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基于拉鏈?zhǔn)胶途€(xiàn)性探測(cè)式散列表實(shí)現(xiàn)Map

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前言

前幾篇我們一起學(xué)習(xí)了基于數(shù)組、鏈表、二叉樹(shù)、紅黑樹(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)Map的操作，本篇我們將會(huì)一起來(lái)學(xué)習(xí)基于散列表來(lái)實(shí)現(xiàn)Map，這種方式對(duì)應(yīng)著java里面的HashMap，這也是使用最多的一種方式

散列表實(shí)現(xiàn)Map主要分為了兩個(gè)步驟:

基于散列函數(shù)將被查找鍵轉(zhuǎn)換為數(shù)組的下標(biāo)
處理散列值沖突的情況，有兩種方式來(lái)處理沖突：拉鏈?zhǔn)胶途€(xiàn)性探測(cè)

散列函數(shù)

實(shí)現(xiàn)散列表的第一步就是需要考慮如何把一個(gè)鍵轉(zhuǎn)換為數(shù)組的下標(biāo)，這時(shí)候就需要使用到散列函數(shù)，先把鍵值轉(zhuǎn)換成一個(gè)整數(shù)然后在使用除留余數(shù)法計(jì)算出數(shù)組的下標(biāo)。每種類(lèi)型的鍵我們都需要一個(gè)不同的散列函數(shù)。

在java中對(duì)于常用的數(shù)據(jù)類(lèi)型已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了hashCode，我們只需要根據(jù)hashCode的值使用除留余數(shù)法即可轉(zhuǎn)換成數(shù)組的下標(biāo)

java中的約定：如果兩個(gè)對(duì)象的equals相等，那么hashCode一定相同;如果hashCode相同，equals不一定相同。對(duì)于自定義類(lèi)型的鍵我們通常需要自定義實(shí)現(xiàn)hashCode和equals;默認(rèn)的hashCode返回的是對(duì)象的內(nèi)存地址，這種散列值不會(huì)太好。

下面我來(lái)看看Java中常用類(lèi)型的hashCode計(jì)算方式

Integer

由于hashCode需要返回的值就是一個(gè)int值，所以Integer的hashCode實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，直接返回當(dāng)前的value值

  
 
 
 
   
  
  
  @Override 
   
  
  
  public int hashCode() { 
   
  
  
      return Integer.hashCode(value); 
   
  
  
  } 
   
  
  
  public static int hashCode(int value) { 
   
  
  
      return value; 
   
  
  
  }

Long

Java中Long類(lèi)型的hashCode計(jì)算是先把值無(wú)符號(hào)右移32位，之后再與值相異或，保證每一位都用用到，最后強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成int值

  
 
 
 
   
  
  
  @Override 
   
  
  
  public int hashCode() { 
   
  
  
      return Long.hashCode(value); 
   
  
  
  } 
   
  
  
   
   
  
  
  public static int hashCode(long value) { 
   
  
  
      return (int)(value ^ (value >>> 32)); 
   
  
  
  }

Double、Float

浮點(diǎn)類(lèi)型的鍵java中hashCode的實(shí)現(xiàn)是將鍵表示為二進(jìn)制

  
 
 
 
   
  
  
  public static int hashCode(float value) { 
   
  
  
      return floatToIntBits(value); 
   
  
  
  } 
   
  
  
  public static int floatToIntBits(float value) { 
   
  
  
      int result = floatToRawIntBits(value); 
   
  
  
      // Check for NaN based on values of bit fields, maximum 
   
  
  
      // exponent and nonzero significand. 
   
