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数据结构与算法-处理散列冲突的方法

数据结构与算法-处理散列冲突的方法

作者: Joker_King | 来源:发表于2020-05-17 19:52 被阅读0次

    我们每个人都希望身体健康,虽然疾病能够预防,但是不可避免,没有任何成年人生下来到现在没有生过一次病。

    从刚才除留余数法的例子也可以看出,我们设计得再好的散列函数也不可能完全避免冲突,这就像我们再健康也只能尽量预防疾病,但却无法保证永远不得病一样,既然冲突不能避免,就要考虑如何处理它。

    那么当我们在使用散列函数后发现两个关键字key1≠key2,但是却有f(key1)=f(key2),即有冲突时,怎么办呢?我们可以从生活中找寻思路。

    试想一下,当你观望很久很久,终于看上一套房打算要买了,正准备下订金,人家告诉你,这房子已经被人买走了,你怎么办?

    对呀,再找别的房子呗!这其实就是一种处理冲突的方法——开放定址法。

    开放定址法

    所谓的开放定址法就是一旦发生了冲突,就去寻找下一个空的散列地址,只要散列表足够大,空的散列地址总能找到,并将记录存入。

    它的公式是:

    fi(key)=(f(key)+di)MOD m(di=1,2,3,......,m-1)
    

    比如说,我们的关键字集合为{12,67,56,16,25,37,22,29,15,47,48,34},表长为12。我们用散列函数f(key)=key mod 12。

    当计算前5个数{12,67,56,16,25}时,都是没有冲突的散列地址,直接存入,如下图所示。

    image-20200517193456864

    计算key=37时,发现f(37)=1,此时就与25所在的位置冲突。于是我们应用上面的公式f(37)=(f(37)+1)mod 12=2。于是将37存入下标为2的位置。这其实就是房子被人买了于是买下一间的作法,如下图所示。

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    接下来22,29,15,47都没有冲突,正常的存入,如下图所示。

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    到了key=48,我们计算得到f(48)=0,与12所在的0位置冲突了,不要紧,我们f(48)=(f(48)+1)mod 12=1,此时又与25所在的位置冲突。于是f(48)=(f(48)+2)mod 12=2,还是冲突……一直到f(48)=(f(48)+6)mod 12=6时,才有空位,机不可失,赶快存入,如下表所示。

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    我们把这种解决冲突的开放定址法称为线性探测法

    从这个例子我们也看到,我们在解决冲突的时候,还会碰到如48和37这种本来都不是同义词却需要争夺一个地址的情况,我们称这种现象为堆积。很显然,堆积的出现,使得我们需要不断处理冲突,无论是存入还是查找效率都会大大降低。

    考虑深一步,如果发生这样的情况,当最后一个key=34,f(key)=10,与22所在的位置冲突,可是22后面没有空位置了,反而它的前面有一个空位置,尽管可以不断地求余数后得到结果,但效率很差。因此我们可以改进di=12,-12,22,-22,......,q2,-q2,(q≤m/2),这样就等于是可以双向寻找到可能的空位置。对于34来说,我们取di=-1即可找到空位置了。另外增加平方运算的目的是为了不让关键字都聚集在某一块区域。我们称这种方法为二次探测法。

    fi(key)=(f(key)+di)MOD m(di=12,-12,22,-22,...,q2,-q2,q≤m/2)
    

    还有一种方法是,在冲突时,对于位移量di采用随机函数计算得到,我们称之为随机探测法。

    此时一定有人问,既然是随机,那么查找的时候不也随机生成di吗?如何可以获得相同的地址呢?这是个问题。这里的随机其实是伪随机数。伪随机数是说,如果我们设置随机种子相同,则不断调用随机函数可以生成不会重复的数列,我们在查找时,用同样的随机种子,它每次得到的数列是相同的,相同的di当然可以得到相同的散列地址。

    fi(key)=(f(key)+di)MOD m(di是一个随机数列)
    

    总之,开放定址法只要在散列表未填满时,总是能找到不发生冲突的地址,是我们常用的解决冲突的办法。

    再散列函数法

    如果你看房时的选择标准总是以市中心、交通便利、价格适中为指标,这样的房子凤毛麟角,基本上当你看到时,都已经被人买去了。

    我们不妨换一种思维,选择市郊的房子,交通尽管要差一些,但价格便宜很多,也许房子还可以买得大一些、质量好一些,并且由于更换了选房的想法,很快就找到了你需要的房子了。

    对于我们的散列表来说,我们事先准备多个散列函数。

    fi(key)=RHi(key)(i=1,2,...,k)
    

    这里RHi就是不同的散列函数,你可以把我们前面说的什么除留余数、折叠、平方取中全部用上。每当发生散列地址冲突时,就换一个散列函数计算,相信总会有一个可以把冲突解决掉。这种方法能够使得关键字不产生聚集,当然,相应地也增加了计算的时间。

    链地址法

    思路还可以再换一换,为什么有冲突就要换地方呢,我们直接就在原地想办法不可以吗?于是我们就有了链地址法。

    将所有关键字为同义词的记录存储在一个单链表中,我们称这种表为同义词子表,在散列表中只存储所有同义词子表的头指针。对于关键字集合{12,67,56,16,25,37,22,29,15,47,48,34},我们用前面同样的12为除数,进行除留余数法,可得到如下图结构,此时,已经不存在什么冲突换址的问题,无论有多少个冲突,都只是在当前位置给单链表增加结点的问题。

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    链地址法对于可能会造成很多冲突的散列函数来说,提供了绝不会出现找不到地址的保障。当然,这也就带来了查找时需要遍历单链表的性能损耗。

    公共溢出区法

    这个方法其实就更加好理解,你不是冲突吗?好吧,凡是冲突的都跟我走,我给你们这些冲突找个地儿待着。这就如同孤儿院收留所有无家可归的孩子一样,我们为所有冲突的关键字建立了一个公共的溢出区来存放。

    就前面的例子而言,我们共有三个关键字{37,48,34}与之前的关键字位置有冲突,那么就将它们存储到溢出表中,如下图所示。

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    在查找时,对给定值通过散列函数计算出散列地址后,先与基本表的相应位置进行比对,如果相等,则查找成功;如果不相等,则到溢出表去进行顺序查找。如果相对于基本表而言,有冲突的数据很少的情况下,公共溢出区的结构对查找性能来说还是非常高的。

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