STL-Hashtable

news2024/11/24 4:59:08

hashtable

hashtable是通过某种函数(hashFunc)使元素的存储位置与它的关键码之间能够建立一一映射的关系，这样在查找的时候就可以很快的找到该元素。

哈希函数

  1. 哈希函数的定义域必须包括需要存储的全部关键码，而如果散列表允许有m个地址时，其值域必须在0到m-1之间
  2. 哈希函数计算出来的地址能均匀分布在整个空间中

常见的哈希函数

  1. 直接定制法：取关键字的某个线性函数为散列地址：Hash（Key）= A*Key + B

    优点：简单、均匀 缺点：需要事先知道关键字的分布情况

    使用场景：适合查找比较小且连续的情况

  2. 除留余数法：设散列表中允许的地址数为m，取一个不大于m，但最接近或者等于m的质数p作为除数，按照哈希函数：Hash(key) = key% p(p<=m),将关键码转换成哈希地址

  3. 平方取中法：假设关键字为1234，对它平方就是1522756，抽取中间的3位227作为哈希地址； 再比如关键字为4321，对它平方就是18671041，抽取中间的3位671(或710)作为哈希地址 平方取中法比较适合：不知
    道关键字的分布，而位数又不是很大的情况

  4. 折叠法：折叠法是将关键字从左到右分割成位数相等的几部分(最后一部分位数可以短些)，然后将这几部分叠加求和，并按散列表表长，取后几位作为散列地址。折叠法适合事先不需要知道关键字的分布，适合关键字位数比较多的情况

  5. 随机数法：选择一个随机函数，取关键字的随机函数值为它的哈希地址，即H(key) = random(key),其中random为随机数函数。通常应用于关键字长度不等时采用此法

  6. 数学分析法：设有n个d位数，每一位可能有r种不同的符号，这r种不同的符号在各位上出现的频率不一定相同，可能在某些位上分布比较均匀，每种符号出现的机会均等，在某些位上分布不均匀只有某几种符号经常出
    现。可根据散列表的大小，选择其中各种符号分布均匀的若干位（很多不同的）作为散列地址。数字分析法通常适合处理关键字位数比较大的情况，如果事先知道关键字的分布且关键字的若干位分布较均匀的情况

哈希冲突

在哈希表中，不同的关键字值对应到同一个存储位置的现象。即当两个不同的对象通过哈希函数计算后得到相同的哈希值，这两个对象就被认为发生了哈希冲突。

解决哈希冲突有2种方式一种是闭散列，另一种是开散列。

闭散列

闭散列法不使用链表，而是直接在哈希表中为关键字寻找下一个空闲位置。当发生哈希冲突时，它会使用某种探测方法（如线性探测、二次探测、双重散列等）来寻找下一个空闲位置。

void conflict()
{
    size_t start = hf(kv.first) % _table.size();
	size_t index = start;
	size_t i = 0;
	while (_table[index]._status == EXIST)
	{
		i++;
		index = start + i;        //线性探测
		//index = start + i*i; //二次探测 

		//不段循环，不会越界
		index = index%_table.size();
	}

		_table[index]._kv = kv;
		_table[index]._status = EXIST;
		++_n;
}

性能特点

  1. 闭散列法节省了链表节点和指针的开销，因此空间效率较高
  2. 当哈希表的空间利用率较高时，容易发生数据“堆积”现象，导致查找效率降低。
  3. 如果空间效率要求高，且关键字分布均匀闭散列合适

闭散列模拟实现hashtable

namespace jt
{
    //位置的状态，删除的话标记状态就可以不用删除数据
    enum status
	{
		EMPTY,
		EXIST,
		DELETE
	};
    //节点
	template<class K, class V>
	struct HashDate
	{
		pair<K, V> _kv;
		status _status = EMPTY; //给缺省值，默认状态为空
	};
}

namespace jt
{
    //key是整数时,直接返回
	template<class K>
	struct Hash
	{
		//size_t 正数和负数映射的位置不一样
		size_t operator()(const K& key)
		{
			return key;
		}
	};
	//key为string类型时调用这个HashFunc
	//如果key为自定义类型再增加新的模板特化
	template<>
	struct Hash<string>
	{
		size_t operator()(const string& s)
		{
			size_t AsciiSum = 0;
			for (auto e : s)
			{
				AsciiSum *= 31; //解决字符的冲突--有科学依据
				AsciiSum += e;
			}
			return AsciiSum;
		}
	};
    
    template<class K, class V, class HashFunc = Hash<K>>
	class HashTable
	{
	public:
		HashDate<K, V>* find(const K& key)
		{
			if (_table.size() == 0)
				return nullptr;

