newData;
		// 内存拷贝
		memcpy(hash->data[pos], &data, sizeof(data));
	}
	else {
		if (hash->data[pos]->key == data.key) {
			// 字符串拷贝
			strcpy(hash->data[pos]->buffer, data.buffer);
		}
	}

	hash->count++;
}

void print_hash(Hash* hash)
{
	assert(hash);

	for (int i = 0; i < hash->p; i++) {
		if (hash->data[i] == NULL) {
			printf("NULL\n");
		}
		else {
			printf("%d %s\n", hash->data[i]->key, hash->data[i]->buffer);
		}
	}
}

Data* search(Hash* hash, int key)
{
	assert(hash);

	int pos = key % hash->count;
	int curPos = pos;

	do {
		if (hash->data[curPos] == NULL) {
			return NULL;
		}

		if (hash->data[curPos]->key == key) {
			return hash->data[curPos];
		}

		curPos = (curPos + 1) % hash->p;
	} while (pos != curPos);

	return NULL;
}

int size(Hash* hash)
{
	assert(hash);

	return hash->count;
}

bool empty(Hash* hash)
{
	assert(hash);

	return hash->count == 0;
}

int main()
{
	Hash* hash = create_hash(11);
	Data data[8] = { 1,"小美",11,"小芳",25,"花花",38,"coco",45,"小帅",88,"baby",65,"小丽",75,"小小" };
	for (int i = 0; i < 8; i++) {
		push(hash, data[i]);
	}

	print_hash(hash);

	Data* sdata = search(hash, 45);

	printf("search: %d %s\n", sdata->key, sdata->buffer);

	return 0;
}

链表哈希案例实现

封装

cpp 复制代码 
// 数据封装
typedef struct Data {
	int key;
	char buffer[20];
}Data;

// 横向链表节点封装(解决冲突节点)
typedef struct LNode {
	Data data;
	struct LNode* next;
}LNode;

// 纵向链表节点封装
typedef struct SNode {
	Data data;
	struct SNode* snext;
	LNode* lnext;    // 解决冲突链表
}SNode;

// 哈希封装
typedef struct Hash {
	SNode* headNode;
	int p;   // 余数
	int count;   // 存储的元素个数
}Hash;

LNode* create_lnode(Data data)
{
	LNode* node = (LNode*)calloc(1, sizeof(LNode));
	assert(node);
	node->data = data;
	return node;
}

SNode* create_snode(Data data)
{
	SNode* node = (SNode*)calloc(1, sizeof(SNode));
	assert(node);
	node->data = data;
	return node;
}

Hash* create_hash(int p)
{
	Hash* hash = (Hash*)calloc(1, sizeof(Hash));
	assert(hash);
	hash->p = p;
	return hash;
}

插入

这个确实规矩有点多，如：

  • 第一步得到哈希映射值
    • 如果在主链表中已经存在了，则在主链表映射位置拉一条链表，头插(这里是)
    • 如果主链表中不存在，则插入主链表中
cpp 复制代码 
// 插入
// 规则有点多
void push(Hash* hash, Data data)
{
	assert(hash);

	// 创建节点
	SNode* new_node = create_snode(data);
	int pos = data.key % hash->p;

	// 没有，则纵向链表生成
	if (hash->headNode == NULL) {
		hash->headNode = new_node;
	}
	else {   // 检查
		SNode* insert = hash->headNode;
		SNode* prevInsert = NULL;

		// 
		if (insert->data.key % hash->p > pos) {
			new_node->snext = hash->headNode;
			hash->headNode = new_node;
			hash->count++;
		}
		else {
			while (insert != NULL && (insert->data.key % hash->p < pos)) {
				prevInsert = insert;
				insert = insert->snext;
			}
			// 
			if (insert == NULL) {
				prevInsert->snext = new_node;
				hash->count++;
			}
			else if (insert->data.key % hash->p == pos) {
				//
				if (insert->data.key == data.key) {
					strcpy(insert->data.buffer, data.buffer);
				}
				else {
					LNode* curNode = insert->lnext;

					if (curNode == NULL) {
						insert->lnext = create_lnode(data);
						hash->count++;
					}
					else {
						// 横向插入，头插
						while (curNode != NULL && curNode->data.key != data.key) {
							curNode = curNode->next;
						}
						// 没有，头插
						if (curNode == NULL) {
							LNode* temp = create_lnode(data);
							temp->next = insert->lnext;
							insert->lnext = temp;
							hash->count++;
						}
						else {   // 有，覆盖
							strcpy(curNode->data.buffer, data.buffer);
						}

