STL 简单 hashtable 的实现

最新推荐文章于 2025-03-16 11:00:00 发布

chengonghao

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分类专栏：简单C++标准模板库（STL）的实现

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/chengonghao/article/details/51546316

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本文介绍了STL简单hashtable的实现，重点讨论了开链法解决碰撞问题，包括线性探测、二次探测和开链法的详细过程，并探讨了开链法的名称约定。此外，还涉及了hashtable的设计与实现，包括构造与析构、空间配置器、vector的使用以及hash_table节点和迭代器的实现。

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1. 简介

Hash_table可提供对任何有名项（named item）的存取、删除和查询操作。由于操作对象是有名项，所以hash_table可被视为是一种字典结构（dictionary）。

Hash_table使用名为hash faction的散列函数来定义有名项与存储地址之间的映射关系。使用hash faction会带来一个问题：不同的有名项可能被映射到相同的地址，这便是所谓的碰撞（collision）问题，解决碰撞问题的方法主要有三种：线性探测（linear probing）、二次探测（quadratic probing）、开链（separate chaining）。

1.1 线性探测

先介绍一个名词：负载系数（loading factor），意为元素个数除以表格大小。负载系数永远在0 ~ 1之间（除非使用开链策略）。

当hash faction计算出某个元素的插入位置，而该位置已经被占用时，我们循序往下查找，直到找到一个可用空间为止。然而这凸显了一个问题：平均插入成本的涨幅，远高于负载系数的涨幅。这样的现象在hashing过程中被称为主集团（primary clustering）。此时我们手上有一大团已经被占用的方格，插入操作极有可能在主集团所形成的泥泞中艰难爬行，不断碰撞，最后好不容易才找到一个落脚处，但这又助长了主集团的泥泞面积。

1.2 二次探测

二次探测主要用来解决主集团的问题。如果hash faction计算出新元素的位置为H，但该位置被占用，那我们尝试H + 1^2、H + 2^2、H +3^2…..，而不是H + 1、H + 2、H + 3…….。二次探测可以消除主集团（primary clustering），但是可能造成次集团（secondary clustering）。

1.3 开链

这是我们采用的方法。

在每个表格元素中维护一个 list（链表），list 由 hash faction 为我们，我们在list上执行元素的插入、查找、删除等操作，虽然对list进行的查询是线性操作，但是 list 足够短的话，我们也能获得较好的效率。注意，使用开链法，表格的负载系数可能大于1。

1.4 开链法的名称约定

下面介绍开链法中的基本术语，这些术语将贯穿博客和代码注释。

我们用vector作为hash_table的底层实现，并称hash_table内的每个元素为桶子bucket，每个桶子里装着一个list头指针，通过list头指针，可以串联出一串节点（node）。这就是开链法的精髓：hash_table（底层是vector）的每个元素装着list头指针，每个list头指针可以开出一条链表。

Hash_table的实现方式有点像deque，关于deque的实现，请看另一篇博客：STL简单deque的实现