706、设计哈希映射

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方法一:暴力解法

class MyHashMap {
    int [] arr = new int[10000000];
    /** Initialize your data structure here. */
    //用空映射初始化对象
    public MyHashMap() {
        for(int i = 0; i<arr.length;i++){
            arr[i] = -1;
        }
    }
    
    /** value will always be non-negative. */
    //向HashMap插入一个键值对
    public void put(int key, int value) {
        arr[key] = value;
    }
    
    /** Returns the value to which the specified key is mapped, or -1 if this map contains no mapping for the key */
    //返回特定的key所映射的value;如果映射不包含key的映射,返回-1
    public int get(int key) {
        return arr[key];
    }
    
    /** Removes the mapping of the specified value key if this map contains a mapping for the key */
    //如果映射中存在key的映射,则移除key和它所对应的value
    public void remove(int key) {
        arr[key] = -1;
    }
}

/**
 * Your MyHashMap object will be instantiated and called as such:
 * MyHashMap obj = new MyHashMap();
 * obj.put(key,value);
 * int param_2 = obj.get(key);
 * obj.remove(key);
 */

方法二:哈希源码(不加红黑树)

class MyHashMap {
        Node[] hashArray;
        int size = 0;
        int used = 0;
        double factor = 0.75;//最多当前使用占用比例
        /** Initialize your data structure here. */
        public MyHashMap() {
            hashArray = new Node[(1<<4)];
            size = hashArray.length;
        }
        
        /** value will always be non-negative. */
        public void put(int key, int value) {
            //假设哈希效果不佳就rehash
            //加一个如果添加元素数量,超过当前数组大小的75%,则进行扩展
            if(size*0.75<used+1){
                expand();
            }
            int index = getIndex(key);//获取哈希出的索引值
            //当前位置没有元素,则直接添加成为头结点
            if(hashArray[index]==null){
                hashArray[index] = new Node(key,value);
                ++used;
            }else{
                //哈希重复则进行查找
                Node curr = hashArray[index];
                //看看先到达尾部还是先找到key
                while (curr.next!=null && curr.key!=key){
                    curr = curr.next;
                }
                //先找到key就赋值,先到达尾部就追加节点
                if(curr.key == key){
                    curr.value = value;
                }else{
                    curr.next = new Node(key,value);
                    ++used;
                }
    
            }
            
        }
    
        /** Returns the value to which the specified key is mapped, or -1 if this map contains no mapping for the key */
        public int get(int key) {
            //找不到就-1
            int index = getIndex(key);
            if(hashArray[index]==null){
                return -1;
            }
    
            //找到链表就遍历一次
            Node curr = hashArray[index];
            while(curr!=null && curr.key!=key){
                curr = curr.next;
            }
    
            return curr==null?-1:curr.value;
        }
        
        /** Removes the mapping of the specified value key if this map contains a mapping for the key */
        public void remove(int key) {
            int index = getIndex(key);
            //不存在就不用找了
            if(hashArray[index]==null)
                return;
            //存在且是头结点直接指向一个节点
            if(hashArray[index].key == key){
                hashArray[index] = hashArray[index].next;
                --used;
                return;
            }
            
            //遍历链表,查下一项是不是
            Node curr = hashArray[index];
            while(curr.next!=null && curr.next.key!=key){
                curr = curr.next;
            }
    
            //如果找到,那就没到尾部用前驱指向后继
            if(curr.next!=null){
                curr.next = curr.next.next;
                --used;
            }
           
        }
    
        private void expand(){
            //扩展为原来的两倍
            int newSize = size << 1;
            Node[] newArr = new Node[newSize];
            for(int i = 0; i < size; i++){
                if(hashArray[i]==null)
                    continue;
                //分高低位
                Node lowHead = new Node(0,0);
                Node highHead = new Node(0,0);
                Node low = lowHead;
                Node high = highHead;
                Node curr = hashArray[i];
                while(curr!=null){
                    //索引不变指向低位(自己试下就知道了)
                    if(i == getSizeIndex(curr.key,newSize)){
                        low.next = curr;
                        curr = curr.next;
                        low = low.next;
                        low.next = null;
                    }else{
                        //索引变指向高位size+i(自己试下就知道了)
                        high.next = curr;
                        curr = curr.next;
                        high = high.next;
                        high.next = null;
                    }
                }
                //高低位分别赋值
                newArr[size+i] = highHead.next;
                newArr[i] = lowHead.next;
            }
            //修改数组和总长
            hashArray = newArr;
            size = newSize;
        }
    
        private int getSizeIndex(int key, int size){
            //因为x&(n-1)的范围在0到n-1,所以不会溢出
            //但是如果数字较大,哈希总长较小的情况下,高位无法对哈希值产生影响,因此采用高16位右移的方式,增加高位对哈希结果影响
            //也就是扰动函数
            return (key^(key>>16))&(size-1);
        }
    