			HashFunc hf;
			size_t start = hf(key) % _table.size();
			size_t index = start;
			size_t i = 0;
			while (_table[index]._status != EMPTY)
			{
				if (_table[index]._status == EXIST && _table[index]._kv.first == key)
				{
					return &_table[index];
				}
				i++;
				index = start + i; 

				//不段循环，不会越界
				index = index % _table.size();
			}

			//找不到
			return nullptr;
		}

		bool erase(const K& key)
		{
			HashDate<K, V> *ret = find(key);
			if (ret)
			{
				ret->_status = DELETE;
				--_n;
				return true;
			}
			else
			{
				return false;
			}
		}

		bool insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			HashDate<K, V>* ret = find(kv.first);
			if (ret)
			{
				return false; //存在就不能再插入
			}

			//第一次插入 / 载荷因子(填入表的个数/散列表长度)大于0.7 的时候 需要扩容
			if (_table.size() == 0 || _n * 10 % _table.size() >= 7)
			{
				//定义一个哈希重新映射元素位置
				HashTable<K, V> NewHT;
				size_t NewSize = _table.size() == 0 ? 10 : _table.size() * 2;
				NewHT._table.resize(NewSize);

				//按NewSize把原来数据插入回NewHT中
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
				{
					if (_table[i]._status == EXIST)
						NewHT.insert(_table[i]._kv);
				} 

				//旧的自动销毁,换上新的
				_table.swap(NewHT._table);
			}

			HashFunc hf;

			//处理冲突
			size_t start = hf(kv.first) % _table.size();
			size_t index = start;
			size_t i = 0;
			while (_table[index]._status == EXIST)
			{
				i++;
				index = start + i;        //线性探测
				//index = start + i*i; //二次探测 
				//不段循环，不会越界
				index = index%_table.size();
			}

			_table[index]._kv = kv;
			_table[index]._status = EXIST;
			++_n;

			return true;
		}
	private:
		vector<HashDate<K, V>> _table;
		size_t _n = 0; //有效数据个数
	};

}

开散列

开散列法使用链表来解决哈希冲突。当两个或多个关键字哈希到同一个位置（哈希桶）时，这些关键字会被放在该哈希桶对应的链表中。哈希表实际上存储的是指向这些链表的指针。

性能特点

  1. 开散列法可以有效避免数据“堆积”，因为每个哈希桶都可以动态地增长其链表长度。
  2. 插入和删除操作相对简单，因为它们只需要在相应的链表上进行操作，但是，由于需要额外的空间来存储链表节点和指针，所以空间开销较大。
  3. 当关键字分布不均匀，或者哈希表的大小不能预先确定时，开散列法是一个较好的选择，它也适用于那些需要频繁进行插入和删除操作的应用场景。

拉链法实现hashtable

namespace jt
{
    enum status
	{
		EMPTY,
		DELETE,
		EXIST
	};
    
	template<class K, class V>
	struct HashNode
	{
		HashNode<K, V>*  _next;  //节点的指针
		pair<K, V> _kv;

		HashNode(const pair<K, V>& kv)
			:_kv(kv)
			, _next(nullptr)
		{}
	};
}

namespace jt
{
    //key是整数时,直接返回
	template<class K>
	struct Hash
	{
		size_t operator()(const K& key)
		{
			return key;
		}
	};

	//key为string类型时调用这个Hash
	//如果为自定义类型再增加新的模板特化
	template<>
	struct Hash<string>
	{
		size_t operator()(const string& s)
		{
			size_t AsciiSum = 0;
			for (auto e : s)
			{
				AsciiSum *= 31; //让数据分布没那么集中
				AsciiSum += e;
			}
			return AsciiSum;
		}
	};
    
    template<class K, class V, class HashFunc = Hash<K>>
	class HashTable
	{
		typedef HashNode<K, V> Node;
	public:

