跳到主要内容哈希表实现原理与代码详解 | 极客日志C++算法
哈希表实现原理与代码详解
哈希表的基本概念、哈希函数设计、负载因子及冲突解决方法。详细讲解了直接定址法、除法散列法、乘法散列法等哈希策略，并对比了开放地址法（线性探测）与链地址法的优劣。通过 C++ 模板代码演示了哈希表的完整实现，包括节点状态管理、扩容机制（素数表）、仿函数处理不同 Key 类型以及删除操作的逻辑。
黑客3 浏览 1. 哈希概念
哈希（hash）又称散列，是一种组织数据的方式。从译名来看有散乱排列的意思，其本质是通过哈希函数将关键字 key 值与存储位置建立映射关系，查找时通过哈希函数计算出 key 值的位置，实现快速查找。
1.1 直接定址法
当关键字 key 值比较集中时，直接定址法是最简单也是最有效的方法。比如一组数据集中在 [0 - 99]，我们开一组大小为 100 的数组即可，数据直接作为下标来定位存储位置。再比如一组数据集中在 [a - z]，我们开一个大小为 26 的数组即可，让数据减去字符'a'的结果来定位存储位置。
例题：387. 字符串中的第一个唯一字符 - 力扣
class Solution {
public:
int firstUniqChar(string s) {
int arr[26]={0};
for(auto e: s) {
arr[e-'a']++;
}
for (int i = 0; i < s.size(); i++) {
if (arr[s[i] - 'a'] == 1) {
return i;
}
}
return -1;
}
};
1.2 哈希冲突
直接定址法适用于数据比较集中的情况，当数据过于分散时这意味着我们将会开一个过大的数组来存储，而这会极大的浪费内存空间，不可取。
所以当面对这种情况的时候，我们会使用哈希函数 h(key)，通过哈希函数对关键字 key 值在存储空间的映射，来定位 key 值的存储位置。而这里存在一个问题：不同的值通过哈希函数的映射后的位置可能相同，这就会导致哈希冲突（哈希碰撞）。我们可以通过设计一个好的哈希函数来减少哈希冲突，但是在实际情况下，哈希冲突是不可避免的。
1.3 负载因子
假设存储空间的大小为 M，已经放入存储空间的数据个数是 N，那么负载因子就是：N/M。负载因子也称载荷因子。负载因子越大，哈希冲突概率越大，空间利用率越高。负载因子越小，哈希冲突概率越小，空间利用率越低。
1.4 哈希函数
1.4.1 除法散列法/除留余数法
顾名思义就是通过取余，其余值就是映射的存储位置。假设存储空间的大小为 M，关键字为 key，哈希函数 h(key)=key%M。
使用除法散列法时，对 M 有一个要求：要求 M 不能为 2 的幂、10 的幂。假设 M 为 2^3，这相当于直接保留了 2 进制中的后 3 位，那么只要 key 值的后 3 位相同那么就一定冲突，例如：3，11，19，27......，它们二进制的后三位都是 011，所以它们同时取余 M 都等于 3。所以当 M 为 2 的幂时会导致很高的冲突概率，不可取。同理当 M 为 10 的幂时，假设为 10^3，这相当于保留了 10 进制中的后 3 位，那么只要 key 值的后 3 位相同就一定冲突，例如：1001，2001，3001.....，所以也不可取。
微信扫一扫，关注极客日志
微信公众号「极客日志」，在微信中扫描左侧二维码关注。展示文案：极客日志 zeeklog
相关免费在线工具
- 加密/解密文本
使用加密算法（如AES、TripleDES、Rabbit或RC4）加密和解密文本明文。 在线工具，加密/解密文本在线工具，online
- Base64 字符串编码/解码
将字符串编码和解码为其 Base64 格式表示形式即可。 在线工具，Base64 字符串编码/解码在线工具，online
- Base64 文件转换器
将字符串、文件或图像转换为其 Base64 表示形式。 在线工具，Base64 文件转换器在线工具，online
- Markdown转HTML
将 Markdown（GFM）转为 HTML 片段，浏览器内 marked 解析；与 HTML转Markdown 互为补充。 在线工具，Markdown转HTML在线工具，online
- HTML转Markdown
将 HTML 片段转为 GitHub Flavored Markdown，支持标题、列表、链接、代码块与表格等；浏览器内处理，可链接预填。 在线工具，HTML转Markdown在线工具，online
- JSON 压缩
通过删除不必要的空白来缩小和压缩JSON。 在线工具，JSON 压缩在线工具，online
综上所述，建议 M 的取值为不接近 2 的幂的值（素数）。
但在实际操作中也有存在直接去 2 的幂，10 的幂的情况。比如 java 中实现的哈希表就是直接取的 2 的幂。当然他不仅仅的取余这么简单，还有其他操作保证了较低的冲突概率。比如 M 为 2^16，先取余得到 2 进制的后 16 位，再将 key>>16，将取余的结果和右移的结果做异或运算。这样的操作将每个数都参与的运算，使其分布的更加的均匀。（了解，在后续的代码实现中我们还是以取素数为例）
1.4.2 乘法散列法（了解）
使用乘法散列法对 M 没用要求，其大体思路为：关键值 key 乘上一个常量 A(0<A<1)，然后在对其结果取余，得到小数部分。再将 M 乘上小数部分，再向下取整，得到最终结果。哈希函数为：h(key)= floor( M* ( ( key*A ) %1.0) ) ,floor 表示向下取整
A 的取值范围为 0~1，结论表明 A 的取值为：(根号 5 - 1)/2 = 0.6180339887....（黄金分割点）比较好
