【C++进阶】哈希表的闭散列和开散列（哈希桶）的代码实现

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一、哈希表的闭散列实现

1.1 结构

【分析】

• 当在哈希表中删除值时，如何抹除数据？给个0或者-1，那如果数据本身就有0或者-1呢，因此不行；挪动数据覆盖就更加不行了，因为会影响数据的哈希值。
• 当在哈希表中插入值时，如果不为空，说明该位置已存储数据，需要向后遍历，直到遇到空位置或者已经删除数据的位置插入。

因此，在闭散列的哈希表中，哈希表每个位置除了存储所给数据之外，还应该存储该位置当前的状态，哈希表中每个位置的可能状态如下：

1. EMPTY：当前是无数据的空位置
2. EXIST：当前位置已存储数据
3. DELETE：当前位置原本有数据，但被删除了

• vector里面有一个size接口为什么还要再定义_n呢？

这是因为哈希表存储数据是分散存储的，因此size接口的大小是不确定的。

1.2 插入操作

• 通过哈希函数计算出对应的哈希地址。当位置的状态是EMPTY或者DELETE就可以直接插入；如果是EXIT则要向后继续遍历（越界后需要从0开始）

然而如果哈希表中的元素接近满了，这时候就很容易引发哈希冲突，而哈希表不期望这样。那么扩容就很有必要，因此，哈希表引入了负载因子（载荷因子）。

散列表的载荷因子定义为：α = 填入表中的元素个数 / 散列表的长度

• α是散列表装满程度的标志因子。由于散列表是定值，α与填入表中的元素个数_n成正比，所以，_n越大，表明填入表中的元素越多，产生冲突的概率就越大；反之，_n越小，标明填入表中的元素越少，产生冲突的概率就越小。
• 注意：哈希表不能满了再扩容，需要控制负载因子一定值就扩容。
• 对于散列表，荷载因子α是特别重要因素，应严格限制在0.7 - 0.8

以上这种扩容方式是由问题的

扩容完后，映射关系变了，需要重新映射。

• 现代写法

步骤如下：

1. 创建新哈希表并扩容到足够的空间
2. 遍历旧表的数据插入到新表即可（建立映射关系的工作交给Insert）
3. 交换新表旧表。

以上代码还有问题，假设key的类型是除了int之外的类型，那么除留余数法就走不通了！因为求余数的两个操作数必须是整数。

因此可以做两次映射。先让key和整型做映射（ 使用仿函数），最后再和存储位置做映射。

有的人想：在仿函数那一块key不是被const修饰吗，为什么还是能修改key。比如const double key = 1.1转化成(size_t)key = 1

const只限制修饰的对象不能修改，但并不影响对其进行类型转换操作，这是合法的！

但是当测试string类型的时候，发现还是编译不通过

法一：可以再针对string类型写一个仿函数

然后编译就通过了

但是返回字符串的第一个字符的asc码也不好，万一序列中字符串第一个字符都相等，那么又会引发哈希冲突的概率就越大。因此，可以将字符串中的asc码全部相加再返回

但是因此方法还是完美避免哈希冲突。比如有这些字符串："abc"、"bac"、“cab”等九种排列组合，它们相加的asc码都是一样的。因此，就有人发明了字符串哈希算法：点击跳转。它的思想也是将所有字符的asc码相加，但是在相加之前乘以131

法二：类模板特化。好处：不用在main函数显示传递列表类型，由编译器自己匹配

同样也能编译通过

1.3 查找操作

• 通过哈希函数计算出对应的哈希地址。

• 如果位置的状态是EXIST则要比较key。相等返回，不相等继续向后找。

• 如果位置的状态是DELETE还要继续向后找

• 如果位置的状态是EMPTY就没有必要向后查找了

1.3 删除操作

• 调用Find函数，如果找到了，直接在当前位置标记为DELETE；否则返回false

闭散列只做简单了解即可，真正重点在于开散列

二、哈希表的开散列实现（哈希桶）

2.1 结构

开散列又称为哈希桶。当发生哈希冲突时，直接在冲突位置挂着一个单链表，形似一个桶，也看作是一个指针数组。

该结点类型除了存储所给数据之外，还需要存储一个结点指针用于指向下一个结点。

在开散列的哈希表中，哈希表的每个位置存储的实际上是某个单链表的头结点，即每个哈希桶中存储的数据实际上是一个结点类型。

当然了，在插入数据时也需要根据负载因子判断是否需要增容，所以我们也应该存储哈希表中的有效元素个数，当负载因子过大时就应该进行哈希表的增容。

与闭散列的哈希表不同的是，开散列是将相同哈希值的元素都放到了同一个哈希桶中，并不需要经过探测寻找所谓的下一个位置，因此不需要存储状态字段。

2.2 构造函数

• 默认设置表长为10，并且初始化每个位置都为空nullptr

2.3 插入操作

在进行数据插入时，既可以尾插，也可以头插，因为桶中的存储顺序没有要求。为了操作简单，这里 选择头插

【头插思路】

【代码实现】

随着元素的不断插入，每个桶中元素的个数不断增多，极端情况下，可能会导致一个桶中链表节点非常多，。那么这就和链表没什么区别了，因此在一定条件下需要对哈希表进行增容。

那该什么条件需要增容呢？

开散列的扩容还是要控制负载因子α = 填入表中的元素个数 / 散列表的长度。对于开散列，一般控制在1，即填入表中的元素个数 == 散列表的长度。

注意：扩容的时候不能像闭散列一样复用insert，因为开散列的insert是有new操作的，会有损耗。

因此，这里可以步骤是：

• 开一个新表
• 遍历旧表的结点，通过计算结点在新表的哈希值，然后头插到新表中
• 最后新旧表交换。

当然还要特殊处理key是不是整数的情况（和闭散列一样）

2.4 测试

【测试结果】

• 插入十个数据（没有扩容）
  

• 插入十个数据（扩容2倍）

2.5 查找操作

步骤：

• 首先计算查找元素的哈希值
• 最后再根据哈希值去遍历链表

2.6 删除操作

步骤：

• 通过哈希函数计算出key的哈希值。
• 遍历链表查找并删除。要注意头删的情况

2.7 析构函数

因为有new操作，所以需要手动遍历将其释放，避免内存泄漏

三、源码

Gitee仓库链接：点击跳转

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