		Node* find(const K& k)
		{
			if (_table.empty())
				return nullptr;
			HashFunc hf;
			size_t index = hf(k) % _table.size();
			Node*  cur = _table[index];
			//找同一条链上的
			while (cur)
			{
				if (cur->_kv.first == k)
					return cur;
				else
					cur = cur->_next;

			}
			return nullptr;
		}

		bool insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			Node* ret = find(kv.first);
			if (ret)  return false;
			HashFunc hf;
			//负载因子等于1的时候扩容
			//当一个桶超过一定的值会转化成红黑树
			if (_n == _table.size())
			{
				size_t newSize = _table.size() == 0 ? 10 : _table.size() * 2;
				vector<Node*> NewTable;
				NewTable.resize(newSize);

				//把原Hash遍历一遍把有的数据拷贝到新的Hash上
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
				{
					Node* cur = _table[i];
					while (cur)
					{
						Node* next = cur->_next;
						//算出新位置
						size_t index = hf(cur->_kv.first) % NewTable.size();
						//头插
						cur->_next = NewTable[index];
						NewTable[index] = cur;
						cur = next;
					}
					_table[i] = nullptr;
				}

				_table.swap(NewTable);
			}

			//头插法
			Node* newnode = new Node(kv);
			size_t index = hf(kv.first) % _table.size();
			newnode->_next = _table[index];
			_table[index] = newnode;

			_n++;
			return true;
		}

		bool erase(const K& k)
		{
			if (_table.empty())
				return false;
			HashFunc hf;
			size_t index = hf(k) % _table.size();
			Node* prev = nullptr;
			Node* cur = _table[index];
			while (cur)
			{
				if (cur->_kv.first == k)
				{
					//要删除第一个节点--头删
					if (prev == nullptr)
					{
						_table[index] = cur->_next;
					}
					else
					{
						prev->_next = cur->_next;
					}
					--_n;
					delete cur;
					return true;
				}
				//往桶下找
				else
				{
					prev = cur;
					cur = cur->_next;
				}
			}
			return false;
		}

	private:
		vector<Node*> _table;
		size_t _n = 0; //有效个数
    };
}

hashtable.h

节点

namespace LinkHash
{
    enum status
	{
		EMPTY,
		DELETE,
		EXIST

	};
	
	template<class T>
	struct HashNode
	{
		HashNode<T>* _next;
		T _data;

		HashNode(const T& data)
			:_data(data)
			, _next(nullptr)
		{}

	};
}

hashtable

namespace LinkHash
{
    template<class K,class T,class KeyOfT,class HashFunc>
	class HashTable
	{

		typedef HashNode<T> Node;
		template<class K,class T,class Ref,class Ptr,class KeyOfT,class HashFunc>
		friend struct __HTIterator;
	public:	
		typedef __HTIterator<K, T, T&, T*, KeyOfT, HashFunc> iterator;

		HashTable(){}

		HashTable(const HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>& ht)
		{
			_table.resize(ht._table.size());
			for (size_t i = 0; i < ht._table.size(); i++)
			{
				Node* cur = ht._table[i];
				while (cur)
				{
					Node* copy = new Node(cur->_data);
					copy->_next = _table[i]; //头插
					_table[i] = copy;
					cur = cur->_next;
				}
			}
		}

		~HashTable()
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				Node* cur = _table[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;
					delete cur;
					cur = next;
				}
				_table[i] = nullptr;
			}
		}
		HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>& operator=(const HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>& ht)
		{
			swap(_n, ht._n);
			_table.swap(ht._table);
			return *this;
		}

		iterator find(const K& k)
		{
			if (_table.empty())
				return iterator(nullptr, this);
			HashFunc hf;
			KeyOfT kot;
			size_t index = hf(k) % _table.size();
			Node*cur = _table[index];
			while (cur)
			{
				if (kot(cur->_data) == k)
					return iterator(cur, this);
				else
					cur = cur->_next;

			}
			return end();
		}

		pair<iterator, bool> insert(const T& date)
		{
			KeyOfT kot;
			iterator ret = find(kot(date));
			if (ret != end())
				return make_pair(ret, false);
			HashFunc hf;
			//负载因子等于1的时候扩容
			if (_n == _table.size())
			{
				size_t newSize = _table.size() == 0 ? 10 : _table.size() * 2;
				vector<Node*> NewTable;
				NewTable.resize(newSize);