					}
					
				}
			}
			else {
				new_node->snext = insert;
				prevInsert->snext = new_node;
				hash->count++;
			}
		}
	}

}

查找

这个查找分为两个步骤：

  1. 主链表中找(纵向)
  2. 在映射值的那个链表中找
cpp 复制代码 
// 打印
void print_hash(Hash* hash)
{
	assert(hash);

	SNode* rTemp = hash->headNode;

	while (rTemp) {
		printf("key: %d, value: %s", rTemp->data.key, rTemp->data.buffer);
		if (rTemp->lnext != NULL) {
			printf(" 【");
			LNode* lTemp = rTemp->lnext;
			while (lTemp != NULL) {
				printf("key: %d, value: %s", lTemp->data.key, lTemp->data.buffer);
				lTemp = lTemp->next;
			}
			printf("  】");//  看清楚这个是行的数据
		}
		rTemp = rTemp->snext;
		printf("\n");
	}

}

// 查找
enum MatchType
{
	NoMatch,  // 没有
	RowMatch,  // 纵找到
	ColMatch   // 横找到
};

typedef struct Match {
	int type;
	union {
		LNode* lnode;
		SNode* snode;
	};
}Match;

Match search(Hash* hash, Data data)
{
	assert(hash);

	Match res = { 0 };
	int pos = data.key % hash->p;
	SNode* rTemp = hash->headNode;

	while (rTemp) {
		if (pos == rTemp->data.key % hash->p) {
			if (data.key == rTemp->data.key) {
				res.type = RowMatch;
				res.snode = rTemp;
				return res;
			}
			else {
				LNode* lTemp = rTemp->lnext;
				while (lTemp) {
					if (lTemp->data.key == data.key) {
						res.type = ColMatch;
						res.lnode = lTemp;
						return res;
					}
					lTemp == lTemp->next;
				}
			}
		}
		rTemp = rTemp->snext;
	}

	return res;
}

void print_search(Match match)
{
	switch (match.type)
	{
	case NoMatch:
		printf("没有找到\n");
		break;
	case RowMatch:
		printf("找到了,key: %d, value: %s\n", match.snode->data.key, match.snode->data.buffer);
		break;
	case ColMatch:
		printf("找到了,key: %d, value: %s\n", match.lnode->data.key, match.lnode->data.buffer);
		break;
	}
}

总代码

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <assert.h>
#include <string.h>

// 链表实现哈希，使用链表法解决冲突，要注意的是封装会比较多
// 假设不处理重复值

// 数据封装
typedef struct Data {
	int key;
	char buffer[20];
}Data;

// 横向链表节点封装(解决冲突节点)
typedef struct LNode {
	Data data;
	struct LNode* next;
}LNode;

// 纵向链表节点封装
typedef struct SNode {
	Data data;
	struct SNode* snext;
	LNode* lnext;    // 解决冲突链表
}SNode;

// 哈希封装
typedef struct Hash {
	SNode* headNode;
	int p;   // 余数
	int count;   // 存储的元素个数
}Hash;

LNode* create_lnode(Data data)
{
	LNode* node = (LNode*)calloc(1, sizeof(LNode));
	assert(node);
	node->data = data;
	return node;
}

SNode* create_snode(Data data)
{
	SNode* node = (SNode*)calloc(1, sizeof(SNode));
	assert(node);
	node->data = data;
	return node;
}

Hash* create_hash(int p)
{
	Hash* hash = (Hash*)calloc(1, sizeof(Hash));
	assert(hash);
	hash->p = p;
	return hash;
}

// 插入
// 规则有点多
void push(Hash* hash, Data data)
{
	assert(hash);

