HashMap 和 HashSet 即 java 中利用哈希表實(shí)現(xiàn)的 Map 和 Set

Java中的HashTable 哈希表
一：概念
順序結(jié)構(gòu)以及平衡樹(shù)中，元素關(guān)鍵碼與其存儲(chǔ)位置之間沒(méi)有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此在查找一個(gè)元素時(shí)，必須要經(jīng)過(guò)關(guān)鍵碼的多次比較。順序查找時(shí)間復(fù)雜度為O(N)，平衡樹(shù)中為樹(shù)的高度，即O(log_2 N)，搜索的效率取決于搜索過(guò)程中元素的比較次數(shù)。
理想的搜索方法：可以不經(jīng)過(guò)任何比較，一次直接從表中得到要搜索的元素。 如果構(gòu)造一種存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，通過(guò)某種函數(shù)使元素的存儲(chǔ)位置與它的關(guān)鍵碼之間能夠建立一一映射的關(guān)系，那么在查找時(shí)通過(guò)該函數(shù)可以很快找到該元素。
當(dāng)向該結(jié)構(gòu)中：
插入元素
根據(jù)待插入元素的關(guān)鍵碼，以此函數(shù)計(jì)算出該元素的存儲(chǔ)位置并按此位置進(jìn)行存放。
搜索元素
對(duì)元素的關(guān)鍵碼進(jìn)行同樣的計(jì)算，把求得的函數(shù)值當(dāng)做元素的存儲(chǔ)位置，在結(jié)構(gòu)中按此位置取元素比較，若關(guān)鍵碼相等，則搜索成功。
該方式即為哈希(散列)方法，哈希方法中使用的轉(zhuǎn)換函數(shù)稱為哈希(散列)函數(shù)，構(gòu)造出來(lái)的結(jié)構(gòu)稱為哈希表(HashTable)(或者稱散列表)
二： 沖突-概念
對(duì)于兩個(gè)數(shù)據(jù)元素的關(guān)鍵字K1!=K2，但有：Hash(K1) == Hash(K2)，即：不同關(guān)鍵碼通過(guò)相同哈希函數(shù)計(jì)算出相同的哈希地址，該種現(xiàn)象稱為哈希沖突或哈希碰撞。
把具有不同關(guān)鍵碼而具有相同哈希地址的數(shù)據(jù)元素稱為“同義詞”。
三：沖突-避免-設(shè)計(jì)哈希函數(shù)
引起哈希沖突的一個(gè)原因可能是：哈希函數(shù)設(shè)計(jì)不夠合理。 哈希函數(shù)設(shè)計(jì)原則：
1.哈希函數(shù)的定義域必須包括需要存儲(chǔ)的全部關(guān)鍵碼，而如果散列表允許有m個(gè)地址時(shí)，其值域必須在0到m-1之間。
2.哈希函數(shù)計(jì)算出來(lái)的地址能均勻分布在整個(gè)空間中。
3.哈希函數(shù)應(yīng)該比較簡(jiǎn)單。
常見(jiàn)哈希函數(shù)有：

1. 直接定制法--(常用)
   取關(guān)鍵字的某個(gè)線性函數(shù)為散列地址：Hash（Key）= A*Key + B
   優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、均勻
   缺點(diǎn)：需要事先知道關(guān)鍵字的分布情況
   使用場(chǎng)景：適合查找比較小且連續(xù)的情況

2. 除留余數(shù)法--(常用)
   設(shè)散列表中允許的地址數(shù)為m，取一個(gè)不大于m，但最接近或者等于m的質(zhì)數(shù)p作為除數(shù)，按照哈希函數(shù)：Hash(key) = key% p(p<=m),將關(guān)鍵碼轉(zhuǎn)換成哈希地址。
3. 平方取中法--(了解) 折疊法--(了解)隨機(jī)數(shù)法--(了解)數(shù)學(xué)分析法--(了解)。
   四：沖突-避免-設(shè)計(jì)哈希函數(shù)

五： 沖突-解決
解決哈希沖突兩種常見(jiàn)的方法是：閉散列（線性探測(cè)法）和開(kāi)散列（拉鏈桶）
六：（1）沖突-解決-閉散列
閉散列：也叫開(kāi)放定址法，當(dāng)發(fā)生哈希沖突時(shí)，如果哈希表未被裝滿，說(shuō)明在哈希表中必然還有空位置，那么可以把key存放到?jīng)_突位置中的“下一個(gè)” 空位置中去。那如何尋找下一個(gè)空位置呢？
線性探測(cè)：從發(fā)生沖突的位置開(kāi)始，依次向后探測(cè)，直到尋找到下一個(gè)空位置為止。
插入：
通過(guò)哈希函數(shù)獲取待插入元素在哈希表中的位置，如果該位置中沒(méi)有元素則直接插入新元素，如果該位置中有元素發(fā)生哈希沖突，使用線性探測(cè)找到下一個(gè)空位置，插入新元素。
采用閉散列處理哈希沖突時(shí)，不能隨便物理刪除哈希表中已有的元素，若直接刪除元素會(huì)影響其他元素的搜索。比如刪除元素4，如果直接刪除掉，44查找起來(lái)可能會(huì)受影響。因此線性探測(cè)采用標(biāo)記的偽刪除法來(lái)刪除一個(gè)元素。
但是：閉散列最大的缺陷就是空間利用率比較低，這也是哈希的缺陷。

六：（2）沖突-解決-開(kāi)散列/哈希桶（重點(diǎn)）
開(kāi)散列法又叫鏈地址法(開(kāi)鏈法)，首先對(duì)關(guān)鍵碼集合用散列函數(shù)計(jì)算散列地址，具有相同地址的關(guān)鍵碼歸于同一子集合，每一個(gè)子集合稱為一個(gè)桶，各個(gè)桶中的元素通過(guò)一個(gè)單鏈表鏈接起來(lái)，各鏈表的頭結(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)在哈希表中。

從上圖可以看出，開(kāi)散列中每個(gè)桶中放的都是發(fā)生哈希沖突的元素。
開(kāi)散列，可以認(rèn)為是把一個(gè)在大集合中的搜索問(wèn)題轉(zhuǎn)化為在小集合中做搜索了。

七：性能分析
雖然哈希表一直在和沖突做斗爭(zhēng)，但在實(shí)際使用過(guò)程中，我們認(rèn)為哈希表的沖突率是不高的，沖突個(gè)數(shù)是可控的，也就是每個(gè)桶中的鏈表的長(zhǎng)度是一個(gè)常數(shù)，所以，通常意義下，我們認(rèn)為哈希表的插入/刪除/查找時(shí)間復(fù)雜度是O(1) 。
八：和 java 類集的關(guān)系

1. HashMap 和 HashSet 即 java 中利用哈希表實(shí)現(xiàn)的 Map 和 Set
2. java 中使用的是哈希桶方式解決沖突的
3. java 會(huì)在沖突鏈表長(zhǎng)度大于一定閾值后，將鏈表轉(zhuǎn)變?yōu)樗阉鳂?shù)（紅黑樹(shù)）
4. java 中計(jì)算哈希值實(shí)際上是調(diào)用的類的 hashCode 方法，進(jìn)行 key 的相等性比較是調(diào)用 key 的 equals 方法。所以如果要用自定義類作為 HashMap 的 key 或者 HashSet 的值，必須覆寫(xiě) hashCode 和 equals 方 法，而且要做到 equals 相等的對(duì)象，hashCode 一定是一致的。