				//把原Hash遍历一遍把有的数据拷贝到新的Hash上
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
				{
					Node* cur = _table[i];
					while (cur)
					{
						Node* next = cur->_next;
						size_t index = hf(kot(cur->_data)) % NewTable.size();

						cur->_next = NewTable[index];
						NewTable[index] = cur;
						cur = next;
					}
					_table[i] = nullptr;
				}
				
				_table.swap(NewTable);
			}	

			Node* newnode = new Node(date);
			//这里的计算如果冲突的话就头插到冲突位置
			//没用冲突的话就第一次插入
			size_t index = hf(kot(date)) % _table.size();
			newnode->_next = _table[index];
			_table[index] = newnode;			

			_n++;
			return make_pair(iterator(newnode, this), true);
		}

		bool erase(const K& k)
		{
			if (_table.empty())
				return false;
			HashFunc hf;
			size_t index = hf(k) % _table.size();
			Node*prev = nullptr;
			Node*cur = _table[index];
			while (cur)
			{
				//找到了 
				if (cur->_kv.first == k)
				{
					//头删
					if (prev == nullptr)
					{
						_table[index] = cur->_next;
					}
					else
					{
						prev->_next = cur->_next;
					}	
					--_n;
					delete cur;
					return true;
				}
				else
				{
					prev = cur;
					cur = cur->_next;
				}
			}
			return false;
		}
        
       
	    iterator begin()
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				if (_table[i])
				{
					return iterator(_table[i], this);
				}
			}
			return end();

		}

		iterator end()
		{
			return iterator(nullptr, this);
		}

	private:
		vector<Node*> _table;
		size_t _n = 0; //有效个数
	};

}

iterator

template<class K, class T, class KeyOfT, class HashFunc>
	class HashTable;

	//KeyOfT 来分    k/ pair
	//HashFunc来分   int /string /自定义类型
	template<class K, class T, class Ref, class Ptr, class KeyOfT, class HashFunc>
	struct  __HTIterator
	{
		typedef HashNode<T> Node;
		typedef __HTIterator<K, T, Ref, Ptr, KeyOfT, HashFunc> Self;	
		Node* _node;
		HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>* _pht;

		//节点的指针，hash表指针
		__HTIterator(Node* node, HashTable<K, T, KeyOfT, HashFunc>* pht)
			:_node(node)
			, _pht(pht)
		{}

		Ref operator*()
		{
			return _node->_data;
		}

		Ptr operator->()
		{
			return &_node->_data;
		}

		bool operator==(const Self& s)const
		{
			return _node == s._node;
		}

		bool operator!=(const Self& s)const
		{
			return _node != s._node;
		}
		
		Self& operator++()
		{
			//1.遍历同一条上的桶
			if (_node->_next)
			{
				_node = _node->_next;
			}
			else
			{
				//2.同一条都遍历完了
				KeyOfT kot;
				HashFunc hf;
				size_t index = hf(kot(_node->_data)) % _pht->_table.size();
				++index;

				//3.找下一个不为空的桶                
				while (index < _pht->_table.size())
				{
					if (_pht->_table[index])
					{
						break;
					}
					else
					{
						++index;
					}
				}
				
				//再判断一次是break出来的返回这个节点
				if (index == _pht->_table.size())
				{
					_node = nullptr;
				}
				else
				{
					_node = _pht->_table[index];
				}
			}
			return *this;
		}
	};

unordered_map/set

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  1. unordered_map是存储<key, value>键值对的关联式容器，其允许通过keys快速的索引到与其对应的value。
  2. 在unordered_map中，键值通常用于惟一地标识元素，而映射值是一个对象，其内容与此键关联。键和映射值的类型可能不同。
  3. 在内部unordered_map没有对<key, value>按照任何特定的顺序排序, 为了能在常数范围内找到key所对应的value，unordered_map将相同哈希值的键值对放在相同的桶中。
  4. unordered_map容器通过key访问单个元素要比map快，但它通常在遍历元素子集的范围迭代方面效率较低。
  5. unordered_maps实现了直接访问操作符(operator[])，它允许使用key作为参数直接访问value。
  6. 它的迭代器至少是前向迭代器。

