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<h1 id="62">6.2. 哈希冲突<a class="headerlink" href="#62" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>理想情况下,哈希函数应该为每个输入产生唯一的输出,使得 key 和 value 一一对应。而实际上,往往存在向哈希函数输入不同的 key 而产生相同输出的情况,这种情况被称为「哈希冲突 Hash Collision」。哈希冲突会导致查询结果错误,从而严重影响哈希表的可用性。</p>
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<p>那么,为什么会出现哈希冲突呢?本质上看,<strong>由于哈希函数的输入空间往往远大于输出空间</strong>,因此不可避免地会出现多个输入产生相同输出的情况,即为哈希冲突。比如,输入空间是全体整数,输出空间是一个固定大小的数组,那么必定会有多个整数映射到同一个数组索引。</p>
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<p>为了缓解哈希冲突,一方面,<strong>我们可以通过哈希表扩容来减小冲突概率</strong>。极端情况下,当输入空间和输出空间大小相等时,哈希表就等价于数组了,每个 key 都对应唯一的数组索引,可谓“大力出奇迹”。</p>
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<p>另一方面,<strong>考虑通过优化哈希表的表示来缓解哈希冲突</strong>,常见的方法有「链式地址 Separate Chaining」和「开放寻址 Open Addressing」。</p>
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<p>在理想情况下,哈希函数应为每个输入生成唯一的输出,实现 key 和 value 的一一对应。然而实际上,向哈希函数输入不同的 key 却产生相同输出的情况是存在的,这种现象被称为「哈希冲突 Hash Collision」。哈希冲突可能导致查询结果错误,从而严重影响哈希表的可用性。</p>
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<p>那么,为何会出现哈希冲突呢?从本质上看,由于哈希函数的输入空间通常远大于输出空间,因此多个输入产生相同输出的情况是不可避免的。例如,若输入空间为全体整数,而输出空间为固定大小的数组,则必然有多个整数映射至同一数组索引。</p>
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<p>为了减轻哈希冲突,一方面,<strong>可以通过扩大哈希表容量来降低冲突概率</strong>。极端情况下,当输入空间和输出空间大小相等时,哈希表等同于数组,每个 key 都对应唯一的数组索引,可谓“大力出奇迹”。</p>
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<p>另一方面,<strong>可以考虑优化哈希表的表示以缓解哈希冲突</strong>,常用方法包括「链式地址 Separate Chaining」和「开放寻址 Open Addressing」。</p>
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<h2 id="621">6.2.1. 哈希表扩容<a class="headerlink" href="#621" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>哈希函数的最后一步往往是对桶数量 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 取余,以将哈希值映射到桶的索引范围,从而将 key 放入对应的桶中。当哈希表容量越大(即 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 越大)时,多个 key 被分配到同一个桶中的概率就越低,冲突就越少。</p>
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<p>因此,<strong>在哈希表内的冲突整体比较严重时,编程语言一般通过扩容哈希表来缓解</strong>。与数组扩容类似,哈希表扩容需要将所有键值对从原哈希表移动至新哈希表,<strong>开销很大</strong>。</p>
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<p>编程语言一般使用「负载因子 Load Factor」来评估哈希冲突的严重程度,<strong>其定义为哈希表中元素数量除以桶数量</strong>,常用作哈希表扩容的触发条件。比如在 Java 中,当负载因子 <span class="arithmatex">\(> 0.75\)</span> 时,系统会将 HashMap 容量扩充至原先的 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 倍。</p>
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<p>哈希函数的最后一步通常是对桶数量 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 取余,作用是将哈希值映射到桶索引范围,从而将 key 放入对应的桶中。当哈希表容量越大(即 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 越大)时,多个 key 被分配到同一个桶中的概率就越低,冲突就越少。</p>
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<p>因此,<strong>当哈希表内的冲突总体较为严重时,编程语言通常通过扩容哈希表来缓解冲突</strong>。类似于数组扩容,哈希表扩容需将所有键值对从原哈希表迁移至新哈希表,开销较大。</p>
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<p>编程语言通常使用「负载因子 Load Factor」来衡量哈希冲突的严重程度,<strong>定义为哈希表中元素数量除以桶数量</strong>,常作为哈希表扩容的触发条件。在 Java 中,当负载因子 <span class="arithmatex">\(> 0.75\)</span> 时,系统会将 HashMap 容量扩展为原先的 <span class="arithmatex">\(2\)</span> 倍。</p>
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<h2 id="622">6.2.2. 链式地址<a class="headerlink" href="#622" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>在原始哈希表中,每个桶只能存储一个键值对。<strong>链式地址考虑将单个元素转化成一个链表,将键值对作为链表结点,将所有冲突键值对都存储在一个链表中</strong>。</p>
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<p>在原始哈希表中,每个桶仅能存储一个键值对。<strong>链式地址将单个元素转换为链表,将键值对作为链表节点,将所有发生冲突的键值对都存储在同一链表中</strong>。</p>
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<p><img alt="链式地址" src="../hash_collision.assets/hash_collision_chaining.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 链式地址 </p>