  
  
      if ( ((result & FloatConsts.EXP_BIT_MASK) == 
   
  
  
            FloatConsts.EXP_BIT_MASK) && 
   
  
  
           (result & FloatConsts.SIGNIF_BIT_MASK) != 0) 
   
  
  
          result = 0x7fc00000; 
   
  
  
      return result; 
   
  
  
  }

String

java中每個(gè)char都可以表示成一個(gè)int值，所以字符串轉(zhuǎn)換成一個(gè)int值

  
 
 
 
   
  
  
  public int hashCode() { 
   
  
  
      int h = hash; 
   
  
  
      if (h == 0 && value.length > 0) { 
   
  
  
          char val[] = value; 
   
  
  
   
   
  
  
          for (int i = 0; i < value.length; i++) { 
   
  
  
              h = 31 * h + val[i]; 
   
  
  
          } 
   
  
  
          hash = h; 
   
  
  
      } 
   
  
  
      return h; 
   
  
  
  }

軟緩存

如果計(jì)算一個(gè)散列值比較耗時(shí)，那么我可以這個(gè)計(jì)算好的值緩存起來(lái)，即使用一個(gè)變量把這個(gè)值保存起來(lái)，在下一次調(diào)用時(shí)直接返回。Java中的String就是采用的這種方式。

拉鏈?zhǔn)降纳⒘斜?/h3>

散列函數(shù)能夠?qū)㈡I值轉(zhuǎn)換成數(shù)組的下標(biāo);第二步就是需要處理碰撞沖突，也就是需要處理遇到了兩個(gè)散列值相同的對(duì)象應(yīng)該如何存儲(chǔ)。有一種方式是數(shù)組中的每一個(gè)元素都指向一個(gè)鏈表用來(lái)存放散列值相同的對(duì)象，這種方式被稱(chēng)為拉鏈法

拉鏈法可以使用原始的鏈表保存鍵，也可以采用我們之前實(shí)現(xiàn)的紅黑樹(shù)來(lái)表示，在java8中采用的這兩種方式的混合，在節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)了8之后變?yōu)榧t黑樹(shù)。

這里我們就采用簡(jiǎn)單的鏈表來(lái)實(shí)現(xiàn)拉鏈?zhǔn)缴⒘斜恚瑪?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用在前幾篇中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的LinkedMap，可以參考前面的文章《基于數(shù)組或鏈表實(shí)現(xiàn)Map》。

  
 
 
 
   
  
  
  public class SeparateChainingHashMap implements Map { 
   
  
  
   
   
  
  
      private int size; 
   
  
  
      private LinkedMap[] table; 
   
  
  
   
   
  
  
      public SeparateChainingHashMap(int capacity) { 
   
  
  
          this.table = (LinkedMap[]) new LinkedMap[capacity]; 
   
  
  
          for (int i = 0; i < capacity; i++) { 
   
  
  
              this.table[i] = new LinkedMap<>(); 
   
  
  
          } 
   
  
  
      } 
   
  
  
   
   
  
  
      @Override 
   
  
  
      public void put(K key, V value) { 
   
  
  
          this.table[hash(key)].put(key, value); 
   
  
  
          size++; 
   
  
  
      } 
   
  
  
   
   
  
  
      private int hash(K key) { 
   
  
  
          return (key.hashCode() & 0x7fffffff) % table.length; 
   
  
  
      } 
   
  
  
   
   
  
  
      @Override 
   
  
  
      public V get(K key) { 
   
  
  
          return this.table[hash(key)].get(key); 
   
  
  
      } 
   
  
  
   
   
  
  
      @Override 
   
  
  
      public void delete(K key) { 
   
  
  
          this.table[hash(key)].delete(key); 
   
  
  
          size--; 
   
  
  
      } 
   
  
  
   
   
  
  
      @Override 
   
  
  
      public int size() { 
   
  
  
          return size; 
   
  
  
      } 
   
  
  
   
   
  
  
  }

這的hash函數(shù)使用key的hashCode與上0x7fffffff得到一個(gè)非負(fù)的整數(shù)，然后再使用除留余數(shù)法計(jì)算出數(shù)組的下標(biāo)。其中0x7FFFFFFF 的二進(jìn)制表示就是除了首位是 0，其余都是1，也就是說(shuō)，這是最大的整型數(shù) int(因?yàn)榈谝晃皇欠?hào)位，0 表示他是正數(shù)),可以使用Integer.MAX_VALUE代替

