数据结构和算法之哈希表(散列)的介绍和内存布局 |
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数据结构和算法之哈希表(散列)的介绍和内存布局
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散列表的基本介绍 散列表(Hash table,也叫哈希表)，是根据关键码值(key value)而直接进行访问的数据结构。也就是 说，它通过把关键码值映射到表中一个位置来访问记录，以加快查找的速度。这个映射函数叫做散列 函数，存放记录的数据叫做散列表。 在写了一段java程序，java程序要去操作数据库，然后数据库经过一番操作将结果返回给java程序， java程序拿到结果进行显示，数据一般是放在数据库的，但是这种结构有一个问题，它会对我们的数 据库的操作可能非常频繁，有些数据没必要每次都去查数据库，在某些情况下不需要，那在这种情况 下我们会加一个缓存层。一般来讲，我们提高我们的检索速度，一般就是把我们常用的数据加载到缓 存层，我们能够在缓存层取数据就不到数据库取数据，那么缓存层我们一般使用相关的缓存产品。 缓存产品：Redis Memcache 那我们除了缓存产品以外，也可以自己写一个缓存层，这个时候就要借助于数据结构哈希表来做。哈 希表从某个角度来说，它就是可以先把数据先加载到内存，加载到内存，把它放入到哈希表中，这样 再取数据的时候就无须在到数据库取，什么时候才到数据库取呢，如果在某些情况下使用缓存产品太 重量级了就可以自己写个哈希表，这个时候我们可以事先把数据先放到哈希表中，然后我们取数据的 时候先到哈希表中取，这样就可以提高我们的效率。 那么哈希表的结构有哪些呢？ 比如说我们常用的有： 数组+链表数组+二叉树(如果我们用的是二叉排序树，性能就能有所提升)不管是数组配合链表还是数组配合二叉树，其主要目的都是去提升我们数据的查找速度，为什么这么 做呢？因为如果我们每次都是直接查数据库，速度太慢了，而且对数据库压力太大，所以我们先把数 据放入哈希表，我程序先到哈希表去取，取不到再到数据库去取，然后把经常用的在加载到哈希表里 面就可以了，这样就提升了我们的速度。那如果一级缓存不够，我们可以再加一个缓存层，这样就形 成二级缓存了，二级缓存可以通过再哈希得到。这就是哈希表的由来。
那么哈希表在内存布局中的结构是怎么样的呢？下面这张图清晰的反映了它的结构： 从上图可以看出，这是一张表，也可以看成是一个数组，那这个数组它放的不再是普通数据，而是一 个链表，也就是说这个数组变成了链表数组，当我们去查找一个id的时候，我们可以先用散列函数来 得到我们这个信息会在这个表里面的哪一条链表，这样就直接在这条链表里面去查，从而提高速度。 打个比方，比如现在有15条链表，我们来一个值 111 % 15 ，我们就知道111 id号在哪条链表，我们 直接到这条链表去取，相当于说速度就提升了15倍。这样比我们单独使用链表要快，那整个数组+链 表就形成了一个所谓的散列表，也叫哈希表，这就是哈希表一个最基本的工作原理，也是它的内存布 局图。 实际需求：google公司的一个上机题 有一个公司，当有新的员工来报到时，要求将该员工的信息加入(id，性别，年龄，名字，住址…)当 输入该员工的id时，要求查找到该员工的所有信息 要求：不使用数据库，尽量节省内存，速度越快越好=>哈希表(散列) 添加时，保证按照id从低到高插入(思考：如果id不是从低到高插入，但要求各条链表仍是从低到高， 怎么解决？) (1) 使用链表来实现哈希表，该链表不带表头[即：链表的第一个节点就存放雇员信息] (2) 思路分析并画出示意图 (3) 代码实现[增删改查(显示所有员工，按id查询)] 代码实现： import java.util.Scanner; public class HashTableDemo { public static void main(String[] args) { // 创建哈希表 HashTable hashTab = new HashTable(7); // 写一个简单的菜单 String key = ""; Scanner scanner = new Scanner(System.in); while(true){ System.out.println("add: 添加雇员"); System.out.println("list: 显示雇员"); System.out.println("find: 查找雇员"); System.out.println("exit: 退出系统"); key = scanner.next(); switch (key){ case "add": System.out.println("输入id"); int id = scanner.nextInt(); System.out.println("输入名字"); String name = scanner.next(); // 创建雇员 Emp emp = new Emp(id, name); hashTab.add(emp); break; case "list": hashTab.list(); break; case "find": System.out.println("请输入要查找的id"); id = scanner.nextInt(); hashTab.findEmpById(id); break; case "exit": scanner.close(); System.exit(0); default: break; } } } } //创建HashTable 