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<p>链式地址下,哈希表操作方法为:</p>
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<p>链式地址下,哈希表的操作方法包括:</p>
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<ul>
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<li><strong>查询元素</strong>:输入 key ,经过哈希函数得到数组索引,即可访问链表头结点,再通过遍历链表并对比 key 来查找键值对。</li>
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<li><strong>添加元素</strong>:先通过哈希函数访问链表头结点,再将结点(即键值对)添加到链表即可。</li>
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<li><strong>删除元素</strong>:同样先根据哈希函数结果访问链表头部,再遍历链表查找对应结点,删除之即可。</li>
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<li><strong>查询元素</strong>:输入 key ,经过哈希函数得到数组索引,即可访问链表头结点,然后遍历链表并对比 key 以查找目标键值对。</li>
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<li><strong>添加元素</strong>:先通过哈希函数访问链表头结点,然后将结点(即键值对)添加到链表中。</li>
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<li><strong>删除元素</strong>:根据哈希函数的结果访问链表头部,接着遍历链表以查找目标结点,并将其删除。</li>
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</ul>
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<p>链式地址虽然解决了哈希冲突问题,但仍存在局限性,包括:</p>
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<p>尽管链式地址法解决了哈希冲突问题,但仍存在一些局限性,包括:</p>
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<ul>
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<li><strong>占用空间变大</strong>,因为链表或二叉树包含结点指针,相比于数组更加耗费内存空间;</li>
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<li><strong>占用空间增大</strong>,由于链表或二叉树包含结点指针,相比数组更加耗费内存空间;</li>
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<li><strong>查询效率降低</strong>,因为需要线性遍历链表来查找对应元素;</li>
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</ul>
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<p>为了提升操作效率,<strong>可以把「链表」转化为「AVL 树」或「红黑树」</strong>,将查询操作的时间复杂度优化至 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> 。</p>
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<p>为了提高操作效率,<strong>可以将链表转换为「AVL 树」或「红黑树」</strong>,将查询操作的时间复杂度优化至 <span class="arithmatex">\(O(\log n)\)</span> 。</p>
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<h2 id="623">6.2.3. 开放寻址<a class="headerlink" href="#623" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>「开放寻址」不引入额外数据结构,而是通过“多次探测”来解决哈希冲突。根据探测方法的不同,主要分为 <strong>线性探测、平方探测、多次哈希</strong>。</p>
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<p>「开放寻址」方法不引入额外的数据结构,而是通过“多次探测”来解决哈希冲突,<strong>探测方主要包括线性探测、平方探测、多次哈希</strong>。</p>
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<h3 id="_1">线性探测<a class="headerlink" href="#_1" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>「线性探测」使用固定步长的线性查找来解决哈希冲突。</p>
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<p><strong>插入元素</strong>:如果出现哈希冲突,则从冲突位置向后线性遍历(步长一般取 1 ),直到找到一个空位,则将元素插入到该空位中。</p>
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<p><strong>查找元素</strong>:若出现哈希冲突,则使用相同步长执行线性查找,会遇到两种情况:</p>
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<p>「线性探测」采用固定步长的线性查找来解决哈希冲突。</p>
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<p><strong>插入元素</strong>:若出现哈希冲突,则从冲突位置向后线性遍历(步长通常为 <span class="arithmatex">\(1\)</span> ),直至找到空位,将元素插入其中。</p>
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<p><strong>查找元素</strong>:在出现哈希冲突时,使用相同步长进行线性查找,可能遇到以下两种情况。</p>
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<ol>
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<li>找到对应元素,返回 value 即可;</li>
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<li>若遇到空位,则说明查找键值对不在哈希表中;</li>
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<li>若遇到空位,说明目标键值对不在哈希表中;</li>
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</ol>
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<p><img alt="线性探测" src="../hash_collision.assets/hash_collision_linear_probing.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 线性探测 </p>