	// 创建节点
	SNode* new_node = create_snode(data);
	int pos = data.key % hash->p;

	// 没有，则纵向链表生成
	if (hash->headNode == NULL) {
		hash->headNode = new_node;
	}
	else {   // 检查
		SNode* insert = hash->headNode;
		SNode* prevInsert = NULL;

		// 
		if (insert->data.key % hash->p > pos) {
			new_node->snext = hash->headNode;
			hash->headNode = new_node;
			hash->count++;
		}
		else {
			while (insert != NULL && (insert->data.key % hash->p < pos)) {
				prevInsert = insert;
				insert = insert->snext;
			}
			// 
			if (insert == NULL) {
				prevInsert->snext = new_node;
				hash->count++;
			}
			else if (insert->data.key % hash->p == pos) {
				//
				if (insert->data.key == data.key) {
					strcpy(insert->data.buffer, data.buffer);
				}
				else {
					LNode* curNode = insert->lnext;

					if (curNode == NULL) {
						insert->lnext = create_lnode(data);
						hash->count++;
					}
					else {
						// 横向插入，头插
						while (curNode != NULL && curNode->data.key != data.key) {
							curNode = curNode->next;
						}
						// 没有，头插
						if (curNode == NULL) {
							LNode* temp = create_lnode(data);
							temp->next = insert->lnext;
							insert->lnext = temp;
							hash->count++;
						}
						else {   // 有，覆盖
							strcpy(curNode->data.buffer, data.buffer);
						}

					}
					
				}
			}
			else {
				new_node->snext = insert;
				prevInsert->snext = new_node;
				hash->count++;
			}
		}
	}

}

// 打印
void print_hash(Hash* hash)
{
	assert(hash);

	SNode* rTemp = hash->headNode;

	while (rTemp) {
		printf("key: %d, value: %s", rTemp->data.key, rTemp->data.buffer);
		if (rTemp->lnext != NULL) {
			printf(" 【");
			LNode* lTemp = rTemp->lnext;
			while (lTemp != NULL) {
				printf("key: %d, value: %s", lTemp->data.key, lTemp->data.buffer);
				lTemp = lTemp->next;
			}
			printf("  】");//  看清楚这个是行的数据
		}
		rTemp = rTemp->snext;
		printf("\n");
	}

}

// 查找
enum MatchType
{
	NoMatch,  // 没有
	RowMatch,  // 纵找到
	ColMatch   // 横找到
};

typedef struct Match {
	int type;
	union {
		LNode* lnode;
		SNode* snode;
	};
}Match;

Match search(Hash* hash, Data data)
{
	assert(hash);

	Match res = { 0 };
	int pos = data.key % hash->p;
	SNode* rTemp = hash->headNode;

	while (rTemp) {
		if (pos == rTemp->data.key % hash->p) {
			if (data.key == rTemp->data.key) {
				res.type = RowMatch;
				res.snode = rTemp;
				return res;
			}
			else {
				LNode* lTemp = rTemp->lnext;
				while (lTemp) {
					if (lTemp->data.key == data.key) {
						res.type = ColMatch;
						res.lnode = lTemp;
						return res;
					}
					lTemp == lTemp->next;
				}
			}
		}
		rTemp = rTemp->snext;
	}

	return res;
}

void print_search(Match match)
{
	switch (match.type)
	{
	case NoMatch:
		printf("没有找到\n");
		break;
	case RowMatch:
		printf("找到了,key: %d, value: %s\n", match.snode->data.key, match.snode->data.buffer);
		break;
	case ColMatch:
		printf("找到了,key: %d, value: %s\n", match.lnode->data.key, match.lnode->data.buffer);
		break;
	}
}


int main()
{
	Hash* hash = create_hash(11);
	Data data[8] = { 1,"小美",11,"小芳",25,"花花",38,"coco",42,"小帅",88,"baby",66,"小丽",77,"小小" };
	for (int i = 0; i < 8; i++) {
		push(hash, data[i]);
	}

	print_hash(hash);

	printf("********************\n");
	Match search_res = search(hash, data[3]);
	print_search(search_res);

	return 0;
}
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