哈希表和堆的总结

用哈希表和堆处理的问题

  1. 查询、插入、删除的操作要远多于其余的操作的情况下使用哈希表。
  2. 在动态环境中需要快速获取最值的情况下使用堆。

代码注意事项

  1. 哈希表——insert:O(1),find:O(1),delete:O(1)

    closed hashing:一个位置只放一个元素,冲突的元素向后寻找空位放下。
    (缺点:由于find时有些元素被当作寻找正确元素的桥梁,所以在元素删除时候不能直接置空,而改为标记为delete,依然充当桥梁,多次操作后可能产生很多delete位置,影响性能)
    open hashing:一个位置存放一个链表,新元素插入时从表头插入,find时不需要向后寻找,只需要遍历该位置的链表即可。

    哈希表的空间通常远大于需要存储的序列的元素个数,哈希size >> 数组size,通常大一个数量级,当哈希表的饱和度大于1/10的时候则需要rehash;

    哈希函数取模的一些技巧:

    (a+b)%c = (a%c+b%c)%c
    (a-b)%c = (a%c-b%c)%c
    (ab)%c = ((a%c)(b%c))%c

    c++中的哈希相关的数据结构以unordered开头(unordered_set、unordered_map等)。

  2. 堆——push:O(log n),pop:O(log n),top:O(1)

    c++中的堆数据结构又叫优先队列,即priority_queue

时间复杂度分析

  1. 哈希表

    插入insert:O(1)
    查询find:O(1)
    删除delete:O(1)

  2. 元素入堆push:O(log n)
    弹出堆顶pop:O(log n)
    查询堆顶top:O(1)

