哈希表及处理冲突的常用方法

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前言

哈希法又称散列法,相应的表称为哈希表或散列表。
基本思想:

  1. 先在元素的关键字k和元素的存储位置p之间建立一个对应关系H,使得p=H(k),H称为哈希函数。创建哈希表时,把关键字为k的元素直接存入地址为H(k)的单元;
  2. 以后当查找关键字为k的元素时,再利用哈希函数计算出该元素的存储位置p=H(k),从而达到按关键字直接存取元素的目的。

值不同的多个关键字可能会映射到哈希表的同一地址上,即 k1≠k2 ,但 H(k1)=H(k2),这种现象称为冲突。实际中,冲突是不可避免的,只能通过改进哈希函数的性能来减少冲突。

常用的构造哈希函数的方法

构造哈希函数的原则是: 1. 函数本身便于计算;2. 计算出来的地址分布均匀,即对任一关键字k,f(k) 对应不同地址的概率相等。

1.除留余数法:
假设哈希表长为m,p为小于等于m的最大素数,则哈希函数为h(k)=k % p 。
2.平方取中法:
先求出关键字的平方值,然后按需取平方值的中间几位作为哈希地址。这是因为:平方后中间几位和关键字中每一位都相关,故不同关键字会以较高的概率产生不同的哈希地址。
这里写图片描述

常用的处理冲突的方法

创建哈希表和查找哈希表都会遇到冲突,两种情况下解决冲突的方法应该一致。
下面以创建哈希表为例,说明解决冲突的方法。
常用的解决冲突方法有以下四种:

1.开放地址法:

基本思想是:当关键字key的哈希地址p=H(key)出现冲突时,以p为基础,产生另一个哈希地址p1,如果p1仍然冲突,再以p为基础,产生另一个哈希地址p2,…,直到找出一个不冲突的哈希地址pi ,将相应元素存入其中。
这种方法有一个通用的再散列函数形式:Hi=(H(key)+di)% m i=1,2,…,n

其中di称为增量序列。增量序列的取值方式不同,相应的再散列方式也不同。主要有以下三种:

  1. 线性探测再散列 di=1,2,3,…,m-1
    这种方法的特点是:冲突发生时,顺序查看表中下一单元,直到找出一个空单元或查遍全表。
  2. 二次探测再散列 di=12,-12,22,-22,…,k2,-k2 ( k<=m/2 )
    这种方法的特点是:冲突发生时,在表的左右进行跳跃式探测,比较灵活。
  3. 伪随机探测再散列 di=伪随机数序列
    具体实现时,应建立一个伪随机数发生器,(如i=(i+p) % m),并给定一个随机数做起点。

2.链地址法:

基本思想是将所有哈希地址为 i 的元素构成一个称为同义词链的单链表,并将单链表的头指针存在哈希表的第i个单元中,因而查找、插入和删除主要在同义词链中进行。链地址法适用于经常进行插入和删除的情况。

例如,已知一组关键字(32,40,36,53,16,46,71,27,42,24,49,64),哈希表长度为13,哈希函数为:H(key)= key % 13,则用链地址法处理冲突的结果如图8.27所示:

这里写图片描述

本例的平均查找长度 =(1*7+2*4+3*1)/12=1.5

3.再哈希法:

这种方法是同时构造多个不同的哈希函数:Hi=RH1(key) i=1,2,…,k
当哈希地址Hi=RH1(key)发生冲突时,再计算Hi=RH2(key)……,直到冲突不再产生。这种方法不易产生聚集,但增加了计算时间。

解决冲突的方法的总结:

  1. 开放地址法:计算简单快捷,处理起来方便,但线性探测法容易形成“堆聚”。另外,该方法的删除操作显得十分复杂,我们不能直接删除关键字所在的记录,否则在查找删除位置后面的元素时,可能会出现找不到的情况,因为删除位置上已经成了空地址,查找到这里时会终止查找。所以,就需要重建哈希表,特别浪费性能。
  2. 链地址法:该方法将所有哈希地址相同的结点构成一个单链表,单链表的头结点存在哈希数组里,链地址法常出现在经常插入和删除的情况下,此时,哈希表的插入/删除/查找都是O(1)的时间复杂度。该法不会出现“堆聚”现象,哈希地址不同的关键字不会发生冲突;不需要重建哈希表。另外,如果开放地址法中,哈希表里存满关键字了就需要扩充哈希表然后重建哈希表,而链地址法不需要。

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