【学习笔记】快速了解 哈希表 是什么和工作原理！

目录

1. 哈希表的基本概念

2. 哈希表的工作原理

3. 哈希冲突

4. 哈希表的时间复杂度

5. 为什么叫“哈希表”

6. 哈希表的优缺点

优点：

缺点：

7. 哈希表的应用

8. 哈希表与哈希映射的关系

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哈希表（Hash Table）是一种数据结构，它通过将数据映射到一个固定大小的数组（称为“桶”或“槽”）中来实现快速的查找、插入和删除操作。哈希表通过一个哈希函数将数据的键（Key）映射到数组的索引位置，从而使得在表中的数据可以通过其键迅速访问。

1. 哈希表的基本概念

哈希表的核心思想是利用 哈希函数（Hash Function）将一个任意长度的输入（如字符串、数字等）映射到一个固定长度的数组索引（通常是一个整数）。通过这种方式，哈希表可以通过键（Key）直接访问到存储在数组中的值（Value）。

哈希表的基本组成：

• 键（Key）：用来标识和查找数据的唯一标识符。
• 值（Value）：与键对应的数据，存储在哈希表中。
• 哈希函数（Hash Function）：一种算法，用来将键映射到表中的一个位置（即数组索引）。
• 桶（Bucket）：哈希表中的一个位置，用来存储键值对。当发生哈希冲突时，多个键值对可能会被存储在同一个桶中。

2. 哈希表的工作原理

• 哈希函数：哈希表使用哈希函数将键映射到数组中的一个索引。哈希函数通常会将输入的键转换为一个整数，然后通过取余或其他方法，将这个整数映射到数组的一个合法索引上。
• 查找操作：当我们需要查找一个键时，哈希表首先会通过哈希函数计算出该键的索引位置，然后直接访问该位置的值。
• 插入操作：当我们插入一个新的键值对时，哈希表首先使用哈希函数计算键的索引，然后将该值存储到相应的桶中。
• 删除操作：删除一个键时，哈希表使用哈希函数找到相应的索引位置，并删除该位置的键值对。

3. 哈希冲突

由于哈希函数将键映射到有限大小的数组中，因此有可能发生不同的键被映射到相同的索引，这种现象称为哈希冲突。为了解决哈希冲突，哈希表通常采用以下两种方法：

• 链式法（Chaining）：每个桶存储一个链表（或其他数据结构），当多个键映射到相同的索引时，这些键值对会被添加到该索引位置的链表中。
• 开放地址法（Open Addressing）：当发生冲突时，哈希表会尝试寻找下一个空的位置来存储数据，直到找到一个空桶或目标桶。

4. 哈希表的时间复杂度

哈希表的主要优势在于它的查找、插入和删除操作的时间复杂度通常为 O(1)，即常数时间。由于哈希函数的作用，哈希表能够直接根据键的位置进行访问，因此访问效率很高。

然而，如果发生哈希冲突并且哈希表的负载因子过高（即存储元素数量接近哈希表容量），这些操作的时间复杂度可能会退化为 O(n)（例如，当所有元素都被存储在同一个链表中时）。因此，哈希表通常会在负载因子达到一定阈值时进行扩容，保持良好的性能。

5. 为什么叫“哈希表”

• 哈希（Hash）：哈希表中的“哈希”指的就是哈希函数（Hash Function）。哈希函数是哈希表的核心，它负责将输入（键）映射到表中的某个位置（桶）。哈希函数的设计对于哈希表的性能和冲突的处理起着至关重要的作用。
• 表（Table）：哈希表的“表”指的是用于存储数据的数组。哈希表通过哈希函数将键映射到这个数组的索引位置，从而可以高效地进行查找、插入和删除操作。

因此，哈希表这个名字来源于它的结构：通过哈希函数将键映射到表中的位置来实现高效的数据存储和检索。

6. 哈希表的优缺点

优点：

• 查找速度快：由于哈希表使用哈希函数将数据直接映射到数组索引，查找操作的平均时间复杂度为 O(1)，非常高效。
• 插入和删除速度快：插入和删除操作通常也能在常数时间内完成，尤其是在哈希冲突较少的情况下。
• 扩展性：通过合理的设计和动态扩展，哈希表可以有效地管理大量数据。

缺点：

• 哈希冲突：哈希冲突可能会影响性能，尤其是在哈希函数设计不当或者负载因子过高时。处理冲突的方法（如链式法、开放地址法）可能会影响查找、插入和删除操作的效率。
• 内存浪费：哈希表需要一个固定大小的数组，如果数组太大，可能会浪费内存；如果太小，则可能会导致频繁的冲突和性能下降。
• 需要好的哈希函数：哈希表的性能高度依赖于哈希函数的设计，选择一个不好的哈希函数可能导致大量的冲突，从而降低性能。

7. 哈希表的应用

哈希表在计算机科学中有广泛的应用，以下是一些典型的场景：

• 字典和映射：许多编程语言的标准库都提供了哈希表实现，用来存储键值对，如 Python 的 dict、Java 的 HashMap、C++ 的 unordered_map 等。
• 缓存：哈希表广泛用于实现缓存机制，因为它能够提供快速的查找操作。
• 数据库索引：在数据库中，哈希表常用于实现索引，以加速查询操作。
• 去重：哈希表可以快速判断一个元素是否存在，因此常用于去重操作（例如检测重复的用户输入或文件等）。

8. 哈希表与哈希映射的关系

哈希映射（Hash Map）通常是哈希表的一个具体实现，二者是同一概念的不同表述。哈希映射主要用于存储键值对，它是哈希表的一种变体。在一些编程语言中，哈希表通常用来指代这种数据结构（如 C++ 中的 unordered_map），而哈希映射则更侧重于键值对存储的含义。