1.5 将关键字转化为整型
在哈希函数里面我们说到了，要通过哈希函数将 key 值映射到存储位置。不管是那种方法，我们可以看到 key 值都要参与具体的运算的。但是如果 key 不为整型时，这么办？
这里我们就需要将 key 值转化为整型，如果为负数、浮点数等等就强制类型转化为整型。如果为 string 类型，可以通过将每个字符的 ascii 码相加，来得到整型。其他的都类似，通过映射的值来转化为整型。
1.6 解决哈希冲突
哈希表中使用的哈希函数主要还是除法散列法，但对于哈希冲突，不论选择什么哈希函数都不可避免。所以我们需要知道可以解决哈希冲突的方法，主要分为两种：开放地址法、链地址法。
1.6.1 开放地址法
在开放地址法中，所有元素都存于哈希表中，当通过哈希函数映射 key 的存储位置发生冲突时，按照一定规则去找下一个空白位置进行存储。开放地址法的负载因子一定是小于 1 的。这里的规则一共有 3 种：线性探测、二次探测、双重探测（对于开放地址法，不论什么规则都是治标不治本，这里就主要讲讲线性探测，后面我会详细解释为什么说是治标不治本）
线性探测
发生冲突时，从映射位置开始向后遍历，找到第一个空白位置时就存储，当找到表尾就返回到表头继续向后找。
下面演示 {19,30,5,36,13,20,21,12} 等这一组值映射到 M=11 的表中
h(19) = 8，h(30) = 8，h(5) = 5，h(36) = 3，h(13) = 2，h(20) = 9，h(21) = 10，h(12) = 1
我们可以看到 30 与 19 发生冲突，30 存储到了 9 这个位置。随后 20 与 30 也发生了冲突，20 存储到了 10 这个位置。21 又与 20 发生冲突，21 返回到表头存储到了 0 这个位置。
这就是开发地址法的弊端，发生了冲突就去占别人的位置。当别人来找自己的位置时发现被占用了，又只能去占用其他人的位置。由此不断的恶性循环，这种现象叫做群集/堆积，会极大的影响插入和查找效率。
而二次探测法和双重探测法，都只是去减小群集效应，并不能真正的解决这个弊端。链地址法没有这个弊端，是相对而言更优的方法，也是我们实际上更常用的方法。
开放地址法的代码实现
哈希表的基本结构
enum State { EXIST, EMPTY, DELETE };
template<class K, class V>
struct HashData {
pair<K, V> _kv;
State _state = EMPTY;
};
template<class K, class V>
class HashTable {
private:
vector<HashData<K, V>> _tables;
size_t _n = 0;
};
当我们删除节点时，为了不影响后续数据的查找，这里我们枚举哈希表节点的状态。如图，如果这里我们删除 30 这个值，后续查找时发现 20 这个值冲突，根据插入规则，我们会去往后面找，当找到空时查找停止，查找 20 就会失败。我们不用真的去删除 30，只需将状态 EXIST 修改为 DELETE，并不影响为 EMPTY 时查找停止的条件
扩容
这里我们将负载因子控制到 0.7 左右，当负载因子超过 0.7 时我们就需要扩容。前面我们提到 M 的大小建议为素数，但扩容我们一般是扩 2 倍，扩 2 倍之后 M 就不再为素数了，这怎么办呢？这里 c++ 库的解决方法是直接列出素数表
inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n) {
static const int __stl_num_primes = 28;
static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] = {
53, 97, 193, 389, 769, 1543, 3079, 6151, 12289, 24593,
49157, 98317, 196613, 393241, 786433, 1572869, 3145739,
6291469, 12582917, 25165843, 50331653, 100663319, 201326611,
402653189, 805306457, 1610612741, 3221225473, 4294967291
};
const unsigned long* first = __stl_prime_list;
const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;
const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
}
扩容后，我们需要重新遍历原表，重新计算映射位置，重新插入元数据。因为扩容后，M 的大小改变了，通过哈希函数计算出的映射位置也改变了
如果 key 不能取余的问题
这里我们可以传一个仿函数来实现将 key 值转化为整型的功能，对于负数、浮点数这种可以直接转化为整型的类型，我们可以直接将其写成一个仿函数并作为缺省值传给模板，这样我们初始化的时候，就可以不用反复写仿函数了。
对于 string 类型，将每个字符的 ascii 码相加后返回，鉴于 string 类作为 key 就是很常用的情况，所以这里我们可以考虑特化。这样也避免就我们反复的传仿函数。
对于自定义类型，我们就只能自己单独写仿函数，并显示的传仿函数
template<class K>
class HashFunc {
