怎么使用C语言实现Hash表

本文讲解"如何使用C语言实现Hash表",希望能够解决相关问题。

什么是Hash Table

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,由数组演化而来。可以说,如果没有数组,就没有散列表。

散列函数

散列函数是将我们想插入的节点散列成一个数值的函数。它是一个函数。我们可以把它定义成 hash(key),要想找到一个不同的 key 对应的散列值都不一样的散列函数,几乎是不可能的。即便像业界著名的MD5、SHA、CRC等哈希算法,也无法完全避免这种散列冲突。而且,因为数组的存储空间有限,也会加大散列冲突的概率。

所以我们几乎无法找到一个完美的无冲突的散列函数,即便能找到,付出的时间成本、计算成本也是很大的,所以针对散列冲突问题,我们需要通过其他途径来解决。

散列冲突

开放寻址法

开放寻址法的核心思想是,如果出现了散列冲突,我们就重新探测一个空闲位置,将其插入。那如何重新探测新的位置呢?我先讲一个比较简单的探测方法,线性探测(Linear Probing)。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之后,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,看是否有空闲位置,直到找到为止。

链表法

链表法是一种更加常用的散列冲突解决办法,相比开放寻址法,它要简单很多。我们来看这个图,在散列表中,每个“桶(bucket)”或者“槽(slot)”会对应一条链表,所有散列值相同的元素我们都放到相同槽位对应的链表中。

HashMap 底层采用链表法来解决冲突。即使负载因子和散列函数设计得再合理,也免不了会出现拉链过长的情况,一旦出现拉链过长,则会严重影响 HashMap 的性能。

于是,在 JDK1.8 版本中,为了对 HashMap 做进一步优化,我们引入了红黑树。而当链表长度太长(默认超过 8)时,链表就转换为红黑树。我们可以利用红黑树快速增删改查的特点,提高 HashMap 的性能。当红黑树结点个数少于 8 个的时候,又会将红黑树转化为链表。因为在数据量较小的情况下,红黑树要维护平衡,比起链表来,性能上的优势并不明显。

装载因子

装载因子越大,说明散列表中的元素越多,空闲位置越少,散列冲突的概率就越大。不仅插入数据的过程要多次寻址或者拉很长的链,查找的过程也会因此变得很慢。

最大装载因子默认是 0.75,当 HashMap 中元素个数超过 0.75*capacity(capacity 表示散列表的容量)的时候,就会启动扩容,每次扩容都会扩容为原来的两倍大小。

代码

这里我们给出C语言的HashTable代码,我们使用的是链表法,而且也没有在链表过长的时候将其转化为红黑树,只是单纯的链表。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>

typedef struct Node {
    int key;
    int val;
    struct Node *next;
} Node;

typedef struct HashMap {
    int size;
    int count;
    struct Node **hashmap;
} HashMap;

// 定义哈希函数
unsigned int hash(int n) {
    return (unsigned int) n;
}

// 创建一个节点
Node *creatNode(int key, int val) {
    Node *node = (Node *) malloc(sizeof(Node));
    node->key = key;
    node->val = val;
    node->next = NULL;
    return node;
}

// 创建一个hash表
HashMap *createHashMap() {
    HashMap *H = (HashMap *) malloc(sizeof(HashMap));
    H->size = 8;
    H->count = 0;
    H->hashmap = (Node **) calloc(H->size, sizeof(Node *));
    return H;
}

// 扩容,以2倍的形式扩容
static void extend(HashMap *map) {
    int newsize = map->size * 2;
    Node **newhashmap = (Node **) calloc(newsize, sizeof(Node *));
    for (int i = 0; i < map->size; i++) {
        Node *node = map->hashmap[i];
        Node *head1 = (Node *) malloc(sizeof(Node));
        Node *head2 = (Node *) malloc(sizeof(Node));
        Node *temp1 = head1;
        Node *temp2 = head2;
        while (node) {
            if (hash(node->key) % newsize != i) {
                temp2->next = node;
                temp2 = temp2->next;
            } else {
                temp1->next = node;
                temp1 = temp1->next;
            }
            node = node->next;
        }
        temp1->next = NULL;
        temp2->next = NULL;
        newhashmap[i] = head1->next;
        newhashmap[i + map->size] = head2->next;
        free(head1);
        free(head2);
    }
    map->size = newsize;
    free(map->hashmap);
    map->hashmap = newhashmap;
}

// 插入某个结点
bool insert(HashMap *map, int key, int val) {
    int hash_key = hash(key) % map->size;
    // 要插入的哈希值未产生碰撞
    if (map->hashmap[hash_key] == NULL) {
        map->count++;
        map->hashmap[hash_key] = creatNode(key, val);
    } else {
        Node *head = map->hashmap[hash_key];
        if (head->key == key) return false;
        while (head->next && head->next->key != key) head = head->next;
        if (head->next == NULL) {
            map->count++;
            head->next = creatNode(key, val);
        } else if (head->next->key == key) return false;
    }
	// 装载因子过高就开始扩容
    if (map->count / map->size > 0.75) extend(map);
    return true;
}

// 寻找某个结点
bool find(HashMap *map, int key, int *v) {
    int hash_key = hash(key) % map->size;
    if (map->hashmap[hash_key] == NULL) {
        return false;
    } else {
        Node *head = map->hashmap[hash_key];
        if (head->key == key) {
            *v = head->val;
            return true;
        }
        while (head->next && head->next->key != key) head = head->next;
        if (head->next == NULL) return false;
        if (head->next->key == key) {
            *v = head->next->val;
            return true;
        }
    }
    return false;
}

// 删除某个结点
void delete(HashMap *map, int key) {
    int hash_key = hash(key) % map->size;
    if (map->hashmap[hash_key] == NULL) return;
    Node *head = map->hashmap[hash_key];
    if (head->key == key) {
        map->hashmap[hash_key] = head->next;
        map->count--;
        free(head);
        return;
    }
    while (head->next && head->next->key != key) head = head->next;
    if (head->next == NULL) return;
    if (head->next->key == key) {
        Node *temp = head->next;
        head->next = head->next->next;
        map->count--;
        free(temp);
    }
    return;
}


int main() {
    HashMap *H = createHashMap();
    for (int i = 0; i < 1024; i++) {
        insert(H, i, i);
    }
    printf("H size is %d\n",H->size);
    printf("H count is %d\n",H->count);
    delete(H, 0);
    int v = 0;
    if (find(H, 0, &v)) printf("%d\n", v);
    else printf("not find \n");
    if (find(H, 4, &v)) printf("%d\n", v);
    else printf("not find \n");
    return 0;
}

关于 "如何使用C语言实现Hash表" 就介绍到此。希望多多支持编程宝库

explicit关键字用于显式声明一个类构造函数是显式而非隐式的,从而禁用类构造函数的隐式自动类型转换。类构造函数默认情况下即声明为implicit(隐式)。explicit关键字仅能用于只有1个参数的 ...