散列表的主要目的在于把鍵值均勻的分布到數(shù)組中，所以散列表是無(wú)序的，如果你需要的Map需要支持取出最大值，最小值，那么散列表都不適合。

這里我們實(shí)現(xiàn)的拉鏈?zhǔn)缴⒘斜淼臄?shù)組大小是固定的，但是通常在隨著數(shù)據(jù)量的增大，越短的數(shù)組出現(xiàn)碰撞的幾率會(huì)增大，所以需要數(shù)組支持動(dòng)態(tài)的擴(kuò)容，擴(kuò)容之后需要把原來(lái)的值重新插入到擴(kuò)容之后的數(shù)組中。數(shù)組的擴(kuò)容可以參考之前的文章《老哥是時(shí)候來(lái)復(fù)習(xí)下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法了》

線(xiàn)性探測(cè)式散列表

實(shí)現(xiàn)散列表的另一種方式就是用大小為M來(lái)保存N個(gè)鍵值，其中M>N;解決碰撞沖突就需要利用數(shù)組中的空位;這種方式中最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)就是線(xiàn)性探測(cè)。

線(xiàn)性探測(cè)的主要思路：當(dāng)插入一個(gè)鍵，發(fā)生碰撞沖突之后直接把索引加一來(lái)檢查下一個(gè)位置，這時(shí)候會(huì)出現(xiàn)三種情況:

下一個(gè)位置和待插入的鍵相等，那么值就修改值

下一個(gè)位置和待插入的鍵不相等，那么索引加一繼續(xù)查找

如果下一個(gè)位置還是一個(gè)空位，那么直接把待插入對(duì)象放入到這個(gè)空位

初始化

線(xiàn)性探測(cè)式散列表使用兩個(gè)數(shù)組來(lái)存放keys和values，capacity表示初始化數(shù)組的大小

  
 
 
 
   
  
  
  private int size; 
   
  
  
  private int capacity; 
   
  
  
  private K[] keys; 
   
  
  
  private V[] values; 
   
  
  
   
   
  
  
  public LinearProbingHashMap(int capacity) { 
   
  
  
      this.capacity = capacity; 
   
  
  
      this.keys = (K[]) new Object[capacity]; 
   
  
  
      this.values = (V[]) new Object[capacity]; 
   
  
  
  }

插入

當(dāng)插入鍵的位置超過(guò)了數(shù)組的大小，就需要回到數(shù)組的開(kāi)始位置繼續(xù)查找，直到找到一個(gè)位置為null的才結(jié)束;index = (index + 1) % capacity

當(dāng)數(shù)組已存放的容量超過(guò)了數(shù)組總?cè)萘康囊话?，就需要擴(kuò)容到原來(lái)的2倍

  
 
 
 
   
  
  
  @Override 
   
  
  
  public void put(K key, V value) { 
   
  
  
      if (Objects.isNull(key)) { 
   
  
  
          throw new IllegalArgumentException("Key can not null"); 
   
  
  
      } 
   
  
  
      if (this.size > this.capacity / 2) { 
   
  
  
          resize(2 * this.capacity); 
   
  
  
      } 
   
  
  
      int index; 
   
  
  
      for (index = hash(key); this.keys[index] != null; index = (index + 1) % capacity) { 
   
  
  
          if (this.keys[index].equals(key)) { 
   
  
  
              this.values[index] = value; 
   
  
  
              return; 
   
  
  
          } 
   
  
  
      } 
   
  
  
      this.keys[index] = key; 
   
  
  
      this.values[index] = value; 
   
  
  
      size++; 
   
  
  
  }

動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)組的大小

我們可以參考之前在文章《老哥是時(shí)候來(lái)復(fù)習(xí)下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法了》中實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)的大小;在線(xiàn)性探測(cè)中需要把原來(lái)的數(shù)據(jù)重新插入到擴(kuò)容之后的數(shù)據(jù)，因?yàn)閿?shù)組的大小變了需要重新計(jì)算索引的位置。

  
 
 
 