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<p>线性探测存在以下缺陷:</p>
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<ul>
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<li><strong>不能直接删除元素</strong>。删除元素会导致数组内出现一个空位,在查找其他元素时,该空位有可能导致程序认为元素不存在(即上述第 <code>2.</code> 种情况)。因此需要借助一个标志位来标记删除元素。</li>
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<li><strong>容易产生聚集</strong>。数组内被占用的连续位置越长,这些连续位置发生哈希冲突的可能性越大,从而进一步促进这一位置的“聚堆生长”,最终导致增删查改操作效率的劣化。</li>
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<li><strong>不能直接删除元素</strong>。删除元素会在数组内产生一个空位,查找其他元素时,该空位可能导致程序误判元素不存在(即上述第 <code>2.</code> 种情况)。因此,需要借助一个标志位来标记已删除元素。</li>
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<li><strong>容易产生聚集</strong>。数组内连续被占用位置越长,这些连续位置发生哈希冲突的可能性越大,进一步促使这一位置的“聚堆生长”,最终导致增删查改操作效率降低。</li>
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</ul>
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<h3 id="_2">多次哈希<a class="headerlink" href="#_2" title="Permanent link">¶</a></h3>
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<p>顾名思义,「多次哈希」的思路是使用多个哈希函数 <span class="arithmatex">\(f_1(x)\)</span> , <span class="arithmatex">\(f_2(x)\)</span> , <span class="arithmatex">\(f_3(x)\)</span> , <span class="arithmatex">\(\cdots\)</span> 进行探测。</p>
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<p><strong>插入元素</strong>:若哈希函数 <span class="arithmatex">\(f_1(x)\)</span> 出现冲突,则尝试 <span class="arithmatex">\(f_2(x)\)</span> ,以此类推……直到找到空位后插入元素。</p>
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<p><strong>查找元素</strong>:以相同的哈希函数顺序查找,存在两种情况:</p>
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<p>顾名思义,「多次哈希」方法是使用多个哈希函数 <span class="arithmatex">\(f_1(x)\)</span> , <span class="arithmatex">\(f_2(x)\)</span> , <span class="arithmatex">\(f_3(x)\)</span> , <span class="arithmatex">\(\cdots\)</span> 进行探测。</p>
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<p><strong>插入元素</strong>:若哈希函数 <span class="arithmatex">\(f_1(x)\)</span> 出现冲突,则尝试 <span class="arithmatex">\(f_2(x)\)</span> ,以此类推,直到找到空位后插入元素。</p>
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<p><strong>查找元素</strong>:在相同的哈希函数顺序下进行查找,存在以下两种情况:</p>
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<ol>
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<li>找到目标元素,则返回之;</li>
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<li>到空位或已尝试所有哈希函数,说明哈希表中无此元素;</li>
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<li>如果找到目标元素,则返回之;</li>
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<li>若遇到空位或已尝试所有哈希函数,则说明哈希表中不存在该元素;</li>
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</ol>
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<p>相比于「线性探测」,「多次哈希」方法更不容易产生聚集,代价是多个哈希函数增加了额外计算量。</p>
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<p>与线性探测相比,多次哈希方法不易产生聚集,但多个哈希函数会增加额外的计算量。</p>
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<div class="admonition note">
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<p class="admonition-title">工业界方案</p>
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<p>Java 采用「链式地址」。在 JDK 1.8 之后,HashMap 内数组长度大于 64 时,长度大于 8 的链表会被转化为「红黑树」,以提升查找性能。</p>
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<p>Python 采用「开放寻址」。字典 dict 使用伪随机数进行探测。 </p>
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<p>Golang 采用「链式地址」。Go 规定每个桶最多存储 8 个键值对,超出容量则连接一个溢出桶;当溢出桶过多时,会执行一次特殊的等量扩容操作,以保证性能。</p>
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<p class="admonition-title">哈希表设计方案</p>
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<p>Java 采用「链式地址」。自 JDK 1.8 以来,当 HashMap 内数组长度大于 64 且链表长度大于 8 时,链表会被转换为「红黑树」以提升查找性能。</p>