public:
size_t operator()(const K& key) {
return (size_t)key;
}
};
template<>
class HashFunc<string> {
public:
size_t operator()(const string& key) {
int ch = 0;
for (auto& e : key) {
ch += e;
ch *= 131;
}
return ch;
}
};
template<class K,class V,class Hash = HashFunc<K>>
class HashTable {
public:
private:
vector<HashData<K, V>> _tables;
size_t _n = 0;
};
完整代码实现
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n) {
static const int __stl_num_primes = 28;
static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] = {
53, 97, 193, 389, 769, 1543, 3079, 6151, 12289, 24593,
49157, 98317, 196613, 393241, 786433, 1572869, 3145739,
6291469, 12582917, 25165843, 50331653, 100663319, 201326611,
402653189, 805306457, 1610612741, 3221225473, 4294967291
};
const unsigned long* first = __stl_prime_list;
const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;
const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
}
enum STATE { EMPTY, EXIST, DELETE };
template<class K,class V>
struct HashData {
pair<K, V> _kv;
STATE _state=EMPTY;
};
template<class K>
class HashFunc {
public:
size_t operator()(const K& key) {
return (size_t)key;
}
};
template<>
class HashFunc<string> {
public:
size_t operator()(const string& key) {
int ch = 0;
for (auto& e : key) {
ch += e;
ch *= 131;
}
return ch;
}
};
template<class K,class V,class Hash = HashFunc<K>>
class HashTable {
public:
HashTable() :_n(0) , _table(11) {}
Hash hash;
bool Insert(const pair<K, V>& kv) {
if (_n * 10 / _table.size() >= 7) {
size_t size = __stl_next_prime(_table.size());
HashTable newHash;
newHash._table.resize(size);
for (auto& e : _table) {
if(e._state==EXIST) newHash.Insert(e._kv);
}
_table.swap(newHash._table);
}
size_t pos = hash(kv.first) % _table.size();
size_t i = 1;
while (_table[pos]._state!= EMPTY)
{
pos = (pos + i) % _table.size();
i++;
}
_table[pos]._kv = kv;
_table[pos]._state = EXIST;
_n++;
return true;
}
HashDate<K, V>* Find(const K& key) {
size_t pos = hash(key) % _table.size();
size_t i = 1;
while (_table[pos]._state != EMPTY) {
if (_table[pos]._kv.first == key && _table[pos]._state != DELETE) {
return &_table[pos];
}
pos = (pos + i)% _table.size();
i++;
}
return nullptr;
}
bool Erase(const K& key) {
HashDate<K, V>* ret = Find(key);
if (ret) {
ret->_state = DELETE;
return true;
} else return false;
}
private:
vector<HashData<K, V>> _table;
size_t _n;
};
#include"HashTable.h"
struct StringHashFunc {