   
  
  
  private void resize(int cap) { 
   
  
  
      LinearProbingHashMap linearProbingHashMap = new LinearProbingHashMap<>(cap); 
   
  
  
      for (int i = 0; i < capacity; i++) { 
   
  
  
          linearProbingHashMap.put(keys[i], values[i]); 
   
  
  
      } 
   
  
  
      this.keys = linearProbingHashMap.keys; 
   
  
  
      this.values = linearProbingHashMap.values; 
   
  
  
      this.capacity = linearProbingHashMap.capacity; 
   
  
  
  }

查詢(xún)

線(xiàn)性探測(cè)散列表中實(shí)現(xiàn)查詢(xún)的思路：根據(jù)待查詢(xún)key的hash函數(shù)計(jì)算出索引的位置，然后開(kāi)始判斷當(dāng)前位置上的key是否和待查詢(xún)key相等，如果相等那么就直接返回value，如果不相等那么就繼續(xù)查找下一個(gè)索引直到遇到某個(gè)位置是null才結(jié)束，表示查詢(xún)的key不存在;

  
 
 
 
   
  
  
  @Override 
   
  
  
  public V get(K key) { 
   
  
  
      if (Objects.isNull(key)) { 
   
  
  
          throw new IllegalArgumentException("Key can not null"); 
   
  
  
      } 
   
  
  
      int index; 
   
  
  
      for (index = hash(key); this.keys[index] != null; index = (index + 1) % capacity) { 
   
  
  
          if (this.keys[index].equals(key)) { 
   
  
  
              return this.values[index]; 
   
  
  
          } 
   
  
  
      } 
   
  
  
      return null; 
   
  
  
  }

刪除元素

線(xiàn)性探測(cè)式的刪除稍微麻煩一些，首先需要查找出待刪除的元素位置，刪除元素之后需要把當(dāng)前索引之后的連續(xù)位置上的元素重新插入;因?yàn)槭欠裼锌瘴粚?duì)于線(xiàn)性探測(cè)式散列表的查找至關(guān)重要;例如：5->7->9，刪除了7之后，如果不重新插入7的位置就是空位，那么get方法將無(wú)法查詢(xún)到9這個(gè)元素;

每次刪除之后都需要檢測(cè)一次數(shù)組中實(shí)際元素的個(gè)數(shù)，如果與數(shù)組的容量相差較大，就可以進(jìn)行縮容操作;

  
 
 
 
   
  
  
  @Override 
   
  
  
  public void delete(K key) { 
   
  
  
      if (Objects.isNull(key)) { 
   
  
  
          throw new IllegalArgumentException("Key can not null"); 
   
  
  
      } 
   
  
  
      int index; 
   
  
  
      for (index = hash(key); this.keys[index] != null; index = (index + 1) % capacity) { 
   
  
  
          if (this.keys[index].equals(key)) { 
   
  
  
              this.keys[index] = null; 
   
  
  
              this.values[index] = null; 
   
  
  
              break; 
   
  
  
          } 
   
  
  
      } 
   
  
  
   
   
  
  
      for (index = (index + 1) % capacity; this.keys[index] != null; index = (index + 1) % capacity) { 
   
  
  
          this.size--; 
   
  
  
          this.put(this.keys[index], this.values[index]); 
   
  
  
          this.keys[index] = null; 
   
  
  
          this.values[index] = null; 
   
  
  
      } 
   
  
  
      this.size--; 
   
  
  
      if (size > 0 && size < capacity / 4) { 
   
  
  
          resize(capacity / 2); 
   
  
  
      } 
   
  
  
   
   
  
  
  }

文中所有源碼已放入到了github倉(cāng)庫(kù):https://github.com/silently9527/JavaCore

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前言

散列函數(shù)

Integer

Long

Double、Float

String

軟緩存

線(xiàn)性探測(cè)式散列表

其他資訊

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前言

散列函數(shù)

Integer

Long

Double、Float

String

軟緩存

線(xiàn)性探測(cè)式散列表

其他資訊

Double、Float