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<p>Python 采用「开放寻址」。字典 dict 使用伪随机数进行探测。</p>
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<p>Golang 采用「链式地址」。Go 规定每个桶最多存储 8 个键值对,超出容量则连接一个溢出桶;当溢出桶过多时,会执行一次特殊的等量扩容操作,以确保性能。</p>
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</div>
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@@ -1768,20 +1768,20 @@
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<h1 id="61">6.1. 哈希表<a class="headerlink" href="#61" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<p>哈希表通过建立「键 key」和「值 value」之间的映射,实现高效的元素查找。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 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 。</p>
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<p>例如,给定一个包含 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个学生的数据库,每个学生有“姓名 <code>name</code> ”和“学号 <code>id</code> ”两项数据,希望实现一个查询功能:<strong>输入一个学号,返回对应的姓名</strong>,则可以使用哈希表实现。</p>
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<p>哈希表通过建立「键 key」与「值 value」之间的映射,实现高效的元素查询。具体而言,我们向哈希表输入一个 key,则可以在 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间内获取对应的 value 。</p>
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<p>以一个包含 <span class="arithmatex">\(n\)</span> 个学生的数据库为例,每个学生都有“姓名 <code>name</code>”和“学号 <code>id</code>”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”,则可以采用哈希表来实现。</p>
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<p><img alt="哈希表的抽象表示" src="../hash_map.assets/hash_map.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 哈希表的抽象表示 </p>
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<h2 id="611">6.1.1. 哈希表效率<a class="headerlink" href="#611" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>除了哈希表之外,还可以使用以下数据结构来实现上述查询功能:</p>
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<p>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:</p>
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<ol>
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<li><strong>无序数组</strong>:每个元素为 <code>[学号, 姓名]</code> ;</li>
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<li><strong>有序数组</strong>:将 <code>1.</code> 中的数组按照学号从小到大排序;</li>
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<li><strong>链表</strong>:每个结点的值为 <code>[学号, 姓名]</code> ;</li>
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<li><strong>二叉搜索树</strong>:每个结点的值为 <code>[学号, 姓名]</code> ,根据学号大小来构建树;</li>
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</ol>
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<p>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 <a href="https://www.hello-algo.com/chapter_tree/binary_search_tree/">二叉搜索树章节</a>)。无论是查找元素、还是增删元素,哈希表的时间复杂度都是 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> ,全面胜出!</p>
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<p>各项操作的时间复杂度如下表所示(详解可见<a href="https://www.hello-algo.com/chapter_tree/binary_search_tree/">二叉搜索树章节</a>)。无论是查找元素还是增删元素,哈希表的时间复杂度都是 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span>,全面胜出!</p>
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<div class="center-table">
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<table>
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<thead>
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@@ -2149,15 +2149,15 @@
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</div>
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</div>
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<h2 id="613">6.1.3. 哈希函数<a class="headerlink" href="#613" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>哈希表的底层实现是数组,并且可能包含链表、二叉树(红黑树)等数据结构,以提升查询性能(下节会讨论)。</p>
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<p>首先考虑最简单的情况,<strong>仅用一个「数组」来实现哈希表</strong>。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。</p>
