Hash 哈希表和算法思路详解

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概述

哈希表是一种可以满足快速查找数据结构，时间复杂度接近O(1)。
哈希函数是无限集到有限集的映射。
处理数据量大，查找效率要求高时推荐使用hash容器。
问题：
- 什么情况下考虑使用哈希容器？
- 常用的哈希思路有哪些？
- 评判哈希算法标准有哪些？
- 哈希冲突是如何产生的？如何解决？
- 如何构造一个hash算法？应注意哪些问题？

评判哈希算法标准

效率高。
映射分布均匀。

基础hash思路

直接寻址法：

取关键字key,使用线性函数 Hash(key) = a * key + b。

数字分析法：

在一个班级里，同龄学生很多。在取学生年龄作为key时，应避免以年份作为key组成部分。

平方取中法：

key取平方，截取中间的几位作为新的key。数学计算的性质乘积中间几位和乘数每一位都有关，充分混合key每一位对生成的哈希值的影响，使映射分布更均匀。

取余法：

Hash(key) = key % m

相乘取整法:

Hash(key) = floor(frac(key * A), m), 0<A<1

floor 取整，frac 取小数
此法避免像除余法中结果对m过于依赖。

随机数法

Hash(key) = rand(key)

据我所知C#的object采用此方法，使用元数据中的几位存hash值。

折叠法：

将关键字按固定长度分成几段然后相加。

如：Hash(1234,m = 2) = 46。
关键字较长时可以考虑使用此方法。

哈希冲突

产生原因

由于哈希函数是无限集到有限集的映射，换而言之，有限集的元素对应n个无限集的元素，哈希碰撞是不可避免的。

解决办法

开放地址法

当关键字key的哈希地址p=H（key）出现冲突时,递归调用p = Hi(p)直到没有冲突。

Hi=（H（key）+di)Hi=（H（key）+di) % m i=1,2,,3....,ni=1,2,,3....,n

H(key) 为哈希函数
m 为表长
di 为增量序列

根据增量序列di的不同，又分为：

线性探测：di = 1,2,3,......
二次探测: di = ±1^2， ±2^2，.......
随机探测: di = random(di，seed)
- random 为无状态的伪随机发生函数（所谓无状态，即无论多少次调用，random(a) = b不变）
- seed 一个确定不变的随机数种子

链式地址法

结构示意

pos1

pos2 -> val -> val

pos3 -> val

pos4

...

无限集映射到有限集，有限集的每个元素对应一个链表，链表存储无限集映射到有限集的n个元素。

再哈希法

Hi=RHi（key）i=1，2，…，k

递归调用哈希函数序列中的函数，直到没有冲突。

建立公共溢出区法

建立溢出链表，如发生哈希碰撞，则使用溢出链表。

哈希冲突解决方法优缺点分析

开放散列：链式地址法（桶链法）

优点:
- 添加删除方便，避免动态调整开销
- 桶链表内存动态分配，减少内存浪费
- 当哈希表size很大时，指针的性能消耗可以忽略
缺点：
- 动态分配内存，内存不紧凑，随机访问性差，序列化性能差。
- 对于预先知道所有元素，可以实现没有冲突的完美hash函数，此时效率会远低于封闭散列。

封闭散列：开放地址法，再哈希法 ...

优点：
- 内存紧凑，随机访问性能好，序列化性能好。
- 预先知道所有元素e，可以实现完美hash函数，此时效率远高于开放散列。
缺点：
- 所有条目数量不能超过数组的长度，扩容/收紧频繁，性能消耗大。
- 碰撞探测消耗性能。
- 当数组长度很大时，有内存浪费。

哈希算法进阶实例分析

这是取自lua5.4的

-- lua 5.4unsigned int luaS_hash (const char *str, size_t l, unsigned int seed, size_t step) { unsigned int h = seed ^ cast_uint(l); for (; l >= step; l -= step) h ^= ((h<<5) + (h>>2) + cast_byte(str[l - 1])); return h; }#define lmod(s,size) \ (check_exp((size&(size-1))==0, (cast_int((s) & ((size)-1)))))

(h << 5) + (h >> 2)

= (((h << 5) << 2) + ((h >> 2) << 2) >> 2)

= ((h << 7) + h) >> 2

= (129 * h) >> 2

和伪随机数生成算法一样，要让生成的数尽量随机--二进制数的每一个位取0或1的概率都是50%。
移位，异或运算充分混合每一位的影响，而加法运算引起多个位的反转，使hash值的每一个位更加不可预测，以接近不可逆的单向函数。
(h << 5) + (h >> 2) = (129 * h) >> 2。乘法可以被拆分为加法和移位的组合（即（h << 7）+h ），以混合哈希值。不过(h << 7 - h) = 127h 会更好些，127是梅森素数（2^n -1）。与线性同余算法（LCG）生成伪随机数一样，梅森素数127，只需一次移位运算和一次加法运算，且不会被分解，随机数分布更加均匀。
- 非素数会被分解成更小的素数的乘积，参与运算时容易被分解,上例中a和c可以提取公因数d，周期 = n = c/d。
a%b = a&(b-1) 当 b = 2^n 时等式成立，lua哈希表的长度保证符合等式成立的条件，lmod使用位运算代替取余运算，效率更高。
算法实际应用详情请参考我的文章
- 跳转链接 Lua5.4源码剖析：二. 详解String数据结构及操作算法