C++数据结构——哈希桶HashBucket

news2024/11/16 20:37:23

目录

一、前言

1.1 闭散列

1.2 开散列

1.3 string 与 非 string 

二、哈希桶的构成

2.1 哈希桶的节点

2.2 哈希桶类

三、 Insert 函数

3.1 无需扩容时

3.2 扩容

复用 Insert:

逐个插入:

优缺点比对:

第一种写法优点

第一种写法缺点

第二种写法优点

第二种写法缺点

3.3 完整代码

四、 Erase 函数

4.1 析构函数

4.2 Erase 函数

五、 Find 函数

六、完整代码 


一、前言

上一篇文章讲的哈希表,属于闭散列。可以解决哈希冲突有两种方式:闭散列和开散列。现在要学习的哈希桶就是开散列。

1.1 闭散列

闭散列:也叫开放定址法,当发生哈希冲突时,如果哈希表未被装满,说明在哈希表中必然还有
空位置,那么可以把key存放到冲突位置中的“下一个” 空位置中去。

1.2 开散列

开散列法又叫链地址法(开链法),首先对关键码集合用散列函数计算散列地址,具有相同地
址的关键码归于同一子集合,每一个子集合称为一个桶,各个桶中的元素通过一个单链表链
接起来,各链表的头结点存储在哈希表中。

下面则是即将学习的哈希桶的简易图:

类似于一个数组中存了若干个链表头,每个头所代表的链表成为一个桶。

1.3 string 与 非 string 

在上一篇博客的最后:哈希表HashTable-CSDN博客
探讨过当 Key 为负数、浮点数、字符串...时,类函数逻辑中有关 Key 取模的问题,当 Key 为负数、浮点数、字符、字符串时,显然这几个内置类型无法完成取模的操作,这时就用到了仿函数,这里不再多说,直接来看仿函数的代码,下面会直接使用仿函数来完成 HashBucket

template<class T>
class HashFunc<>
{
    size_t operator()(const T& Key)
    {
        return (size_t)Key;
    }
}
template<>
class HashFunc<string>
{
    size_t operator()(const string& Key)
    {
        size_t hash = 0;
        for (auto ch : Key)
        {
            hash *= 131;
            hash += ch;
        }
        return hash;
    }
}

二、哈希桶的构成

2.1 哈希桶的节点

由上图就可以看出来,每个结点必要存一个 pair 和一个指向下一个节点的指针 _next。

template<class K, class V>
struct HashNode
{
    pair<K, V> _kv;
    HashNode* _next;
}

2.2 哈希桶类

哈希桶类的构成和哈希表类似,都是一个由一个 vector 存放每个节点,但是这里与 HashTable 不同的是需要存放的是节点的指针。还有一个 _n 代表有效数据的个数:

template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class HashBucket
{
    typedef HashNode Node;
private:
    vector<Node*> _bucket;
    size_t _n;
};

三、 Insert 函数

3.1 无需扩容时

下面要介绍的是不需要扩容时的插入逻辑:

此时只需要使用 Key 模数组的大小来计算出该节点需要连接在 vector 上的位置,然后使用 new 得到储存 kv 的新节点,当 new 一个新节点时,节点的构造函数必不可少,下面先来看一下单个节点的构造函数以及类的构造函数:

template<class K, class V>
struct HashNode
{
	pair<K, V> _kv;
	HashNode* _next;
	HashNode(const pair<K, V>& kv):_kv(kv), _next(nullptr)
	{}
};
template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class HashBucket
{    
    typedef HashNode<K, V> Node;
    HashBucket()
    {
        _bucket.resize(10, nullptr);
        _n = 0;
    }
private:
    vector<Node*> _bucket;
    size_t _n;
}

此时需要思考的是,既然 vector 每个节点都要存放一个链表,那么链表头插还是尾插的效率更高呢?

显然是头插,所以这个新结点就需要以类似头插的方式添加到 vector 的这个位置上,

bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
    Hash hs;
    size_t index = hs(kv.first) % _bucket.size(); 
    Node* newnode = new Node(kv);
    newnode->_next = _bucket[index];
    _buckte[index] = newnode;
    ++_n;
    return true;
}

3.2 扩容

这里的载荷因子可以直接设为1,至于载荷因子是什么,可以查看上一篇博客哈希表HashTable-CSDN博客,在扩容中的何时扩容标题下,介绍了载荷因子的概念。

在扩容中,既可以使用 HashTable 中类似的写法直接复用 Insert ,也可以直接挨个让节点插入,下面先介绍每种方式,再进行优缺点的处理:

复用 Insert:

bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
    Hash hs;
    if (_n == _bucket.size())
    {
        HashBucket newHB = new HashBucket;
        newHB._bucket.resize(_bucket.size() * 2, nullptr);
        for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
        {
            Node* cur = _bucket[i];
            while(cur)
            {
                Node* next = cur->_next;  // 保存下一个节点指针
			    newHB.Insert(cur->_kv);   // 插入当前节点的键值对到新哈希表
				cur = next;               // 移动到下一个节点
            }
            _bucket[i] = nullptr;
        }
        _bucket.swap(newHB);
    }
}