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<p>我们将键值对 key, value 包装成一个类 <code>Entry</code> ,并将所有 <code>Entry</code> 都放入数组中,那么每个 <code>Entry</code> 在数组中都有唯一的索引。而为了建立 key 和索引之间的映射关系,我们需要使用「哈希函数 Hash Function」。</p>
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<p>设哈希表的数组为 <code>buckets</code> ,哈希函数为 <code>f(x)</code> ,那么查询操作的步骤为:</p>
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<p>哈希表的底层实现为数组,同时可能包含链表、二叉树(红黑树)等数据结构,以提高查询性能(将在下节讨论)。</p>
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<p>首先考虑最简单的情况,<strong>仅使用一个数组来实现哈希表</strong>。通常,我们将数组中的每个空位称为「桶 Bucket」,用于存储键值对。</p>
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<p>我们将键值对 key, value 封装成一个类 <code>Entry</code> ,并将所有 <code>Entry</code> 放入数组中。这样,数组中的每个 <code>Entry</code> 都具有唯一的索引。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」。</p>
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<p>设哈希表的数组为 <code>buckets</code> ,哈希函数为 <code>f(x)</code> ,那么查询操作的步骤如下:</p>
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<ol>
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<li>输入 <code>key</code> ,通过哈希函数计算出索引 <code>index</code> ,即 <code>index = f(key)</code> ;</li>
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<li>通过索引在数组中访问到键值对 <code>entry</code> ,即 <code>entry = buckets[index]</code> ,并在 <code>entry</code> 中获取到 <code>value</code> 即可;</li>
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<li>通过索引在数组中访问到键值对 <code>entry</code> ,即 <code>entry = buckets[index]</code> ,然后从 <code>entry</code> 中获取对应的 <code>value</code> ;</li>
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</ol>
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<p>以上述学生数据 <code>key 学号 -> value 姓名</code> 为例,我们可以将「哈希函数」设计为</p>
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<p>以学生数据 <code>key 学号 -> value 姓名</code> 为例,我们可以设计如下哈希函数:</p>
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<div class="arithmatex">\[
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f(x) = x \% 100
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\]</div>
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@@ -3003,19 +3003,19 @@ f(x) = x \% 100
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</div>
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</div>
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<h2 id="614">6.1.4. 哈希冲突<a class="headerlink" href="#614" title="Permanent link">¶</a></h2>
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<p>细心的同学可能会发现,<strong>哈希函数 <span class="arithmatex">\(f(x) = x \% 100\)</span> 会在某些情况下失效</strong>。具体地,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 <span class="arithmatex">\(12836\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(20336\)</span> ,则有</p>
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<p>细心的你可能已经注意到,<strong>在某些情况下,哈希函数 <span class="arithmatex">\(f(x) = x % 100\)</span> 可能无法正常工作</strong>。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会相同,从而指向同一个 value 。例如,查询学号为 <span class="arithmatex">\(12836\)</span> 和 <span class="arithmatex">\(20336\)</span> 的两个学生时,我们得到:</p>
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<div class="arithmatex">\[
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f(12836) = f(20336) = 36
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\]</div>
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<p>两个学号指向了同一个姓名,这明显是不对的,我们将这种现象称为「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。</p>
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<p>这两个学号指向了同一个姓名,这显然是错误的。我们把这种情况称为「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。</p>