    
    
        private int getIndex(int key){
            //因为x&(n-1)的范围在0到n-1,所以不会溢出
            //但是如果数字较大,哈希总长较小的情况下,高位无法对哈希值产生影响,因此采用高16位右移的方式,增加高位对哈希结果影响
            //也就是扰动函数
            return (key^(key>>16))&(size-1);
        }
    
        class Node{
            int key;
            int value;
            Node next;
            public Node(int key, int value){
                this.key = key;
                this.value = value;
            }
    
            @Override
            public String toString() {
                String str = "["+key+","+value+"]";
                if(next!=null)
                    str +=","+next.toString();
                return str;
            }
        }
    
        @Override
        public String toString() {
            return Arrays.deepToString(hashArray);
        }
    }

方法三:分离链接+红黑树

class MyHashMap {
    private static class TreeNode {
        private int key;
        private int value;
        private boolean color;
        private TreeNode left;
        private TreeNode right;
        private TreeNode parent;

        private TreeNode(int key, int value) {
            this.key = key;
            this.value = value;
        }
    }

    private static final boolean RED = false;
    private static final boolean BLACK = true;
    private TreeNode[] hashtable = new TreeNode[1024];
    private int currentSize;

    public void put(int key, int value) {
        if (currentSize >= hashtable.length) {
            resize(); // 从结果来看,加载因子选 1.0 效率较高。
        }
        int index = key & (hashtable.length - 1);
        insert(index, new TreeNode(key, value));
    }

    public int get(int key) {
        int index = key & (hashtable.length - 1);
        TreeNode node = getNode(index, key);
        return node == null ? -1 : node.value;
    }

    public void remove(int key) {
        int index = key & (hashtable.length - 1);
        delete(index, key);
    }

    // 对哈希表进行扩容。
    private void resize() {
        TreeNode[] oldTable = hashtable;
        hashtable = new TreeNode[hashtable.length << 1];
        for (TreeNode root : oldTable) {
            postorderTraversal(root);
        }
        currentSize >>= 1;
    }

    // 获取指定位置上的指定结点。
    private TreeNode getNode(int index, int key) {
        TreeNode current = hashtable[index];
        while (current != null) {
            if (current.key == key) {
                break;
            }
            if (current.key < key) {
                current = current.right;
            } else {
                current = current.left;
            }
        }
        return current;
    }

    // 在指定位置上插入结点。
    private void insert(int index, TreeNode insert) {
        TreeNode current = hashtable[index], parent = null; // 分别保存当前结点及其父结点。
        while (current != null) {
            parent = current;
            if (current.key == insert.key) {
                current.value = insert.value;
                return;
            }
            if (current.key < insert.key) {
                current = current.right;
            } else {
                current = current.left;
            }
        }
        insert.parent = parent;
        if (parent == null) {
            hashtable[index] = insert;
        } else if (parent.key < insert.key) {
            parent.right = insert;
        } else {
            parent.left = insert;
        }
        currentSize++;
        fixAfterInsertion(index, insert);
    }

    // 删除指定位置上的指定结点。
    private void delete(int index, int key) {
        TreeNode delete = getNode(index, key);
        if (delete == null) {
            return;
        }
        if (delete.left != null && delete.right != null) {
            TreeNode successor = delete.right;
            while (successor.left != null) {
                successor = successor.left;
            }
            delete.key = successor.key;
            delete.value = successor.value;
            delete = successor;
        }
        TreeNode replacement = delete.left == null ? delete.right : delete.left;
        if (replacement == null) {
            fixAfterDeletion(index, delete);
            if (delete.parent == null) {
                hashtable[index] = null;
            } else if (delete.parent.left == delete) {
                delete.parent.left = null;
            } else {
                delete.parent.right = null;
            }
        } else { // 被删除的结点只有一个子结点,那它一定是黑色结点,且它的子结点为红色。
            replacement.parent = delete.parent;
            if (delete.parent == null) {
                hashtable[index] = replacement;
            } else if (delete.parent.left == delete) {
                delete.parent.left = replacement;
            } else {
                delete.parent.right = replacement;
            }
            replacement.color = BLACK;
        }
        currentSize--;
    }