逐个插入:

bool Insert(const pair<K, V>& kv)
{
    Hash hs;
	if (_n == _bucket.size())
	{
		vector<Node*> newBucket(_bucket.size() * 2, nullptr);
		for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
		{
			Node* cur = _bucket[i];
			while (cur)
			{
				Node* next = cur->_next;
				size_t index = hs(cur->_kv.first) % newBucket.size();
				cur->_next = newBucket[index];
				newBucket[index] = cur;
				cur = next;
			}
			_bucket[i] = nullptr;
		}
		_bucket.swap(newBucket);
	}
}

优缺点比对:

第一种写法优点
  1. 代码复用:通过调用 newHB.Insert(cur->_kv) 来重新插入节点,重用了 Insert 方法,减少了代码重复。
  2. 逻辑清晰:将旧节点迁移到新桶中,然后交换桶,逻辑分离清晰。
第一种写法缺点
  1. 性能:因为每次扩容时调用 Insert,可能会多次计算哈希值和处理冲突,性能可能稍差。
第二种写法优点
  1. 性能:直接处理节点迁移,无需调用 Insert 方法,减少了函数调用和重复计算,提高了性能。
  2. 直接操作:直接操作指针,代码简洁,性能高效。
第二种写法缺点
  1. 代码重复:需要手动处理节点迁移逻辑,代码重复。
  2. 复杂性:直接操作指针可能增加代码的复杂性,增加错误的可能性。

3.3 完整代码

    bool Insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		if (Find(kv.first)) return false;
		Hash hs;
		if (_n == _bucket.size())
		{
			HashBucket newHB;
			newHB._bucket.resize(_bucket.size() * 2, nullptr);
			for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
			{
				Node* cur = _bucket[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;  // 保存下一个节点指针
					newHB.Insert(cur->_kv);   // 插入当前节点的键值对到新哈希表
					cur = next;               // 移动到下一个节点
				}
				_bucket[i] = nullptr;
			}
			_bucket.swap(newHB._bucket);
		}
		size_t index = hs(kv.first) % _bucket.size();
		Node* newnode = new Node(kv);
		newnode->_next = _bucket[index];
		_bucket[index] = newnode;
		++_n;
		return true;
	}
    bool Insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		if (Find(kv.first)) return false;
		Hash hs;
		if (_n == _bucket.size())
		{
			vector<Node*> newBucket(_bucket.size() * 2, nullptr);
			for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
			{
				Node* cur = _bucket[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;

					size_t index = hs(cur->_kv.first) % newBucket.size();
					cur->_next = newBucket[index];
					newBucket[index] = cur;

					cur = next;
				}
				_bucket[i] = nullptr;
			}
			_bucket.swap(newBucket);
		}
		size_t index = hs(kv.first) % _bucket.size();
		Node* newnode = new Node(kv);
		newnode->_next = _bucket[index];
		_bucket[index] = newnode;
		++_n;
		return true;
	}

四、 Erase 函数

4.1 析构函数

根据 Insert 函数中,可以得知, HashBucket 的每个节点都是 new 出来的,那删除的时候就要使用 delete ,又因为每个节点都是自定义类型,所以要为 HashBucket 写一个析构函数。
对类的析构就是遍历 vector 的每个节点,再从每个节点遍历每个链表,以此遍历全部节点。

    ~HashBucket()
	{
		for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
		{
			Node* cur = _bucket[i];
			while (cur)
			{
				Node* next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = next;
			}
			_bucket[i] = nullptr;
		}
	}

4.2 Erase 函数

下面介绍一下Erase函数的步骤:

  1. 计算哈希值:使用哈希函数 hs 计算给定键 Key 的哈希值,并确定它在桶中的索引 index

  2. 遍历链表:从索引 index 开始,遍历链表中的每个节点。

  3. 查找节点:检查当前节点的键是否等于 Key

    • 如果找到匹配节点:
      • 如果该节点是链表的第一个节点,将桶的头指针 _bucket[index] 指向下一个节点。
      • 否则,将前一个节点的 _next 指针指向当前节点的下一个节点。
      • 删除当前节点 cur,释放内存。
      • 返回 true,表示删除成功。
    • 如果没有找到匹配节点,继续遍历链表,更新 prevcur
  4. 返回结果:如果遍历完整个链表未找到匹配节点,返回 false,表示删除失败。

    bool Erase(const K& Key)
	{
		Hash hs;
		size_t index = hs(Key) % _bucket.size();
		Node* cur = _bucket[index];
		Node* prev = nullptr;
		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first == Key)
			{
				//删除的是第一个节点
				if (prev == nullptr)
				{
					_bucket[index] = cur->_next;
				}
				else
				{
					prev->_next = cur->_next;
				}
				delete cur;
				return true;
			}
			else
			{
				prev = cur;
				cur = cur->_next;
			}
		}
		return false;
	}

