再谈哈希:Hash中的冲突消解机制以及拉链法

时间:2022-12-30 13:08:14

在之前的文章: 什么是哈希算法|散列函数|哈希函数?我们学习了哈希表和哈希函数(散列)的定义,在进行更进一步的解释前我们先复习一下相关概念:

散列表(Hash table,也叫哈希表),是根据关键码值(Key value)而直接进行访问的数据结构。也就是说,它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录,以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列函数,存放记录的数组叫做散列表。

给定表M,存在函数f(key),对任意给定的关键字值key,代入函数后若能得到包含该关键字的记录在表中的地址,则称表M为哈希(Hash)表,函数f(key)为哈希(Hash) 函数。

键(key):又称为关键字。唯一的标示要存储的数据,可以是数据本身或者数据的一部分。槽(slot/bucket):哈希表中用于保存数据的一个单元,也就是数据真正存放的容器。哈希函数(hash function):将键(key)映射(map)到数据应该存放的槽(slot)所在位置的函数。哈希冲突(hash collision):哈希函数将两个不同的键映射到同一个索引的情况。

Hash的冲突有两种解决方案,第一种叫做内消解机制,第二种是外消解机制。那么什么是内,什么是外呢?我的理解是,内消解机制代表了在hash函数映射时就将冲突发生的可能隔绝掉了,也就是如果两个f(key)相同后,映射终止,并在内部消解掉这种冲突,最后再重新映射。相应的,外消解就很好理解了:当冲突发生后,直接记录冲突的f(key)并且利用特殊的结构化处理,将冲突在存放区消解掉。我们先来看看内消解机制:


一、内消解

内消解机制主要是用开地址法(开放一个新地址的意思)实现,具体分为两种方法,我们把它们叫做“探查”(Probing)

Closed Hashing 开地址法 (Open Addressing)

名词解释:叫Closed,是因为哈希冲突后,并不会在本身之外开拓新的空间,而是继续顺延下去某个位置来存放,所以是一个密闭的空间,所以叫“Closed”,至于开地址(Open Addressing),这个应该相对于那种通过链表来开拓新空间,它是在本身地址上,另外找个位置。所以叫开地址。

1. 线性探查

 定义:通过散列函数hash(key),找到关键字key在线性序列中的位置,如果当前位置已经有了一个关键字,就长生了哈希冲突,就往后探测i个位置(i小于线性序列的大小),直到当前位置没有关键字存在。

直观理解就是,遇见冲突的地址,就再加一个常数,0不行加1,1不行加2,...一直到找到一个不冲突的地址,或者地址溢出。这个方法很好理解,下面的图摘自算法教材。我想另外谈谈开地址法中线性探查的优点和缺点。

优点:第一,计算简单,开销少。第二,直白,易于实现,最后还有个优点就是对于稀疏的地址序列,线性探查能保证散列后地址的分布不会太分散。

缺点:最坏的情况就是前面所有的线性位置都被占用了,这个时候往后加地址的效率就很低了,而且很容易溢出


再谈哈希:Hash中的冲突消解机制以及拉链法


2. 双散列探查

再哈希法又叫双哈希法,有多个不同的Hash函数,当发生冲突时,使用第二个,第三个,….,等哈希函数。具体实现取决于散列函数,但思想并不复杂,如果对线性同余发生器熟悉的朋友也许很容易理解双散列的涵义,但不理解也没关系,因为这种方法用的不多。

与线性探查比较,其基本策略相同,唯一不同是:它不是检查冲突位置后的每一个位置,而是采用另一个散列函数产生一个固定的增量。(跳跃式检查和插入)。第二个散列函数要仔细选择,需满足条件 
(1)排除散列值是0的情况 
(2)产生的散列值必须与表长M互素 

一句话评价双散列探查法,就是计算地址,直到无冲突。虽然不易发生聚集,但是增加了计算时间。这是典型的用时间换空间,当然效率还不错就是了。

二、外消解

外消解的第一个方法是建立公共溢出区:,这种方法的基本思想是:将哈希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。

溢出表可以用不同的数据结构实现,一般来说还是取决于原有地址的保存方式。这种方法也是简单直白,问题是太浪费空间,以及如何处理溢出表的空间分配。实际使用中我们普遍使用下面的这种方法,叫做桶散列,俗称拉链法。


Open Hashing 拉链法

名词解释:叫拉链,是因为哈希冲突后,用链表去延展来解决。

 再谈哈希:Hash中的冲突消解机制以及拉链法

         
这个图中 h(x) = x mod 10 ;是一个哈希函数,可见代入 x=91x=1的时候都会到映射到键值为1的slot,那么这样就会引发冲突,在拉链法中,用链表延展去存储同键值的数据。

优点
  • 拉链法处理冲突简单,且无堆积现象,即非同义词决不会发生冲突,因此平均查找长度较短;
  • 在用拉链法构造的散列表中,删除结点的操作易于实现

缺点

  • 在对链表进行存储空间分配的时候,会降低整个程序的运行速率

三、如何选择

  • 线性探测是三者中最快的(前提是内存足够大保证表稀疏)
  • 双重散列法使用内存最高效(需要额外开销计算第二个散列值)
  • 链地址法易于实现(假设已经存在好的内存分配),特别对于删除操作;对于固定表长通常选择链地址法。


使用内消解时:选择线性探测还是双重散列主要取决于:计算散列函数的开销和装填因子。αα较小,两者均可;长关键字计算散列函数开销大;装填因子αα接近于1,双重散列性能大于线性探测。 

使用外消解时:链地址法需要额外的内存空间存储链接,但是有一些符号表中已经事先分配好了链接字段的元素。虽然不如开放地址法快,但性能仍然比顺序搜索快的多。 当以搜索为主且关键字数目不能精确预测时,动态散列表是可选的。



参考文章:

[1]  哈希算法解决冲突的方法

[2]《数据结构与算法:Python语言描述》

[3]《离散数学及其应用》