size_t operator()(const string& key) {
int ret = 0;
for (auto& e : key) {
ret += e;
ret *= 131;
}
return ret;
}
};
struct Date {
bool operator==(Date& key) {
return _year == key._year && _month == key._month && _day == key._day;
}
Date(const int year = 1, const int month = 1, const int day = 1) {
_day = day;
_month = month;
_year = year;
}
int _day;
int _month;
int _year;
};
struct DateHashFunc {
size_t operator()(const Date& key) {
int ret = 0;
ret += key._day;
ret *= 131;
ret += key._month;
ret *= 131;
ret += key._year;
ret *= 131;
return ret;
}
};
int main() {
HashTable<int,int> hash;
for (int i = 0; i < 15; i++) {
hash.Insert({ i,i });
}
cout << hash.Find(10)<<endl;
hash.Erase(10);
cout << hash.Find(10)<<endl;
HashTable<string, string,StringHashFunc> hash1;
vector<string> arr = { "abc","asd","qwe","fgh" };
for (auto& e : arr) {
hash1.Insert({ e,e });
}
cout << HashFunc<string>()("abc") <<endl;
cout << HashFunc<string>()("asd") << endl;
cout << HashFunc<string>()("qwe") << endl;
cout << HashFunc<string>()("fgh") << endl;
HashTable<Date, Date, DateHashFunc> hash2;
Date r1(2025, 4, 1);
Date r2(2025, 1, 4);
hash2.Insert({ r1, r1 });
hash2.Insert({ r2,r2 });
}
链地址法
链地址法中，哈希表中的每个节点不再存储某个具体的值，而是存储'链表'。当发生冲突时，不在去寻找，而是直接将其数据'挂'在当前冲突的位置
扩容
链地址法的负载因子我们控制到 1 左右，超过 1 就要扩容。而扩容的方法我们也使用上述的素数表。
扩容后，我们也需要将原数据重新映射到新表中。因为扩容后 M 的大小改变，通过哈希函数映射出的位置也改变了
链地址法代码实现
#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
inline unsigned long __stl_next_prime(unsigned long n) {
static const int __stl_num_primes = 28;
static const unsigned long __stl_prime_list[__stl_num_primes] = {
53, 97, 193, 389, 769, 1543, 3079, 6151, 12289, 24593,
49157, 98317, 196613, 393241, 786433, 1572869, 3145739,
6291469, 12582917, 25165843, 50331653, 100663319, 201326611,
402653189, 805306457, 1610612741, 3221225473, 4294967291
};
const unsigned long* first = __stl_prime_list;
const unsigned long* last = __stl_prime_list + __stl_num_primes;
const unsigned long* pos = lower_bound(first, last, n);
return pos == last ? *(last - 1) : *pos;
}
template<class K,class V>
struct Node {
Node(const pair<K,V>& kv) :_kv(kv) ,next(nullptr) {}
Node() {}
pair<K, V> _kv;
Node* next = nullptr;
};
template<class K>
struct HashFunc {
size_t operator()(const K& key) {
return size(key);
}
};
template<>
struct HashFunc<string> {
size_t operator()(const string& key) {
int ret = 0;
for (auto& e : key) {
ret += e;
ret *= 131;
}
return ret;
}
};
