Polish the chapter of graph, hashing, appendix

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2023-04-09 03:09:06 +08:00
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# 哈希表
哈希表通过建立「键 key」「值 value」之间的映射实现高效的元素查。具体地,输入一个 key ,在哈希表中查询并获取 value ,时间复杂度为 $O(1)$
哈希表通过建立「键 key」「值 value」之间的映射实现高效的元素查。具体而言,我们向哈希表输入一个 key则可以在 $O(1)$ 时间内获取对应的 value
例如,给定一个包含 $n$ 个学生的数据库,每个学生有“姓名 `name` ”和“学号 `id` ”两项数据希望实现一个查询功能**输入一个学号,返回对应的姓名**,则可以使用哈希表实现。
一个包含 $n$ 个学生的数据库为例,每个学生有“姓名 `name`”和“学号 `id`”两项数据。假如我们希望实现查询功能,例如“输入一个学号,返回对应的姓名,则可以用哈希表实现。
![哈希表的抽象表示](hash_map.assets/hash_map.png)
## 哈希表效率
哈希表外,还可以使用以下数据结构来实现上述查询功能:
除哈希表外,还可以使用以下数据结构来实现上述查询功能:
1. **无序数组**:每个元素为 `[学号, 姓名]`
2. **有序数组**:将 `1.` 中的数组按照学号从小到大排序;
3. **链表**:每个结点的值为 `[学号, 姓名]`
4. **二叉搜索树**:每个结点的值为 `[学号, 姓名]` ,根据学号大小来构建树;
使用上述方法,各项操作的时间复杂度如下表所示(在此不做赘述,详解可见 [二叉搜索树章节](https://www.hello-algo.com/chapter_tree/binary_search_tree/))。无论是查找元素还是增删元素,哈希表的时间复杂度都是 $O(1)$ ,全面胜出!
各项操作的时间复杂度如下表所示(详解可见[二叉搜索树章节](https://www.hello-algo.com/chapter_tree/binary_search_tree/))。无论是查找元素还是增删元素,哈希表的时间复杂度都是 $O(1)$,全面胜出!
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@@ -390,18 +390,18 @@
## 哈希函数
哈希表的底层实现数组,并且可能包含链表、二叉树(红黑树)等数据结构,以提查询性能(下节讨论)。
哈希表的底层实现数组,同时可能包含链表、二叉树(红黑树)等数据结构,以提查询性能(将在下节讨论)。
首先考虑最简单的情况,**仅用一个数组来实现哈希表**。根据习惯,我们将数组中的每个空位称为「桶 Bucket」用于存储键值对。
首先考虑最简单的情况,**仅使用一个数组来实现哈希表**。通常,我们将数组中的每个空位称为「桶 Bucket」用于存储键值对。
我们将键值对 key, value 装成一个类 `Entry` ,并将所有 `Entry` 放入数组中,那么每个 `Entry` 在数组中都有唯一的索引。为了建立 key 和索引之间的映射关系,我们需要使用「哈希函数 Hash Function」。
我们将键值对 key, value 装成一个类 `Entry` ,并将所有 `Entry` 放入数组中。这样,数组中的每个 `Entry` 都有唯一的索引。为了建立 key 和索引之间的映射关系,我们需要使用「哈希函数 Hash Function」。
设哈希表的数组为 `buckets` ,哈希函数为 `f(x)` ,那么查询操作的步骤
设哈希表的数组为 `buckets` ,哈希函数为 `f(x)` ,那么查询操作的步骤如下
1. 输入 `key` ,通过哈希函数计算出索引 `index` ,即 `index = f(key)`
2. 通过索引在数组中访问到键值对 `entry` ,即 `entry = buckets[index]` 并在 `entry` 中获取 `value` 即可
2. 通过索引在数组中访问到键值对 `entry` ,即 `entry = buckets[index]` 然后从 `entry` 中获取对应的 `value`
上述学生数据 `key 学号 -> value 姓名` 为例,我们可以将「哈希函数」设计为
以学生数据 `key 学号 -> value 姓名` 为例,我们可以设计如下哈希函数:
$$
f(x) = x \% 100
@@ -491,18 +491,18 @@ $$
## 哈希冲突
细心的同学可能会发现,**哈希函数 $f(x) = x \% 100$ 会在某些情况下失效**。具体,当输入的 key 后两位相同时,哈希函数的计算结果也相同,指向同一个 value 。例如,分别查询两个学号 $12836$ 和 $20336$ ,则有
细心的你可能已经注意到,**在某些情况下,哈希函数 $f(x) = x % 100$ 可能无法正常工作**。具体来说,当输入的 key 后两位相同时,哈希函数的计算结果也相同,从而指向同一个 value 。例如,查询学号 $12836$ 和 $20336$ 的两个学生时,我们得到:
$$
f(12836) = f(20336) = 36
$$
两个学号指向了同一个姓名,这明显是不对的,我们这种现象称为「哈希冲突 Hash Collision」。如何避免哈希冲突的问题将被留在下章讨论
两个学号指向了同一个姓名,这显然是错误的。我们这种情况称为「哈希冲突 Hash Collision」。在后续章节中,我们将讨论如何解决哈希冲突的问题
![哈希冲突示例](hash_map.assets/hash_collision.png)
综上所述,一个优秀的哈希函数」应该具备以下特性:
综上所述,一个优秀的哈希函数具备以下特性:
-量少地发生哈希冲突;
- 时间复杂度 $O(1)$ ,计算尽可能高效
- 空间使用率,即“键值对占用空间 / 哈希表总占用空间”尽可能大
-可能减少哈希冲突的发生
- 查询效率高且稳定,能够在绝大多数情况下达到 $O(1)$ 时间复杂度;
- 较高的空间用率,即使“键值对占用空间 / 哈希表总占用空间”比例最大化