散列

散列:

根据元素的 key 找到元素在散列表中存放的位置。在实践当中,散列技术的效率是很高的,合理的设计散列函数和冲突处理方法,可以使得在散列表中查找一个元素的期望时间为O(1)。散列表是普通数组概念的推广,在散列表中,不是直接把关键字用作数组下标,而是根据关键字通过散列函数计算出来的

就像通过 f(x) = x^2 ,对应不同的 x 有不同的计算结果,而又通过这个计算结果 f(x) 作为索引查找散列表中的位置。

一、直接寻址(直接数组实现)

关键字范围较小时,把关键字作为数组下标,直接进行操作。例如:散列表大小为 10,关键字范围 { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 } 直接进行存放,0 放在位置 0,1 放在位置 1......

二、散列表

当输入的范围很广时,不能直接构建一个足够大的数组,太浪费空间,这时就用到散列表,通过散列函数,将很大的范围映射到很小的空间上,节约资源,但要处理碰撞,即不同的元素映射到相同的地址空间上去。

三、散列函数

好的散列函数尽可能不重复,这里有如下几种:

1、除法散列法:

  散列函数为:h(k)=k mod tableSize。tableSize 一般设置为质数。

2、乘法散列法:h(k) = m(kA mod 1)

   全域散列法:给定一组散列函数H,每次进行散列时候从H中随机的选择一个散列函数h。

通常关键字为字符串,以下为处理字符串的:

3、字符串的所有字符的ASCII码值进行相加,将所得和作为元素的关键字,

for(auto x : key)

  val += x;

index = val % tableSize;

但是缺点是如果散列表很大,而 ASCII 最大才是127,大部分空间没用到,利用率低。

4、假设关键字至少由三个字母构成,散列函数只是取前三个字母进行散列

index =  (key[0]+27*key[1]+729*key[2]) % tableSize;

缺点同样是如果散列表太大,大部分空间没用到,利用率低。

5、借助Horner's 规则,构造一个质数(通常是37)的多项式:

\sum\nolimits_{i=0}^{KeySize-1}Key[KeySize-i-1]*37^i

程序根据 Horner 法则的计算多项式函数(为了编程简便,按下式计算):

h_{k} = k_{0}+37k_{1}+37^2k_{2}= (k_{2}*37 +k_{1})*37+k_{0}

for(int i =0;i<key.length();i++)

  hashVal = 37*hashVal + key[i];

hashVal %= tableSize;

if(hashVal<0)   //计算的hashVal溢出

  hashVal += tableSize;

index =  hashVal;

  该方法存在的问题是如果字符串关键字比较长,散列函数的计算过程就变长有可能导致计算的hashVal溢出。针对这种情况可以采取字符串的部分字符进行计算,例如计算偶数或者奇数位的字符。

四、碰撞处理

通常有两类方法处理碰撞,开放寻址(Open Addressing)法和链接(Chaining)法。

1、开放寻址法:线性探测、平方探测、双散列

① 线性探测:碰撞时,从当前位置的下一个位置开始寻找空位置。只要表够大,总能找到一个空位置,缺点是即使表较空,占据的位置也会形成区块,称为一次聚集

② 平方探测:碰撞时,探测位置函数流行的选择 f(i) = i^2 。虽然平方探测消除了一次聚集但是散列到同一位置的那些元素将探测相同的单元,这叫做二次聚集
  在探测散列表中标准的删除操作不能执行, 因为相应单元可能已经引起冲突,元素绕过它存储在别处. 如果删除一个, 那么可能剩下的find操作都是失败.因此探测散列表需要懒惰删除.

懒惰删除:想要删除某个元素,只把它所在的单元状态设置为 'Deleted',标示其为删除的元素 ,防止下一次查找时出现‘断链’情况。

③ 双重散列:流行选择f(i) = i{hash}_{2}(x) ,将第二个散列函数应用到 x ,并在距离{hash}_{2}(x) 2{hash}_{2}(x) ...等处探测。是开放寻址的最好方法之一,因为其产生的排列具有随机选择的排列的许多特性。说白了就是把碰撞的元素再用一个函数计算查找的位置。

2、链接法:做法是将散列到同一位置的元素用一个链表链接起来。如果是新元素,则插入到链表的前端,因为不仅方便,而且新近插入的元素最有可能不久被访问

五、再散列:

装填因子\lambda =\frac{表中元素个数}{散列表大小} ,装填因子应小于 0.5。

对于开放寻址散列法,如果表中的元素个数太多,再往散列表中插入新的元素时候就会耗时或失败,解决方法是建立另外一个大约两倍大小的表,将每个元素重新插入到新表中,表的大小取两倍大小后第一个素数。

再散列判断:

1、表满到一半

2、插入失败

3、装填因子\lambda 到一定阈值

参考:《算法导论》读书笔记之第11章 散列表 - Rabbit_Dale - 博客园

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