对于哈希冲突这个问题,我们有两类解决方案:
● 一类是构造尽可能理想的 Hash 函数,使得 Hash 以后得到的数值尽可能平均分布,从而减少冲突发生的概率;
● 另一类是在冲突发生以后,通过「提供冲突解决方案」来完成存储和查找。最常用的两种冲突解决方案是「开放寻址法」和「链表法」。
下面,我就来介绍一下这两种方法,并且重点看看它们对检索效率的影响。
如何利用开放寻址法解决 Hash 冲突?
所谓「开放寻址法」,就是在冲突发生以后,最新的元素需要寻找新空闲的数组位置完成插入。那我们该如何寻找新空闲的位置呢?我们可以使用一种叫作 线性探查(Linear Probing)的方案来进行查找。
线性探查 的插入逻辑很简单:在当前位置发现有冲突以后,就顺序去查看数组的下一个位置,看看是否空闲。如果有空闲,就插入;如果不是空闲,再顺序去看下一个位置,直到找到空闲位置插入为止。
查询逻辑也和插入逻辑相似。我们先根据 Hash 值去查找相应数组下标的元素,如果该位置不为空,但是存储元素的 Key 和查询的 Key 不一致,那就顺序到数组下一个位置去检索,就这样依次比较 Key。如果访问元素的 Key 和查询 Key 相等,我们就在哈希表中找到了对应元素;如果遍历到空闲处,依然没有元素的 Key 和查询 Key 相等,则说明哈希表中不存在该元素。
为了帮助你更好地理解,我们来看一个例子。
假设一个哈希表中已经插入了两个 Key,key1 和 key2。其中 Hash(key1) = 1, Hash(key2) = 2。这时,如果我们要插入一个 Hash 值为 1 的 key3。根据线性探查的插入逻辑,通过 3 步,我们就可以将 key3 插入到哈希表下标为 3 的位置中。插入的过程如下:
在查找 key3 的时候,因为 Hash(key3)= 1,我们会从哈希表下标为 1 的位置开始顺序查找,经过 3 步找到 key3,查询结束。
讲到这里,你可能已经发现了一个问题:当我们插入一个 Key 时,如果哈希表已经比较满了,这个 Key 就会沿着数组一直顺序遍历,直到遇到空位置才会成功插入。查询的时候也一样。但是,顺序遍历的代价是 O(n),这样的检索性能很差。
更糟糕的是,如果我们在插入 key1 后,先插入 key3 再插入 key2,那 key3 就会抢占 key2 的位置,影响 key2 的插入和查询效率。因此,线性探查会影响哈希表的整体性能,而不只是 Hash 值冲突的 Key。
为了解决这个问题,我们可以使用 二次探查(Quadratic Probing)和 双散列(Double Hash)这两个方法进行优化。下面,我来分别解释一下这两个方法的优化原理。
● 二次探查就是将线性探查的步长从 i 改为 i^2:第一次探查,位置为 Hash(key) + 1^2;第二次探查,位置为 Hash(key) +2^2;第三次探查,位置为 Hash(key) + 3^2,依此类推。
● 双散列就是使用多个 Hash 函数来求下标位置,当第一个 Hash 函数求出来的位置冲突时,启用第二个 Hash 函数,算出第二次探查的位置;如果还冲突,则启用第三个 Hash 函数,算出第三次探查的位置,依此类推。
无论是二次探查还是双散列,核心思路其实都是在 发生冲突的情况下,将下个位置尽可能地岔开,让数据尽可能地 随机分散存储,来降低对不相干 Key 的干扰,从而提高整体的检索效率。
但是,对于开放寻址法来说,无论使用什么优化方案,随着插入的元素越多、哈希表越满,插入和检索的性能也就下降得越厉害。在极端情况下,当哈希表被写满的时候,为了保证能插入新元素,我们只能重新生成一个更大的哈希表,将旧哈希表中的所有数据重新 Hash 一次写入新的哈希表,也就是 Re-Hash,这样会造成非常大的额外开销。因此,在数据动态变化的场景下,使用开放寻址法并不是最合适的方案。
如何利用链表法解决 Hash 冲突?
相比开放寻址法,还有一种更常见的冲突解决方案,链表法。所谓 链表法,就是在数组中不存储一个具体元素,而是存储一个链表头。如果一个 Key 经过 Hash 函数计算,得到了对应的数组下标,那么我们就将它加入该位置所存的链表的尾部。
这样做的好处是,如果 key3 和 key1 发生了冲突,那么 key3 会通过链表的方式链接在 key1 的后面,而不是去占据 key2 的位置。这样当 key2 插入时,就不会有冲突了。最终效果如下图。