题目汇总

  1. 重哈希(Rehashing)https://blog.youkuaiyun.com/SeeDoubleU/article/details/124600762
  2. LRU缓存-最近最少使用策略(LRU Cache)https://blog.youkuaiyun.com/SeeDoubleU/article/details/124656824
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  6. 前K大数 II(Top k Largest Numbers II)https://blog.youkuaiyun.com/SeeDoubleU/article/details/124657757
  7. 合并k个排序链表-多路归并排序(Merge K Sorted Lists)https://blog.youkuaiyun.com/SeeDoubleU/article/details/124657763
<think> 我们正在查找关于Java中哈希表(Hash Table)懒删除(Lazy Deletion Heap)的信息。根据提供的引用,我们有关于哈希表的详细介绍,但关于懒删除的信息较少。因此,我们需要结合已有知识引用内容来回答。 首先,哈希表在Java中有多个实现,如`Hashtable``HashMap`。引用[4]详细介绍了`HashMap`,包括其基本用法示例代码。而懒删除并不是Java标准库中的直接实现,但我们可以理解为一种使用(通常用优先队列实现)并结合懒删除(Lazy Deletion)策略的数据结构,用于避免在删除非顶元素时立即调整,而是等到该元素到达顶时才删除。 下面我们将分为两部分:哈希表懒删除。 ### 1. Java哈希表 #### 基本概念 哈希表是一种根据键(Key)直接访问值(Value)的数据结构。它通过哈希函数将键映射到数组的索引位置,以实现快速操作(平均情况下O(1)的时间复杂度)。Java中常用的哈希表实现有`Hashtable``HashMap`,其中`HashMap`更为常用(引用[4])。 #### 常用方法 - `put(K key, V value)`: 将键值对存入哈希表。 - `get(Object key)`: 根据键获取值。 - `remove(Object key)`: 根据键删除键值对。 - `containsKey(Object key)`: 检查是否包含指定键。 - `keySet()`: 返回所有键的集合。 - `values()`: 返回所有值的集合。 - `entrySet()`: 返回所有键值对的集合。 #### 示例代码(使用HashMap) ```java import java.util.HashMap; import java.util.Map; public class HashMapExample { public static void main(String[] args) { HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>(); // 添加元素 map.put("One", 1); map.put("Two", 2); map.put("Three", 3); // 获取元素 System.out.println("Value for key 'Two': " + map.get("Two")); // 输出: 2 // 删除元素 map.remove("Two"); // 遍历 for (Map.Entry<String, Integer> entry : map.entrySet()) { System.out.println("Key: " + entry.getKey() + ", Value: " + entry.getValue()); } } } ``` #### 冲突处理 当多个键映射到同一个索引时,会发生冲突。Java的`HashMap`使用链地址法(数组+链表/红黑树)来解决冲突(引用[2])。 #### 性能 在理想情况下,哈希表的插入、删除查找的时间复杂度为O(1)。但在最坏情况下(所有键都映射到同一个位置),时间复杂度为O(n)。为了优化性能,当链表长度超过阈值(默认为8)时,会将链表转换为红黑树(引用[3])。 ### 2. 懒删除 懒删除(Lazy Deletion Heap)是一种优化策略,常用于优先队列()中。标准(如Java的`PriorityQueue`)不支持高效的删除任意元素操作(通常需要O(n)时间查找元素,然后O(log n)时间删除)。懒删除策略通过在外部标记删除而不是立即调整结构,从而推迟实际删除操作,直到被删除元素到达顶。 #### 实现思路 1. 使用一个最小(或最大)来存储元素。 2. 使用一个哈希表(如`HashMap`)来记录被删除的次数(或一个集合记录被删除的元素)。 3. 当执行删除操作时,并不立即从中移除元素,而是在哈希表中标记该元素已被删除(例如,增加删除计数)。 4. 当顶元素被标记为删除时,将其弹出并继续检查下一个顶元素,直到顶元素未被删除。 #### 示例代码(简易版懒删除) 以下是一个使用最小HashMap实现懒删除优先队列的示例: ```java import java.util.HashMap; import java.util.PriorityQueue; public class LazyDeletionHeap { private PriorityQueue<Integer> minHeap = new PriorityQueue<>(); private HashMap<Integer, Integer> deleted = new HashMap<>(); // 添加元素 public void add(int num) { minHeap.add(num); } // 标记删除(懒删除) public void delete(int num) { deleted.put(num, deleted.getOrDefault(num, 0) + 1); } // 获取顶元素(并清理被标记删除的顶元素) public int peek() { cleanTop(); return minHeap.peek(); } // 弹出顶元素(并清理被标记删除的顶元素) public int poll() { cleanTop(); int num = minHeap.poll(); // 注意:这里我们只标记了一次删除,实际删除次数可能多次,因此需要更新删除计数 if (deleted.containsKey(num)) { int count = deleted.get(num); if (count == 1) { deleted.remove(num); } else { deleted.put(num, count - 1); } } return num; } // 清理顶被标记删除的元素 private void cleanTop() { while (!minHeap.isEmpty() && deleted.containsKey(minHeap.peek())) { int num = minHeap.poll(); int count = deleted.get(num); if (count == 1) { deleted.remove(num); } else { deleted.put(num, count - 1); } } } public static void main(String[] args) { LazyDeletionHeap heap = new LazyDeletionHeap(); heap.add(3); heap.add(1); heap.add(4); heap.add(1); heap.delete(1); // 删除一个1 System.out.println(heap.peek()); // 输出1(第二个1) heap.delete(1); // 删除第二个1 System.out.println(heap.peek()); // 输出3 } } ``` #### 注意事项 - 懒删除适用于删除操作不频繁或删除元素不一定在顶的场景。 - 由于延迟删除,中可能累积大量已标记删除的元素,需要定期清理顶。 - 上述示例仅用于演示,实际应用中可能需要支持泛型更复杂的元素类型。 ### 总结 - **哈希表**:Java提供了`HashMap``Hashtable`,其中`HashMap`更常用,支持高效的插入、删除查找操作。 - **懒删除**:并非Java标准库中的数据结构,但可以通过`PriorityQueue``HashMap`自行实现,用于支持高效的延迟删除。 §§相关问题§§ 1. Java中`HashMap``Hashtable`的主要区别是什么? 2. 如何实现一个支持删除任意元素的优先队列()? 3. 懒删除在实际应用中有哪些优缺点? 4. 如何处理哈希表中的哈希冲突? </think> ### Java哈希表介绍 #### 基本概念 Java哈希表是一种基于哈希函数实现键值对存储的数据结构,支持$O(1)$时间复杂度的快速查找、插入删除操作。主要实现类包括: 1. **HashMap**:线程不安全,允许null键值(引用[4]) ```java Map<String, Integer> map = new HashMap<>(); map.put("A", 1); // 插入 int value = map.get("A"); // 查询 map.remove("A"); // 删除 ``` 2. **Hashtable**:线程安全,禁止null键值(引用[2]) #### 核心机制 1. **哈希函数**:将键转换为桶索引(引用[2]) $$index = \text{hash(key)} \% \text{tableSize}$$ 2. **冲突解决**:链地址法(数组+链表/红黑树)(引用[3]) 3. **动态扩容**:当负载因子超过阈值(默认0.75)时,自动扩容并重新哈希(引用[2]) #### 时间复杂度 | 操作 | 平均 | 最坏 | |------------|--------|----------| | 插入/删除 | $O(1)$ | $O(n)$ | | 查找 | $O(1)$ | $O(n)$ | ### 懒删除介绍 懒删除(Lazy Deletion Heap)是一种延迟删除策略的优先队列实现: 1. **核心思想**:标记删除而非立即移除,实际删除延迟到元素到达顶时 2. **优势**:避免每次删除都触发$O(\log n)$的调整 3. **实现要点**: - 维护主(存储元素) - 辅助哈希表(记录被删元素计数) #### 示例实现 ```java import java.util.*; class LazyHeap { private PriorityQueue<Integer> heap = new PriorityQueue<>(); private Map<Integer, Integer> deleted = new HashMap<>(); // 存放待删除计数 // 插入元素 public void insert(int val) { heap.offer(val); } // 标记删除(懒删除) public void delete(int val) { deleted.put(val, deleted.getOrDefault(val, 0) + 1); } // 获取顶(清理被删元素) public int peek() { while (!heap.isEmpty() && deleted.containsKey(heap.peek())) { int top = heap.poll(); if (deleted.get(top) == 1) deleted.remove(top); else deleted.put(top, deleted.get(top) - 1); } return heap.peek(); } // 弹出顶 public int poll() { peek(); // 先清理被删元素 return heap.poll(); } } // 使用示例 LazyHeap heap = new LazyHeap(); heap.insert(5); heap.insert(3); heap.delete(3); // 仅标记删除 System.out.println(heap.peek()); // 输出5(标记的3被清除) ``` ### 应用场景对比 | **数据结构** | **典型应用场景** | **优势** | |--------------|------------------------------------|------------------------| | 哈希表 | 缓存系统、唯一性检查、快速检索 | 常数时间访问 | | 懒删除 | 定时任务调度、图算法(如Dijkstra) | 高效处理延迟删除操作 | ### 注意事项 1. 哈希表线程安全: - 多线程环境用`ConcurrentHashMap`替代`HashMap` - 或用`Collections.synchronizedMap()`包装(引用[4]) 2. 懒删除优化: $$T_{\text{delete}} = O(1) \quad \text{(标记)} \quad vs \quad O(\log n) \quad \text{(标准)}$$ 操作均摊成本仍为$O(\log n)$,但减少不必要调整(引用[3])
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