哈希表—哈希函数的设计

冰冻非一日之寒

上一篇文章中,我们举了身份证号为关键字的例子。这里,我们假设真的有一个无限大的空间,那么,可以直接将身份证号作为索引吗?

显然不合适。因为,并不是所有的身份证号都是18位的,对于那些位数在17位以下的,就太浪费这个大空间了。

设计哈希函数的原则是,将我们所关心的键通过哈希函数求出索引,“键”通过哈希函数得到的“索引”分布越均匀越好(实际上,实现起来非常困难)

那么,对于像身份证号这样的大整数为关键字时,该怎么计算对应的索引呢?

或者像复合类、字符串、浮点数这样类型的关键字,该如何计算它们对应的索引呢?

对于哈希函数来说,我们只能将整型数据作为关键字来求解索引。所以,不管什么类型的关键字,我们应该先将其转化为整型类型的数据。

按照这个思路,以下介绍几种最简单、最基础、最一般、最通用的哈希函数

整型

小范围正整数直接使用

例如,上一篇讲的ASCII值作为关键字

再例如,一个班有30个学生,1—30表示每位学生对应的学号,并作为关键字

像这样的小范围正整数,可以直接将关键字作为索引,存储到数组中去

小范围负整数进行偏移

例如,-100~100的数作为关键字,这时可以每个数都加上100,变为0~200的正整数

这样,就可以将关键字直接作为索引存储到数组中去

大整数取模

例如,身份证号作为关键字,412637199707096354

取后四位(6354)。也就是,mod 10000

假如,取后六位(096354)。即,mod 100 0000 这样,会分布不均匀

对于身份证号来说,后六位的前两位(09)代表着日期数,也就是1~31的数字。那么,这个六位数不会达到32 0000这么大,中国这么多人口,显然这个数字是不够的,这也就造成了索引分布不均匀

这也就体现了哈希函数的复杂性,也说明了具体问题要具体分析。

上面的取模方式还有一个问题,没有有效利用所有信息。我们这样取模,只是利用了关键字的一部分,也就是不管这个人是哪个地区哪个年份出生的,都有可能存储到一个地址中去,这样会增加哈希冲突的概率。那么,该如何解决这个问题呢?

一个简单的解决办法:模一个素数

为什么要模一个素数呢?简单举个例子

图片发自简书App

显然,模一个素数,结果会分布的更均匀,哈希冲突的概率也会变小。我们该如何选择这个素数呢?相关的领域专家已经为我们研究出了答案。

图片发自简书App

假如,需要存储的数在2^5~2^6之间,模上53就可以了。

注:这个表并不是唯一的,一个区间内可以有多个素数

浮点型

将浮点型解析成大整型,之后再相应取模(如上)

字符串

先看一个例子

图片发自简书App

把一个整数用科学计数法来表示,同样,字符串也可以类似表示。将这个字符串看成26进制,是因为有26个小写字母,如果字符串中有大写字母或者标点符号,那么看成26进制显然是不够的,可以看成是100进制或者256进制等。显然,这个进制是用户可以自己选择的,我们用 B 来表示这个进制

图片发自简书App


每一个小写字母对应一个数字,这样我们把字符串也转化成了大整型,之后就可以利用上面取模的方式计算哈希值了。

字符串哈希函数

这样就可以计算出字符串的哈希值了。当B是一个比较大的数或者字符串比较长时,求B的k次方是比较浪费时间的,所以我们可以优化这个表达式

哈希函数*优化

这样就省去了求次方运算。但是,还有可能会出现整型溢出的情况,当B是一个很大的数字或者字符串很长的时候,我们可以再次优化这个表达式

哈希函数*再次优化

这样,每退出一个小括号,数字都会变成比M先得数字,就不会出现溢出情况了

复合类

假如我们自己定义一个类,日期类

Date:year,month,day

为这个Date类设计哈希函数,可以像字符串那样,将类的属性值看着是一个字符

复合类哈希函数

这样,就求出了复合类的哈希值。

求哈希函数原则

原则

一致性:当关键字相同时,经过哈希函数求出的哈希值也是相同的。

反过来是不成立的,即当哈希值相同时关键字不一定相同。哈希值相同,取模后得到的索引也相同,即不同的关键字对应的存储位置相同,这也就是所谓的哈希冲突。

高效性:我们设计哈希函数就是为了高效存储数据,如果哈希函数的设计就消耗过多性能,那么就得不偿失了

均匀性:通过哈希函数求出的索引必须是分布均匀的。




以上,就是转化为整型求哈希函数。但是,这并不是求哈希函数唯一的方法

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