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C語言手撕一個Hash表(HashTable)實(shí)例代碼

更新時(shí)間：2023年03月24日 14:15:46 作者：LyaJpunov

哈希表(HashTable)是一種非常重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),它可以在常量時(shí)間內(nèi)進(jìn)行插入、查找和刪除操作,下面這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于C語言手撕一個Hash表(HashTable)的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

什么是Hash Table

散列表用的是數(shù)組支持按照下標(biāo)隨機(jī)訪問數(shù)據(jù)的特性，所以散列表其實(shí)就是數(shù)組的一種擴(kuò)展，由數(shù)組演化而來?？梢哉f，如果沒有數(shù)組，就沒有散列表。

散列函數(shù)

散列函數(shù)是將我們想插入的節(jié)點(diǎn)散列成一個數(shù)值的函數(shù)。它是一個函數(shù)。我們可以把它定義成 hash(key)，要想找到一個不同的 key 對應(yīng)的散列值都不一樣的散列函數(shù)，幾乎是不可能的。即便像業(yè)界著名的MD5、SHA、CRC等哈希算法，也無法完全避免這種散列沖突。而且，因?yàn)閿?shù)組的存儲空間有限，也會加大散列沖突的概率。

所以我們幾乎無法找到一個完美的無沖突的散列函數(shù)，即便能找到，付出的時(shí)間成本、計(jì)算成本也是很大的，所以針對散列沖突問題，我們需要通過其他途徑來解決。

散列沖突

開放尋址法

開放尋址法的核心思想是，如果出現(xiàn)了散列沖突，我們就重新探測一個空閑位置，將其插入。那如何重新探測新的位置呢？我先講一個比較簡單的探測方法，線性探測（Linear Probing）。當(dāng)我們往散列表中插入數(shù)據(jù)時(shí)，如果某個數(shù)據(jù)經(jīng)過散列函數(shù)散列之后，存儲位置已經(jīng)被占用了，我們就從當(dāng)前位置開始，依次往后查找，看是否有空閑位置，直到找到為止。

鏈表法

鏈表法是一種更加常用的散列沖突解決辦法，相比開放尋址法，它要簡單很多。我們來看這個圖，在散列表中，每個“桶（bucket）”或者“槽（slot）”會對應(yīng)一條鏈表，所有散列值相同的元素我們都放到相同槽位對應(yīng)的鏈表中。

HashMap 底層采用鏈表法來解決沖突。即使負(fù)載因子和散列函數(shù)設(shè)計(jì)得再合理，也免不了會出現(xiàn)拉鏈過長的情況，一旦出現(xiàn)拉鏈過長，則會嚴(yán)重影響 HashMap 的性能。

于是，在 JDK1.8 版本中，為了對 HashMap 做進(jìn)一步優(yōu)化，我們引入了紅黑樹。而當(dāng)鏈表長度太長（默認(rèn)超過 8）時(shí)，鏈表就轉(zhuǎn)換為紅黑樹。我們可以利用紅黑樹快速增刪改查的特點(diǎn)，提高 HashMap 的性能。當(dāng)紅黑樹結(jié)點(diǎn)個數(shù)少于 8 個的時(shí)候，又會將紅黑樹轉(zhuǎn)化為鏈表。因?yàn)樵跀?shù)據(jù)量較小的情況下，紅黑樹要維護(hù)平衡，比起鏈表來，性能上的優(yōu)勢并不明顯。

裝載因子

裝載因子越大，說明散列表中的元素越多，空閑位置越少，散列沖突的概率就越大。不僅插入數(shù)據(jù)的過程要多次尋址或者拉很長的鏈，查找的過程也會因此變得很慢。

最大裝載因子默認(rèn)是 0.75，當(dāng) HashMap 中元素個數(shù)超過 0.75*capacity（capacity 表示散列表的容量）的時(shí)候，就會啟動擴(kuò)容，每次擴(kuò)容都會擴(kuò)容為原來的兩倍大小。

代碼

這里我們給出C語言的HashTable代碼，我們使用的是鏈表法，而且也沒有在鏈表過長的時(shí)候?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為紅黑樹，只是單純的鏈表。

#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;

// 定義哈希函數(shù)
unsigned int hash(int n) {
    return (unsigned int) n;
}

// 創(chuàng)建一個節(jié)點(diǎn)
Node *creatNode(int key, int val) {
    Node *node = (Node *) malloc(sizeof(Node));
    node->key = key;
    node->val = val;
    node->next = NULL;
    return node;
}

// 創(chuàng)建一個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;
}

// 擴(kuò)容，以2倍的形式擴(kuò)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;
}

// 插入某個結(jié)點(diǎn)
bool insert(HashMap *map, int key, int val) {
    int hash_key = hash(key) % map->size;
    // 要插入的哈希值未產(chǎn)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;
    }
	// 裝載因子過高就開始擴(kuò)容
    if (map->count / map->size > 0.75) extend(map);
    return true;
}

// 尋找某個結(jié)點(diǎn)
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;
}

// 刪除某個結(jié)點(diǎn)
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;
}