template<class K,class V,class Hash = HashFunc<K>>
class HashTable {
public:
using Node = Node<K,V>;
HashTable() :_table(__stl_next_prime(0)) ,_n(0) {}
~HashTable() {
for (int i = 0; i < _table.size(); i++) {
Node* cur = _table[i].next;
while (cur) {
Node* next = cur->next;
delete cur;
cur = next;
}
}
}
Hash hash;
bool Insert(const pair<K, V>& kv) {
if (Find(kv.first)) {
return false;
}
if (_n / _table.size() >= 1) {
vector<Node> newtable(__stl_next_prime(_table.size() + 1));
for (int i = 0; i < _table.size(); i++) {
Node* cur = _table[i].next;
while (cur) {
Node* next = cur->next;
size_t pos = hash(cur->_kv.first) % newtable.size();
cur->next = newtable[pos].next;
newtable[pos].next = cur;
cur = next;
}
}
_table.swap(newtable);
}
if (_n / _table.size() >= 1) {
HashTable<K, V,Hash> newHash;
newHash._table.resize(__stl_next_prime(_table.size() + 1));
for (int i = 0; i < _table.size(); i++) {
Node* cur = _table[i].next;
while (cur) {
newHash.Insert(cur->_kv);
cur = cur->next;
}
}
_table.swap(newHash._table);
}
size_t hash0 = hash(kv.first) % _table.size();
Node* cur = _table[hash0].next;
Node* newNode = new Node(kv);
_table[hash0].next = newNode;
newNode->next = cur;
_n++;
return true;
}
Node* Find(const K& key) {
size_t pos = hash(key) % _table.size();
Node* cur = _table[pos].next;
while (cur) {
if (cur->_kv.first == key) return cur;
cur = cur->next;
}
return nullptr;
}
bool Erase(const K& key) {
size_t pos = hash(key) % _table.size();
Node* cur = _table[pos].next;
Node* per = &_table[pos];
while (cur) {
if (cur->_kv.first == key) {
per->next = cur->next;
delete cur;
return true;
}
per = cur;
cur = cur->next;
}
return false;
}
private:
vector<Node> _table;
int _n = 0;
};
#include"HashTable.h"
struct Date {
bool operator==(const Date& key) {
return _day == key._day && _month == key._month && _year == key._year;
}
Date(const int year = 2025,const int month = 4,const int day = 2) :
_day(day) ,_month(month) ,_year(year) {}
int _day;
int _month;
int _year;
};
struct DateFunc {
size_t operator()(const Date& key) {
int ret = 0;
ret += key._day;
ret *= 131;
ret += key._month;
ret *= 131;
ret += key._year;
ret *= 131;
return ret;
}
};
int main() {
HashTable<Date, Date, DateFunc> Hash0;
Date r1({ 2025,4,2 });
Date r2({ 2025,2,4 });
Hash0.Insert({ r1,r1 });
Hash0.Insert({ r2,r2});
cout << Hash0.Find(r2) << endl;
cout << Hash0.Erase(r2) << endl;
cout << Hash0.Find(r2) << endl;
}
