特殊的线性表存储结构--散列表(HashTable)
散列表用的是数组支持按照下标随机访问数据的特性,所以散列表其实就是数组的一种扩展,由数组烟花而来。可以说,如果没有数组,就没有散列表。
结构:
key:数据的键或者叫关键字;
value:存入数组中的数据;
散列函数:把键(key)转化为数组下标的映射方法;
散列值:通过散列函数计算得到的值;
散列函数
顾名思义,他就是一个函数,可以定义为hash(key),其中key表示元素的键值,hash(key)的值表示经过散列函数计算得到的散列值
设计一个散列函数的基本要求
-散列函数计算得到的散列值是一个非负整数;
-如果key1 = key2,那hash(key1) == hash(key2);
-如果key1 ≠ key2,那hash(key1) ≠ hash(key2);
散列冲突
再好的散列函数也无法避免散列冲突。常用的散列冲突解决方法有两类,开放寻址法和链表法
1、开放寻址法(如:ThreadLocalMap)
插入:当我们往散列表中插入数据时,如果某个数据经过散列函数散列后,存储位置已经被占用了,我们就从当前位置开始,依次往后查找,看是否有控线位置,直到找到为止。
查找:通过散列函数求出要查找元素的键值对应的散列值,然后比较数组中下标为散列值得元素和要查找的元素。如果相等,则说明就是我们要找的元素;否则就顺序往后一次查找。如果遍历到数组中的空闲位置,还没有找到,就说明要查找的元素并没有在散列表中。
删除:将删除的元素,特殊标记为deleted。当线性探测查找的时候,遇到标记为deleted的空间,并不是停下来而是继续往下探寻
优点:散列表中的数据都存储在数组中,可以有效的利用CPU缓存加快查询速度。而且,这种方法实现的散列表,序列化起来比较简单。
存在问题:当散列表中插入的数据越来越多时,散列冲突发生的可能性就会越来越大,空闲位置会越来越少,线性探测的时间就会越来越久。极端情况下,我们可能需要探测整个散列表,所以最坏情况下的时间复杂度为O(n)。同理在删除和查找时,也有可能会线性胎侧整张散列表,才能找到要查找或者删除的数据。
所以说当数据量比较小,装载因子小的时候,适合采用开放寻址法。这也是ThreadLocalMap使用开放寻址法解决散列冲突的原因。
2、链表法(如:LinkedHashMap)
链表法是一种更加常用的散列冲突解决办法。当插入的时候,只需要通过散列函数计算出对应的散列槽位,将其插入到对应链表中即可,所以插入的时间复杂度是O(1)。当查找、删除一个元素时,我们同样通过三连函数计算出对应的槽,然后遍历链表查找或者删除。
优点:链表法对内存的利用率比开放寻址法要高。因为链表结点可以在需要的时候再创建,并不需要像开放寻址法那样事先申请好。链表法比起开放寻址法,对大装载因子的容忍度更高。只要散列函数的值随机均匀,即便装载因子编程10,也就是链表的长度变长而已,虽然查找效率有所下降,但是比起顺序查找还是快很多。
存在问题:链表因为要存储指正,所以对于较小的对象的存储,是比较消耗内存的,还有可能会让内存的消耗翻倍。而且,因为链表中的结点是零散分布在内存中的,不是连续的,所以对CPU缓存是不友好的,这方面对于执行效率也有一定的影响。但如果我们存储的是大对象,指针的内存消耗就可以忽略了。
所以说基于链表的散列冲突处理方法比较适合存储大对象,大数据量的散列表,而且,比起开放寻址法,他更加灵活,支持更多的优化策略,比如用红黑树替代链表。
装载因子
当散列表中空闲位置不多的时候,散列冲突的概率就会大大提高。为了尽可能保证散列表的操作效率,一般情况下,我们会尽可能保证散列表中有一定比例的空闲槽位。我们用装载因子来表示空位的多少。
装载因子的计算公式是:
散列表的装载因子 = 填入表中的元素个数 / 散列表的长度
散列函数
是把键(key)转化为数组下标的映射方法,所以散列函数设计的好坏,决定了散列表冲突的概率大小,也直接决定了散列表的性能。
所以设计一个散列函数最好满足这两点:
-散列函数的设计不能太复杂:过于复杂的散列函数,势必会消耗很多计算时间,也就间接的影响到散列表的性能;
-散列函数生成的值要尽可能随机并且均匀分布:这样才能避免或者最小化散列冲突,而且即便出现冲突,散列到每个槽里的数据也会比较平均,不会出现某个槽内数据特别多的情况。