image-20240512102657902

unordered_map/set封装hashtable

namespace jt
{
    template<class K, class hash = Hash<K>>
	class unordered_set
	{
		struct SetKeyOfT
		{
			const K& operator()(const K& key)
			{
				return key;
			}
		};
	public:
		typedef typename LinkHash::HashTable<K, K, SetKeyOfT, hash>::iterator iterator;
		iterator begin()
		{
			return _ht.begin();
		}

		iterator end()
		{
			return _ht.end();
		}

		pair<iterator, bool> insert(const K& key)
		{
			return _ht.insert(key);
		}
	private:
		LinkHash::HashTable<K, K, SetKeyOfT, hash> _ht;
	};
	
    
    template<class K, class V, class hash = Hash<K>>
	class unordered_map
	{
		struct MapKeyOfT
		{
			const K&operator()(const pair<K, V>& kv)
			{
				return kv.first;
			}
		};

	public:
		typedef typename LinkHash::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, hash>::iterator iterator;
        
		iterator begin()
		{
			return _ht.begin();
		}

		iterator end()
		{
			return _ht.end();
		}

		V& operator[](const K& key)
		{
			auto ret = _ht.insert(make_pair(key, V()));
			return ret.first->second;
		}

		pair<iterator, bool> insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			return _ht.insert(kv);
		}

	private:
		LinkHash::HashTable<K, pair<K, V>, MapKeyOfT, hash> _ht;
	};
}

哈希的应用

位图

位图（Bitset）是一种基于二进制位的数据结构，它通过二进制位的操作实现对大量数据的快速访问、修改和查询。

namespace jt
{
	template<size_t N>
	//所谓位图，就是用每一位来存放某种状态，适用于海量数据，数据无重复的场景。
	//比如 比特位： 0000 0000 
	//   真实数字： 1234 5678
	//通常是用来判断某个数据存不存在的
	class bitset
	{
	public:
		bitset()
		{
			_bit.resize(N / 8 + 1, 0); //char为8个字节 +1 开多一个char
		}

		//置为1
		void set(size_t x)
		{
			size_t i = x / 8; //算出在第几个char
			size_t j = x % 8; //算出在char的某个比特位
			_bit[i] |= (1 << j);
		}

		//值为0
		void reset(size_t x)
		{
			size_t i = x / 8;
			size_t j = x % 8;
			_bit[i] &= (~(1 << j)); //_bit[i] &= (0 << j)) error 将整个_bit[i]都清0了 
		}
		//看是0还是1
		bool test(size_t x)
		{
			size_t i = x / 8;
			size_t j = x % 8;
			return _bit[i] & (1 << j);
		}

	private:
		std::vector<char> _bit;
	};

}

位图的应用

  1. 快速查找某个数据是否在一个集合中：位图可以用来表示一个集合，集合中的每个元素对应位图中的一个或多个位。通过检查对应位的状态（0或1），可以快速判断该元素是否存在于集合中。这种方法在处理大量数据时特别有效，因为它仅需要很少的存储空间（每个元素只占用一个或多个位），并且查询速度非常快。
  2. 排序：位图法通常不直接用于排序，但它在某些特定的排序场景下可以发挥优势。例如，当数据集非常稠密（即大部分数据都存在于一个较小的范围内）时，可以使用位图来记录每个值是否出现过，然后按照位图的顺序输出出现过的值，从而达到排序的目的。这种方法对于内存消耗较少且速度较快，但仅适用于特定情况。
  3. 求两个集合的交集、并集等：对于两个集合，可以将其分别映射到两个位图中。求交集时，只需将两个位图进行按位与操作，结果为1的位表示该元素在两个集合中都存在；求并集时，只需将两个位图进行按位或操作，结果为1的位表示该元素至少在一个集合中存在。这种方法可以高效地计算两个集合的交集和并集。
  4. 操作系统中磁盘块标记：位图在操作系统中用于标记磁盘块的使用情况。每个磁盘块对应位图中的一个位，0表示该磁盘块为空闲状态，1表示该磁盘块已被分配并正在使用。通过检查位图中对应位的状态，操作系统可以快速找到空闲的磁盘块进行写入操作，从而实现对磁盘空间的高效管理。此外，位图还可以用于存储空间的分配和回收，确保磁盘空间得到合理利用。
//给定100亿个整数，设计算法找到只出现一次的整数
//用2个位图  出现一次为00  两次为01  两次及两次以上用10
//2个位图可以表示 2^2=4种状
template<size_t N>
class two_bitset
{
public:
	void set(size_t x)
	{
		//00--->01
		if (!_bit1.test(x) && !_bit2.test(x))
		{
			_bit2.set(x);
		}
		//01--->10
		else if (!_bit1.test(x) && _bit2.test(x))
		{
			_bit1.set(x);
			_bit2.reset(x);
		}
		//2个及2个以上的不处理
	}