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<p><img alt="哈希冲突示例" src="../hash_map.assets/hash_collision.png" /></p>
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<p align="center"> Fig. 哈希冲突示例 </p>
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<p>综上所述,一个优秀的「哈希函数」应该具备以下特性:</p>
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<p>综上所述,一个优秀的哈希函数应具备以下特性:</p>
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<ul>
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<li>尽量少地发生哈希冲突;</li>
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<li>时间复杂度 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> ,计算尽可能高效;</li>
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<li>空间使用率高,即“键值对占用空间 / 哈希表总占用空间”尽可能大;</li>
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<li>尽可能减少哈希冲突的发生;</li>
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<li>查询效率高且稳定,能够在绝大多数情况下达到 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间复杂度;</li>
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<li>较高的空间利用率,即使“键值对占用空间 / 哈希表总占用空间”比例最大化;</li>
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</ul>
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@@ -1681,15 +1681,15 @@
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<h1 id="63">6.3. 小结<a class="headerlink" href="#63" title="Permanent link">¶</a></h1>
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<ul>
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<li>向哈希表中输入一个键 key ,查询到值 value 的时间复杂度为 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> ,非常高效。</li>
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<li>哈希表的常用操作包括查询、添加与删除键值对、遍历键值对等。</li>
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<li>哈希函数将 key 映射到桶(数组)索引,从而访问到对应的值 value 。</li>
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<li>两个不同的 key 经过哈希函数可能得到相同的桶索引,进而发生哈希冲突,导致查询错误。</li>
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<li>缓解哈希冲突的途径有两种:哈希表扩容、优化哈希表的表示方式。</li>
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<li>负载因子定义为哈希表中元素数量除以桶槽数量,体现哈希冲突的严重程度,常用作哈希表扩容的触发条件。与数组扩容的原理类似,哈希表扩容操作开销也很大。</li>
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<li>链式地址考虑将单个元素转化成一个链表,将所有冲突元素都存储在一个链表中,从而解决哈希冲突。链表过长会导致查询效率变低,可以通过把链表转化为 AVL 树或红黑树来解决。</li>
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<li>开放寻址通过多次探测来解决哈希冲突。线性探测使用固定步长,缺点是不能删除元素且容易产生聚集。多次哈希使用多个哈希函数进行探测,相对线性探测不容易产生聚集,代价是多个哈希函数增加了计算量。</li>
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<li>在工业界中,Java 的 HashMap 采用链式地址、Python 的 Dict 采用开放寻址。</li>
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<li>哈希表能够在 <span class="arithmatex">\(O(1)\)</span> 时间内将键 key 映射到值 value,效率非常高。</li>
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<li>常见的哈希表操作包括查询、添加与删除键值对、遍历键值对等。</li>
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<li>哈希函数将 key 映射为数组索引(桶),以便访问对应的值 value 。</li>
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<li>两个不同的 key 可能在经过哈希函数后得到相同的索引,导致查询结果出错,这种现象被称为哈希冲突。</li>
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<li>缓解哈希冲突的方法主要有扩容哈希表和优化哈希表的表示方法。</li>
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<li>负载因子定义为哈希表中元素数量除以桶数量,反映了哈希冲突的严重程度,常用作触发哈希表扩容的条件。与数组扩容类似,哈希表扩容操作也会产生较大的开销。</li>
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<li>链式地址通过将单个元素转化为链表,将所有冲突元素存储在同一个链表中,从而解决哈希冲突。然而,过长的链表会降低查询效率,可以通过将链表转换为 AVL 树或红黑树来改善。</li>
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<li>开放寻址通过多次探测来解决哈希冲突。线性探测使用固定步长,缺点是不能删除元素且容易产生聚集。多次哈希使用多个哈希函数进行探测,相对线性探测不易产生聚集,但多个哈希函数增加了计算量。</li>
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<li>不同编程语言采取了不同的哈希表实现策略。例如,Java 的 HashMap 使用链式地址,而 Python 的 Dict 采用开放寻址。</li>
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</ul>
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