管理多条链表 class HashTable { private EmpLinkedList[] empLinkedListArray; private int size; // 表示有多少条链表 // 构造器 public HashTable(int size){ this.size = size; // 初始化EmplinkedListArray empLinkedListArray = new EmpLinkedList[size]; // 这时需要分别初始化每个链表 for (int i = 0; i < size; i++){ empLinkedListArray[i] = new EmpLinkedList(); } } // 添加雇员 public void add(Emp emp){ // 根据员工的id, 得到该员工应当添加哪条链表 int empLinkedListNO = hashFun(emp.id); // 将emp添加到对应的链表中 empLinkedListArray[empLinkedListNO].add(emp); } // 遍历所有的链表，遍历hashTab public void list(){ for (int i = 0; i < size; i++){ empLinkedListArray[i].list(i); } } // 根据输入的id，查找雇员 public void findEmpById(int id){ // 使用散列函数确定哪条链表查找 int empLinkedListNO = hashFun(id); Emp emp = empLinkedListArray[empLinkedListNO].findEmpById(id); if (emp != null){ // 找到 System.out.printf("在第%d条链表中找到 雇员id = %d\n", (empLinkedListNO + 1), id); }else{ System.out.println("在哈希表中，没有找到该雇员"); } } // 编写散列函数，使用一个简单取模法 public int hashFun(int id){ return id % size; } } // 表示一个雇员 class Emp{ public int id; public String name; public Emp next; //next 默认为 null public Emp(int id, String name) { this.id = id; this.name = name; } } // 创建EmpLinkedList, 表示链表 class EmpLinkedList { // 头指针，执行第一个Emp，因此我们这个链表的head是直接指向第一个Emp private Emp head; // 默认null // 添加雇员到链表 // 说明 // 1、指定，当添加雇员时， id是自增长，即id的分配总是从小到大 // 因此我们将该雇员直接加入到本链表的最后即可 public void add(Emp emp){ //如果是添加第一个雇员 if(head == null){ head = emp; return; } // 如果不是第一个雇员，则使用一个辅助的指针，帮助定位到最后 Emp curEmp = head; while(true){ if (curEmp.next == null){ // 说明到链表最后 break; } curEmp = curEmp.next; // 后移 } // 退出时直接将emp 加入链表 curEmp.next = emp; } // 遍历链表的雇员信息 public void list(int no){ if (head == null){ // 说明链表为空 System.out.println("第 "+(no+1)+" 链表为空"); return; } System.out.println("第 "+(no+1)+" 链表的信息为"); Emp curEmp = head; // 辅助指针 while(true){ System.out.printf(" => id=%d name=%s\t", curEmp.id, curEmp.name); if (curEmp.next == null){ // 说明curEmp已经是最后结点 break; } curEmp = curEmp.next; // 后移，遍历 } System.out.println(); } // 根据id查找雇员 // 如果查找到，就返回Emp, 如果没找到，就返回null public Emp findEmpById(int id){ // 判断链表是否为空 if (head == null){ System.out.println("链表为空"); return null; } // 辅助指针 Emp curEmp = head; while(true){ if (curEmp.id == id){ // 找到 break; // 这时curEmp就指向要查找的雇员 } // 退出 if (curEmp.next == null){ // 说明遍历当前链表没有找到该雇员 curEmp = null; break; } curEmp = curEmp.next; // 后移 } return curEmp; } } |
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