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哈希:高效数据存储与检索的关键

IT的世界 2024-05-24
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上期填坑

leetcode, 1046. 最后一块石头的重量
有一堆石头,每块石头的重量都是正整数。
每一回合,从中选出两块 最重的 石头,然后将它们一起粉碎。假设石头的重量分别为 x 和 y,且 x <= y。那么粉碎的可能结果如下:
如果 x == y,那么两块石头都会被完全粉碎;
如果 x != y,那么重量为 x 的石头将会完全粉碎,而重量为 y 的石头新重量为 y-x。
最后,最多只会剩下一块石头。返回此石头的重量。如果没有石头剩下,就返回 0。

class Solution {
    public int lastStoneWeight(int[] stones) {
        PriorityQueue<Integer> pq = new PriorityQueue<Integer>((a, b) -> b - a);//使用优先队列构建大顶堆
        for (int stone : stones) {
            pq.offer(stone);
        }

        while (pq.size() > 1) {//每次取最大的两个石头进行粉碎
            int a = pq.poll();
            int b = pq.poll();
            if (> b) {
                pq.offer(- b);
            }
        }
        return pq.isEmpty() ? 0 : pq.poll();
    }
}

hash的概念

哈希
又称为散列
,将任意长度
的输入值(key)通过哈希函数转换成固定长度
的输出值(value),该输出即是哈希值,通过该哈希值,可以快速存储和搜索数据
。 通过该定义可以看到hash的三个组成部分:

  1. 1. 输入值(key)
    :hash的输入,字符串或者整数;

  2. 2. 哈希函数
    :hash的关键,用于将key值通过不同算法映射到固定长度的hash值;

  3. 3. 哈希值
    :哈希函数的输出,也叫哈希索引,该索引指向的就是储存的数据。 三个组成部分的关系如下图所示:

哈希函数的特性

  1. 1. 一致性:相同的输入应该产生相同的哈希值。

  2. 2. 高效性:计算哈希值的速度应该足够快。

  3. 3. 离散性:哈希函数应该能将输入空间均匀地映射到输出空间,减少冲突。

  4. 4. 抗碰撞性:不同的输入应该尽可能地产生不同的哈希值,以减少冲突的概率。

hash冲突

从hash的定义可以发现一个问题:在同一个hash函数的情况,不同的key值可能映射到相同的hash值上,这就是所谓的hash冲突。hash冲突的多少也是检验函数好坏的标准
。 如下图,在hash函数为对hash表大小取模
的情况下,key值3
9
产生了冲突:

解决hash冲突常用的方法有开放寻址
链接法

  • • 链接法:使hash表的每个单元指向具有相同hash值的记录的链表。如图:

  • • 开放寻址:所有元素都存储在哈希表本身中。每个表条目包含一条记录或 null。查找元素时,逐个检查表槽,直到找到所需元素或者明确该元素不在表中。而在开放寻址中,产生冲突又有线性探测
    二次探测
    双重hash
    等方法,下图给出了线性探测和二次探测的比较:

hash的实现

下面给出了hash的简单Java代码示例:

public class MyHashTable<K, V> {
    private static final int DEFAULT_CAPACITY = 10;
    private LinkedList<Entry<K, V>>[] table;
    private int size;

    public MyHashTable() {
        table = new LinkedList[DEFAULT_CAPACITY];
        size = 0;
    }

    // 哈希函数:计算键的哈希值
    private int hash(K key) {
        return Math.abs(key.hashCode()) % table.length;
    }

    // 插入键值对
    public void put(K key, V value) {
        int index = hash(key);
        if (table[index] == null) {
            table[index] = new LinkedList<>();
        }
        for (Entry<K, V> entry : table[index]) {
            if (entry.key.equals(key)) {
                entry.value = value; // 更新值
                return;
            }
        }
        table[index].add(new Entry<>(key, value)); //链接法
        size++;
    }

    // 删除键值对
    public void remove(K key) {
        int index = hash(key);
        if (table[index] != null) {
            for (Entry<K, V> entry : table[index]) {
                if (entry.key.equals(key)) {
                    table[index].remove(entry);
                    size--;
                    return;
                }
            }
        }
    }

    // 获取键对应的值
    public V get(K key) {
        int index = hash(key);
        if (table[index] != null) {
            for (Entry<K, V> entry : table[index]) {
                if (entry.key.equals(key)) {
                    return entry.value;
                }
            }
        }
        return null;
    }

    // 获取哈希表大小
    public int size() {
        return size;
    }

    // 内部类,表示键值对
    private static class Entry<K, V> {
        K key;
        V value;

        public Entry(K key, V value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
    }
}

在hash实现中还需要考虑负载因子(负载因子=哈希表中的元素总数/哈希表的大小)
的存在,用来减少hash冲突,提高hash效率
,感兴趣可以自己实现看看。

hash的应用

  1. 1. 数据存储与查找
    :hash的快速的插入与查找
    特性,让其常用于缓存映射以快速访问数据。。Java中的HashMap
    HashSet
    就是基于哈希表实现的。

  2. 2. 数据安全与加密
    :我们熟知的SHA、CRC、MurmurHash、MD5等哈希函数,因其不可逆的特性
    而适用。

  3. 3. 数据校验与文件标志
    :hash输入的细微变动都会引起hash值的不同,数据敏感
    的特性使其适用。

  4. 4. 负载均衡
    数据分片
    数据库索引
    磁盘
    等都有hash的身影。

小试牛刀

leetcode, 888. 公平的糖果交换

爱丽丝和鲍勃拥有不同总数量的糖果。给你两个数组 aliceSizes 和 bobSizes ,aliceSizes[i] 是爱丽丝拥有的第 i 盒糖果中的糖果数量,bobSizes[j] 是鲍勃拥有的第 j 盒糖果中的糖果数量。
两人想要互相交换一盒糖果,这样在交换之后,他们就可以拥有相同总数量的糖果。
一个人拥有的糖果总数量是他们每盒糖果数量的总和。
返回一个整数数组 answer,其中 answer[0] 是爱丽丝必须交换的糖果盒中的糖果的数目,answer[1] 是鲍勃必须交换的糖果盒中的糖果的数目。
如果存在多个答案,你可以返回其中 任何一个 。题目测试用例保证存在与输入对应的答案。



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