	//找出只出现一次的数
	void PrintOnly()
	{
		for (size_t i = 0; i < N; i++)
		{
			if (!_bit1.test(i) && _bit2.test(i))
			{
				cout << i << endl;
			}
		}
	}
private:
	jt::bitset<N> _bit1;
	jt::bitset<N> _bit2;
};

void test_twobitset()
{
	two_bitset<100> tbs;
	int a[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 2, 3, 4, 5,1,10,12,99};
	for (auto e : a)
	{
		tbs.set(e);
	}
	tbs.PrintOnly();
}

布隆过滤器

布隆过滤器（Bloom Filter）是一种高效的空间利用型概率数据结构，用于快速判断一个元素是否存在于一个集合中。它的主要特点是查询速度快、空间占用小，但存在一定的误判率。布隆过滤器由布隆在1970年提出，并在许多领域得到了广泛应用，如网页URL去重、垃圾邮件判别、集合重复元素判别等。

布隆过滤器主要由两部分组成：一个二进制向量（位数组）和一系列随机映射函数（哈希函数）。位数组中的所有位都初始化为0。当需要插入一个元素时，该元素通过多个哈希函数映射到位数组中的多个位置，并将这些位置上的位设置为1。当需要查询一个元素是否存在于集合中时，同样使用这些哈希函数找到对应的位，并检查这些位是否都为1。如果所有位都为1，则认为该元素可能在集合中（有误判可能）；如果有任何一位为0，则确定该元素不在集合中。

哈希函数

//用多个哈希函数，将一个数据映射到位图结构中
//判断不在是准确的
struct	BKDRHash
{
	size_t operator()(const string& s)
	{
		// BKDR
		size_t value = 0;
		for (auto ch : s)
		{
			value *= 31;
			value += ch;
		}
		return value;
	}
};


struct APHash
{
	size_t operator()(const string& s)
	{
		size_t hash = 0;
		for (size_t i= 0; i < s.size(); i++)
		{
			if ((i & 1) == 0)
			{
				hash ^= ((hash << 7) ^ s[i] ^ (hash >> 3));
			}
			else
			{
				hash ^= (~((hash << 11) ^ s[i] ^ (hash >> 5)));
			}
		}
		return hash;
	}
};


struct DJBHash
{
	size_t operator()(const string& s)
	{
		size_t hash = 5381;
		for (auto ch : s)
		{
			hash += (hash << 5) + ch;
		}
		return hash;
	}
};

BloomFilter.h

//映射几个位置放多少个HashFunc1，我这里映射3个
template<size_t N, class K = string, class HashFunc1 = BKDRHash, class HashFunc2 = APHash,
class HashFunc3 = DJBHash>
class BloomFilter
{
public:
	void Set(const K& key)
	{
		size_t len = 4 * N;
		size_t index1 = HashFunc1()(key) % len;
		size_t index2 = HashFunc2()(key) % len;
		size_t index3 = HashFunc3()(key) % len;

		_bs.set(index1);
		_bs.set(index2);
		_bs.set(index3);