五、 Find 函数

这里的 Find 函数与 HashTable 中的 Find 函数逻辑略有不同,因为这里如果发送哈希冲突,那么存储的位置还是 vector 中取模后的位置,不需要像 HashTable 那样进行线性探测,只需要取一个指针挨个遍历位于 _bucket[index] 链表上的节点即可。

    Node* Find(const K& Key)
	{
		if (_bucket.empty()) return nullptr;
		Hash hs;
		size_t index = hs(Key) % _bucket.size();
		Node* cur = _bucket[index];
		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first == Key)
				return cur;
			else cur = cur->_next;
		}
		return nullptr;
	}

写完 Find 后,还可以进一步改进 Insert 函数,在插入时可以先进行查找,如果存在,那就插入失败;如果不存在,再继续插入。这样避免了哈希桶中数据冗余的结果。

六、完整代码 

#pragma once
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>

using namespace std;

template<class K>
struct HashFunc
{
	size_t operator()(const K& Key)
	{
		return (size_t)Key;
	}
};

template<>
struct HashFunc<string>
{
	size_t operator()(const string& Key)
	{
		size_t hash = 0;
		for (auto ch : Key)
		{
			hash *= 131;
			hash += ch;
		}
		return hash;
	}
};

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

template<class K, class V, class Hash = HashFunc<K>>
class HashBucket
{
public:
	typedef HashNode<K, V> Node;
	HashBucket()
	{
		_bucket.resize(10, nullptr);
		_n = 0;
	}
	~HashBucket()
	{
		for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
		{
			Node* cur = _bucket[i];
			while (cur)
			{
				Node* next = cur->_next;
				delete cur;
				cur = next;
			}
			_bucket[i] = nullptr;
		}
	}
	bool Insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		if (Find(kv.first)) return false;
		Hash hs;
		if (_n == _bucket.size())
		{
			vector<Node*> newBucket(_bucket.size() * 2, nullptr);
			for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
			{
				Node* cur = _bucket[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;

					size_t index = hs(cur->_kv.first) % newBucket.size();
					cur->_next = newBucket[index];
					newBucket[index] = cur;

					cur = next;
				}
				_bucket[i] = nullptr;
			}
			_bucket.swap(newBucket);
		}
		size_t index = hs(kv.first) % _bucket.size();
		Node* newnode = new Node(kv);
		newnode->_next = _bucket[index];
		_bucket[index] = newnode;
		++_n;
		return true;
	}
	bool Insert(const pair<K, V>& kv)
	{
		if (Find(kv.first)) return false;
		Hash hs;
		if (_n == _bucket.size())
		{
			HashBucket newHB;
			newHB._bucket.resize(_bucket.size() * 2, nullptr);
			for (size_t i = 0; i < _bucket.size(); i++)
			{
				Node* cur = _bucket[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;  // 保存下一个节点指针
					newHB.Insert(cur->_kv);   // 插入当前节点的键值对到新哈希表
					cur = next;               // 移动到下一个节点
				}
				_bucket[i] = nullptr;
			}
			_bucket.swap(newHB._bucket);
		}
		size_t index = hs(kv.first) % _bucket.size();
		Node* newnode = new Node(kv);
		newnode->_next = _bucket[index];
		_bucket[index] = newnode;
		++_n;
		return true;
	}
	bool Erase(const K& Key)
	{
		Hash hs;
		size_t index = hs(Key) % _bucket.size();
		Node* cur = _bucket[index];
		Node* prev = nullptr;
		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first == Key)
			{
				//删除的是第一个节点
				if (prev == nullptr)
				{
					_bucket[index] = cur->_next;
				}
				else
				{
					prev->_next = cur->_next;
				}
				delete cur;
				return true;
			}
			else
			{
				prev = cur;
				cur = cur->_next;
			}
		}
		return false;
	}
	Node* Find(const K& Key)
	{
		if (_bucket.empty()) return nullptr;
		Hash hs;
		size_t index = hs(Key) % _bucket.size();
		Node* cur = _bucket[index];
		while (cur)
		{
			if (cur->_kv.first == Key)
				return cur;
			else cur = cur->_next;
		}
		return nullptr;
	}
private:
	vector<Node*> _bucket;
	size_t _n;
};
void TestHB1()
{
	int ret[] = {5, 15, 3, 12, 13, 31};
	HashBucket<int, int> hb;
	
	for (auto e : ret)
	{
		hb.Insert(make_pair(e, e));
	}
	cout << hb.Erase(0) << endl;
	cout << hb.Erase(5) << endl;
}
void TestHB2()
{
	HashBucket<string, int> hb;
	hb.Insert(make_pair("sort", 1));
	hb.Insert(make_pair("left", 1));
	hb.Insert(make_pair("insert", 1));

}

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