    // 对插入后的结点进行调整。
    private void fixAfterInsertion(int index, TreeNode insert) {
        while (colorOf(insert.parent) == RED) { // 只有父结点是红色才进行处理。
            // 分别保存当前结点的父结点、叔父结点、祖父结点。
            TreeNode parent = insert.parent, uncle = sibling(parent), grand = parent.parent;
            grand.color = RED; // 不管是哪种情况,祖父结点都需要染成红色。
            if (colorOf(uncle) == BLACK) { // 叔父结点为黑色。
                if (grand.left == parent) {
                    if (parent.right == insert) {
                        rotationLeft(index, parent); // LR 情况:先对父结点进行左旋转。
                        parent = insert;
                    }
                    rotationRight(index, grand); // LL 情况:对祖父结点进行右旋转。
                } else {
                    if (parent.left == insert) {
                        rotationRight(index, parent); // RL 情况:先对父结点进行右旋转。
                        parent = insert;
                    }
                    rotationLeft(index, grand); // RR 情况:对祖父结点进行左旋转。
                }
                parent.color = BLACK; // 将旋转后的中心结点染成黑色。
                insert = hashtable[index]; // 处理完直接退出循环。
            } else { // 叔父结点为红色,则将父结点与叔父结点都染成黑色,将祖父结点作为新插入的结点继续处理。
                uncle.color = BLACK;
                parent.color = BLACK;
                insert = grand;
            }
        }
        hashtable[index].color = BLACK; // 根结点必须是黑色。
    }

    // 对删除后的结点进行调整。
    private void fixAfterDeletion(int index, TreeNode delete) {
        while (delete.parent != null && delete.color == BLACK) { // 只有删除的是黑色结点才进行处理。
            // 分别保存当前结点的父结点、兄弟结点。
            TreeNode parent = delete.parent, sibling = sibling(delete);
            if (sibling.color == BLACK) { // 兄弟结点是黑色。
                if (colorOf(sibling.left) == BLACK && colorOf(sibling.right) == BLACK) { // 兄弟结点没有红色子结点。
                    if (parent.color == BLACK) {
                        delete = parent;
                    }
                    parent.color = BLACK;
                    sibling.color = RED;
                } else { // 兄弟结点有红色子结点。
                    if (parent.left == sibling) {
                        if (colorOf(sibling.left) == BLACK) {
                            rotationLeft(index, sibling); // LR 情况:先对兄弟结点进行左旋转。
                            sibling = sibling.parent;
                        }
                        rotationRight(index, parent); // LL 情况:对父结点进行右旋转。
                    } else {
                        if (colorOf(sibling.right) == BLACK) {
                            rotationRight(index, sibling); // RL 情况:先对兄弟结点进行右旋转。
                            sibling = sibling.parent;
                        }
                        rotationLeft(index, parent); // RR 情况:对父结点进行左旋转。
                    }
                    sibling.color = parent.color; // 旋转后中心结点继承父结点的颜色。
                    sibling.left.color = BLACK;
                    sibling.right.color = BLACK;
                    delete = hashtable[index]; // 处理完直接退出循环。
                }
            } else { // 兄弟结点是红色。
                if (parent.left == sibling) {
                    rotationRight(index, parent);
                } else {
                    rotationLeft(index, parent);
                }
                parent.color = RED;
                sibling.color = BLACK;
            }
        }
    }

    // 获取指定结点的兄弟结点。
    private TreeNode sibling(TreeNode node) {
        if (node.parent.left == node) {
            return node.parent.right;
        }
        return node.parent.left;
    }

    // 对指定位置上的指定结点进行左旋转。
    private void rotationLeft(int index, TreeNode node) {
        TreeNode newRoot = node.right; // 结点的右子结点会成为这颗子树的根结点。
        node.right = newRoot.left;
        if (newRoot.left != null) {
            newRoot.left.parent = node;
        }
        newRoot.left = node;
        newRoot.parent = node.parent;
        if (node.parent == null) {
            hashtable[index] = newRoot;
        } else if (node.parent.left == node) {
            node.parent.left = newRoot;
        } else {
            node.parent.right = newRoot;
        }
        node.parent = newRoot;
    }

    // 对指定位置上的指定结点进行右旋转。
    private void rotationRight(int index, TreeNode node) {
        TreeNode newRoot = node.left; // 结点的左子结点会成为这颗子树的根结点。
        node.left = newRoot.right;
        if (newRoot.right != null) {
            newRoot.right.parent = node;
        }
        newRoot.right = node;
        newRoot.parent = node.parent;
        if (node.parent == null) {
            hashtable[index] = newRoot;
        } else if (node.parent.left == node) {
            node.parent.left = newRoot;
        } else {
            node.parent.right = newRoot;
        }
        node.parent = newRoot;
    }

    // 获取指定结点的颜色。
    private boolean colorOf(TreeNode node) {
        return node == null || node.color;
    }

    // 对结点进行后序遍历。
    private void postorderTraversal(TreeNode node) {
        if (node == null) {
            return;
        }
        postorderTraversal(node.left);
        postorderTraversal(node.right);
        node.left = node.right = node.parent = null;
        node.color = RED;
        int index = node.key & (hashtable.length - 1);
        insert(index, node);
    }
}
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