	}

	bool Test(const K& key)
	{
		size_t len = 4 * N;
		size_t index1 = HashFunc1()(key) % len;
		size_t index2 = HashFunc2()(key) % len;
		size_t index3 = HashFunc3()(key) % len;

		if (_bs.test(index1) == false)
			return false;

		if (_bs.test(index2) == false)
			return false;

		if (_bs.test(index3) == false)
			return false;

		return true;
	}
private:
	//封装个位图
	bitset<4 * N> _bs;
};
void TestBloomFilter()
{
	BloomFilter<100> bf;
	bf.Set("张三");
	bf.Set("李四");
	bf.Set("牛魔王");
	bf.Set("红孩儿");
	bf.Set("eat");


	cout << bf.Test("张三") << endl;
	cout << bf.Test("李四") << endl;
	cout << bf.Test("牛魔王") << endl;
	cout << bf.Test("红孩儿") << endl;	
	cout << bf.Test("孙悟空") << endl;
	cout << bf.Test("二郎神") << endl;
	cout << bf.Test("猪八戒") << endl;
	cout << bf.Test("ate") << endl;
}

布隆过滤器优缺点

优点：

  • 空间效率高：相比于传统的链表、树等数据结构，布隆过滤器在存储空间和查询时间上都有很大的优势。
  • 查询速度快：查询时间复杂度为O(k)，其中k为哈希函数的个数，通常较小。
  • 无需存储元素本身：在某些对保密要求较高的场合，布隆过滤器有很大的优势。
  • 支持交、并、差运算：使用同一组哈希函数的布隆过滤器可以方便地进行集合运算。

缺点

  • 误判率：布隆过滤器存在误判的可能性，即有可能将一个不存在的元素误认为在集合中。
  • 一般不支持删除操作：由于位数组被多个元素共享，删除某个元素会影响其他元素的判断结果。
  • 无法获取元素本身：布隆过滤器只能判断元素是否存在于集合中，无法获取元素本身的值。

海量数据处理

给一个超过100G大小的log file, log中存着IP地址, 设计算法找到出现次数最多的IP地址？ 如何找到top K的IP？如何直接用Linux系统命令实现？

将100G的大文件分成500份，根据同一个哈希函数HashFunc将ip映射到向对应的文件(每个文件的大小可以在内存中处理)中，相同的ip一定会被放在同一个文件中。找出出现次数最多的ip直接遍历500个小文件就可以。如果需要找出topk，则需要以每个小文件中出现次数最多的ip建成一个最小堆，从而确定topK

给两个文件，分别有100亿个整数，我们只有1G内存，如何找到两个文件交集？

2个文件用相同的hash函数映射到一个个小文件中，如果存在交集，那么2个文件相同的部分会映射到同一个小文件。求出相交小文件的个数就可以。

给两个文件，分别有100亿个query，我们只有1G内存，如何找到两个文件交集？分别给出精确算法和近似算法

精确算法：

分治策略

  1. 将每个大文件分割成多个小文件，使得每个小文件都可以装入内存。
  2. 读取第一个大文件的一个小文件到内存中，然后遍历第二个大文件的所有小文件，在内存中查找交集，并将结果写入到输出文件中。
  3. 重复上述步骤，直到第一个大文件的所有小文件都被处理。
  4. 交换两个大文件的角色，并重复上述过程，但这次使用第一个大文件的交集结果来过滤第二个大文件的小文件，以避免重复计算。

近似算法

  1. 读取第一个文件的所有query，并使用这些query来填充布隆过滤器。由于内存限制，布隆过滤器可能会有一些误报率（即，它可能会错误地认为一个不在集合中的元素在集合中）。
  2. 遍历第二个文件的所有query，并检查它们是否在布隆过滤器中。如果在，则它可能是交集中的一部分。

哈希与加密

哈希与加密在现代工程领域应用非常广泛，在计算机领域也发挥了很大作用，这里我们仅仅讨论在平常的软件开发中最常见的应用——数据保护。

所谓数据保护，是指在数据库被非法访问的情况下，保护敏感数据不被非法访问者直接获取。这是非常有现实意义的，试想一个公司的安保系统数据库服务器被入侵，入侵者获得了所有数据库数据的查看权限，如果管理员的口令（Password）被明文保存在数据库中，则入侵者可以进入安保系统，将整个公司的安保设施关闭，或者删除安保系统中所有的信息，这是非常严重的后果。

但是，如果口令经过良好的哈希或加密，使得入侵者无法获得口令明文，那么最多的损失只是被入侵者看到了数据库中的数据，而入侵者无法使用管理员身份进入安保系统作恶。

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