• 数据结构查找-散列查找(哈希查找)


    通常我们查找数据都是通过一个一个地比较来进行,有一种方法,要寻找的数据与其在数据集中的位置存在一种对应的关系,通过这种关系就能找到数据的位置。这个对应关系成为散列函数(哈希函数),因此建立的表为散列表(哈希表)。

    散列查找是关键字与在数据集中的位置一一对应,通过这种对应关系能快速地找到数据,散列查找中散列函数的构造和处理冲突的方法尤为重要

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    散列函数的构造

    构造哈希表的前提是要有哈希函数,并且这个函数尽可能地减小冲突

    (1)直接定址法

    可以取关键字的某个线性函数值为散列地址,即

    f(key) = a*key + b

    这样的哈希函数简单均匀,不会产生冲突,但问题是这需要事先知道关键字的分布情况,适合查找表较小且连续的情况。

    (2)数字分析法

    该方法在知道关键字的情况下,取关键字的尽量不重复的几位值组成散列地址。

    (3)平方取中法

    取关键字平方后的中间几位为散列地址

    (4)折叠法

    将关键字分为位数相等的几部分,最后一部分的位数可以不等,然后把这几部分的值(舍去进位)相加作为散列地址。

    (5)除留余数法

    该方法为最常用的构造哈希函数方法,对于散列表长为m的散列函数公式为

    f(key) = key mod p (p<=m)

    使用除留余数法的一个经验是,若散列表表长为m,通常p为小于或等于表长的最小质数或不包含小于20质因子的合数。

    实践证明,当p取小于散列表长的最大质数时,函数较好。

    (6)随机数法

    选择一个随机函数,取关键字的随机函数值作为散列地址。

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    处理冲突

    哈希函数的构造可能导致散列地址会产生冲突,通常处理冲突的方法有下面几种:

    (1)开发定址法

    一旦发生冲突,就去寻找下一个空的散列地址,只要散列表足够大,空的散列地址总能找到,并将记录存入,公式:

    fi(key) = (f(key)+di) mod m (di=1,2,3...m-1)

    用开放定址法解决冲突的做法是:当冲突发生时,使用某种探测技术在散列表中形成一个探测序列,沿此序列逐个单元地查找,直到找到给定的关键字,或者碰到一个开放的地址(该地址单元为空)为止(若要插入,在探查到开放的地址,则可将带插入的新节点存入该地址单元)。查找时探测到开放的地址则表明表中无待查的关键字,即查找失败。

    比如说,我们的关键字集合为{12,67,56,16,25,37,22,29,15,47,48,34},表长为12。 我们用散列函数f(key) = key mod l2。

    当计算前S个数{12,67,56,16,25}时,都是没有冲突的散列地址,直接存入:

    计算key = 37时,发现f(37) = 1,此时就与25所在的位置冲突。

    于是我们应用上面的公式f(37) = (f(37)+1) mod 12 = 2。于是将37存入下标为2的位置。这其实就是房子被人买了于是买下一间的作法:。

    接下来22,29,15,47都没有冲突,正常的存入:

    到了 key=48,我们计算得到f(48) = 0,与12所在的0位置冲突了,不要紧,我们f(48) = (f(48)+1) mod 12 = 1,此时又与25所在的位置冲突。于是f(48) = (f(48)+2) mod 12=2,还是冲突……一直到 f(48) = (f(48)+6) mod 12 = 6时,才有空位,机不可失,赶快存入:

    我们把这种解决冲突的开放定址法称为线性探测法

    二次探测法

    考虑深一步,如果发生这样的情况,当最后一个key=34,f(key)=10,与22所在的位置冲突,可是22后面没有空位置了,反而它的前面有一个空位置,尽管可以不断地求余数后得到结果,但效率很差。

    因此我们可以改进di = 12, -12, 22, -22,……, q2, -q2 (q <= m/2),这样就等于是可以双向寻找到可能的空位置。

    对于34来说,我们取di即可找到空位置了。另外增加平方运算的目的是为了不让关键字都聚集在某一块区域。我们称这种方法为二次探测法。

    fi(key) = (f(key)+di) MOD m (di = 12, -12, 22, -22,……, q2, -q2, q <= m/2)

    随机探测法

    还有一种方法,是在冲突时,对于位移量di采用随机函数计算得到,我们称之为随机探测法。

    此时一定会有人问,既然是随机,那么查找的时候不也随机生成吗?如何可以获得相同的地址呢?这是个问题。这里的随机其实是伪随机数。

    伪随机数是说,如果我们设置随机种子相同,则不断调用随机函数可以生成不会重复的数列,我们在査找时,用同样的随机种子,它每次得到的数列是相同的,相同的di当然可以得到相同的散列地址。

    fi(key) = (f(key)+di) MOD m (di是一个随机数列)

    总之,开放定址法只要在散列表未填满时,总是能找到不发生冲突的地址,是我们常用的解决冲突的办法。

    (2) 再哈希法

    再哈希法是当散列地址冲突时,用另外一个散列函数再计算一次,这种方法减少了冲突,但增加了计算的时间。

    (3) 链地址法

    前面我们谈到了散列冲突处理的开放定址法,它的思路就是一旦发生了冲突,就去寻找下一个空的散列地址。那么,有冲突就非要换地方吗?我们直接就在原地处理行不行呢?

    可以的,于是我们就有了链地址法。

    将所有关键字散列地址相同的记录存储在一个单链表中,我们称这种表为同义词子表,在散列表中只存储所有同义词子表的头指针。

    对于关键字集合{12,67,56,16,25,37, 22,29,15,47,48,34},我们用12为除数,进行除留余数法:

    此时,已经不存在什么冲突换址的问题,无论有多少个冲突,都只是在当前位置给单链表增加结点的问题。链地址法解决冲突的做法是:将所有关键字散列地址相同的结点链接在同一个单链表中。若选定的散列表长度为m,则可将散列表定义为一个由m个头指针组成的指针数组T[0..m-1]。凡是散列地址为i的结点,均插入到以T[i]为头指针的单链表中。T中各分量的初值均应为空指针。在拉链法中,装填因子α可以大于1,但一般均取α≤1。

    链地址法的优势是对于可能会造成很多冲突的散列函数来说,提供了绝不会出现找不到地址的保障。当然,这也就带来了査找时需要遍历单链表的性能损耗,不过性能损耗在很多场合下也不是什么大问题。

    (4) 建立公共溢出区

    这种方法的基本思想是:将散列表分为基本表和溢出表两部分,凡是和基本表发生冲突的元素,一律填入溢出表。

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