数据结构与算法分析 chapter05-散列

散列是一种用于以常数平均时间执行插入、删除和查找的技术。但是,那些需要元素间任何排序信息的树操作将不会得到有效的支持。因此。诸如findMax,findMin以及线性时间将排过序的整个表进行打印的操作都是散列不支持的。
 理想的散列表数据结构只不过是一个包含一些项(item)的具有固定大小的数组。

散列表.png

 每个关键字被映射到从0到TableSize-1这个范围中的某个数,并且被放到适当的单元中。这个映射就叫做散列函数(hash function),理想情况下它应该计算起来简单,并且应该保证任何俩个不同的关键字映射到不同的单元。
 这就是散列的基本想法。剩下的问题就是要选择一个函数,决定当两个关键字散列到同一个值的时候(这叫做冲突)应该做什么以及如何确定散列表的大小。

散列函数

 如果输入的关键字是整数,则一般合理的方法就是直接返回Key mod TableSize。好的方法通常是保证表的大小是素数。当输入的关键字是随机整数时,散列函数不仅计算起来简单而且关键字的分配也很均匀。
 通常关键字是字符串。

1.把字符串中字符的ASCII码(或Unicode码)值加起来。demo:


hashfunction.png

缺点:如果TableSize过大,则不能均匀散列。

2.
image.png

程序根据Horner法则计算一个(37的)多项式函数。
image.png

image.png

解决散列冲突

1.分离链接法

 做法是将散列到同一个值的所有元素保留到一个表中。


image.png

 为执行一次查找,我们使用散列函数来缺点遍历哪个链表,然后再在链表中执行一次查找。执行insert,我们检查相应的链表看看该元素是否已经处在适当的位置。如果这个元素是个新元素,那么它将被插入到链表的前端,这不仅因为方便,还因为常常发生这样的事实:新近插入的元素最有可能不久又被访问。

2.不用链表

 不用链表解决冲突的方法就是尝试另外一些单元,直到找出空的单元为止。
线性探测法
这里我们分析下线性探查法:
给出一组元素,它们的关键码为:37,25,14,36,49,68,57,11,散列表为HT[12],表的大小 m=12 ,假设采用Hash(key)= key % p ;(p=11)11是最接近m的质数,就有:

image.png

添加元素时,使用散列函数确定元素的插入位置,如果此空间有值:

  • 1.该值是所要插入元素的关键码,不进行插入。
  • 2.产生冲突,依次查看其后的下一个桶,如果发现空位置插入新元素

注意:
散列表的载荷因子:a = 插入元素个数 / 散列表的长度

平方探测法(二次探测法)

image.png

双散列
 对于双散列,一种流行的选择是f(i)=i*hash₂(x)。这个公式是说,我们将第二个散列函数应用到x并在距离hash₂(x),2hash₂(x),...等处探测。

双重散列算法

双散列算法为了解决单散列算法中 +j 过于连续,不够分散而来,同时能够进一步降低冲突率。其为了进一步分散冲突的数字,对冲突的球的数字再一次进行散列

h0(k) ≡ k (mod m), k = 球号

m = 盒子的数量,m 取接近最大盒子数量的素数

散列函数1 : g(k) ≡ k + 1 (mod m -2)

散列函数2 : hj(k) ≡ h0(k) + j*g(k) (mod m), hj(k) 表示发生 j 次冲突后,球所放入的盒子编号

注意g(k)的模变了,变为 (m-2),为什么要用这个,一会分析冲突要用

demo:
https://www.cnblogs.com/organic/p/6283476.html

再散列

 对于使用平方探测的开放定址散列法,如果散列表填得太满,那么操作的运行时间将开始消耗过长,并且插入操作可能失败。此时,一种解决方法是建立另外一个大约两倍大的表(而且使用一个相关的新散列函数),扫描整个原始散列表,计算每个(未删除的)的新散列值并将其插入到新表中。
 整个操作就叫做再散列。显然这是一种开销非常大的操作;其运行时间为O(N)。

小结

 散列表可以用以常数平均时间实现insert和查找操作。当使用散列表时注意诸如装填因子这样的细节是特别重要的,否则时间界将不再有效。当关键字不是短的串或整数时,仔细选择散列函数也是很重要的。
 对于分离链接散列法,虽然装填因子不很大时性能并不明显降低,但装填因子还是应该接近于1。对于探测散列算法,除非完全不可避免,否则装填因子不应该超过0.5。如果使用线性探测,那么性能会随着装填因子接近于1将急速下降。再散列运算可以通过使散列表增长(和收缩)来实现,这样将会保持合理的装填因子。对于空间紧缺并且不可能声明巨大散列表的情况,这是很重要的。

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