hash算法

一、以下引用自什么是哈希算法

比如这里有一万首歌,给你一首新的歌X,要求你确认这首歌是否在那一万首歌之内。
无疑,将一万首歌一个一个比对非常慢。但如果存在一种方式,能将一万首歌的每首数据浓缩到一个数字(称为哈希码)中,于是得到一万个数字,那么用同样的算法计算新的歌X的编码,看看歌X的编码是否在之前那一万个数字中,就能知道歌X是否在那一万首歌中。
作为例子,如果要你组织那一万首歌,一个简单的哈希算法就是让歌曲所占硬盘的字节数作为哈希码。这样的话,你可以让一万首歌“按照大小排序”,然后遇到一首新的歌,只要看看新的歌的字节数是否和已有的一万首歌中的某一首的字节数相同,就知道新的歌是否在那一万首歌之内了。
当然这个简单的哈希算法很容易出现两者同样大小的歌曲,这就是发生了碰撞。而好的哈希算法发生碰撞的几率非常小。

二、以下引用自哈希表(Hash Table)及散列法(Hashing)

数组的特点是:寻址容易,插入和删除困难;而链表的特点是:寻址困难,插入和删除容易。那么我们能不能综合两者的特性,做出一种寻址容易,插入删除也容易的数据结构?答案是肯定的,这就是我们要提起的哈希表,哈希表有多种不同的实现方法,我接下来解释的是最常用的一种方法——拉链法,我们可以理解为“链表的数组”,如图:


image.png

左边很明显是个数组,数组的每个成员包括一个指针,指向一个链表的头,当然这个链表可能为空,也可能元素很多。我们根据元素的一些特征把元素分配到不同的链表中去,也是根据这些特征,找到正确的链表,再从链表中找出这个元素。元素特征转变为数组下标的方法就是散列法。散列法当然不止一种,我下面列出三种比较常用的。

  • 除法散列法
    最直观的一种,上图使用的就是这种散列法,公式:
    index = value % 16
    学过汇编的都知道,求模数其实是通过一个除法运算得到的,所以叫“除法散列法”。
  • 平方散列法
    求index是非常频繁的操作,而乘法的运算要比除法来得省时(对现在的CPU来说,估计我们感觉不出来),所以我们考虑把除法换成乘法和一个位移操作。公式:
    index = (value * value) >> 28
    如果数值分配比较均匀的话这种方法能得到不错的结果,但我上面画的那个图的各个元素的值算出来的index都是0——非常失败。也许你还有个问题,value如果很大,value * value不会溢出吗?答案是会的,但我们这个乘法不关心溢出,因为我们根本不是为了获取相乘结果,而是为了获取index。
  • 斐波那契(Fibonacci)散列法
    平方散列法的缺点是显而易见的,所以我们能不能找出一个理想的乘数,而不是拿value本身当作乘数呢?答案是肯定的。
  • 对于16位整数而言,这个乘数是40503
  • 对于32位整数而言,这个乘数是2654435769
  • 对于64位整数而言,这个乘数是11400714819323198485

这几个“理想乘数”是如何得出来的呢?这跟一个法则有关,叫黄金分割法则,而描述黄金分割法则的最经典表达式无疑就是著名的斐波那契数列,如果你还有兴趣,就到网上查找一下“斐波那契数列”等关键字,我数学水平有限,不知道怎么描述清楚为什么,另外斐波那契数列的值居然和太阳系八大行星的轨道半径的比例出奇吻合,很神奇,对么?
对我们常见的32位整数而言,公式:
index = (value * 2654435769) >> 28
如果用这种斐波那契散列法的话,那我上面的图就变成这样了:


Paste_Image.png
三、以下引自暴雪公司经典字符串hash公式

中国有句古话"再一再二不能再三再四",看来Blizzard也深得此话的精髓,如果说两个不同的字符串经过一个哈希算法得到的入口点一致有可能,但用三个不同的哈希算法算出的入口点都一致,那几乎可以肯定是不可能的事了,这个几率是1:18889465931478580854784,大概是10的 22.3次方分之一,对一个游戏程序来说足够安全了。
现在再回到数据结构上,Blizzard使用的哈希表没有使用链表,而采用"顺延"的方式来解决问题,看看这个算法:

int GetHashTablePos(char *lpszString, MPQHASHTABLE *lpTable, int nTableSize)
{ 
 const int HASH_OFFSET = 0, HASH_A = 1, HASH_B = 2;
int nHash = HashString(lpszString, HASH_OFFSET);
int nHashA = HashString(lpszString, HASH_A);
int nHashB = HashString(lpszString, HASH_B);
int nHashStart = nHash % nTableSize, nHashPos = nHashStart;
while (lpTable[nHashPos].bExists)
{ //比较的是Table中存储的另外两个Hash函数的值,Table中不存储字符串
  if (lpTable[nHashPos].nHashA == nHashA && lpTable[nHashPos].nHashB == nHashB) 
   return nHashPos; 
  else  //冲突处理
   nHashPos = (nHashPos + 1) % nTableSize;
  if (nHashPos == nHashStart) 
   break; 
 }
return -1; //Error value 
}
  • 计算出字符串的三个哈希值(一个用来确定位置,另外两个用来校验)
  • 察看哈希表中的这个位置
  • 哈希表中这个位置为空吗?如果为空,则肯定该字符串不存在,返回
  • 如果存在,则检查其他两个哈希值是否也匹配,如果匹配,则表示找到了该字符串,返回
  • 移到下一个位置,如果已经越界,则表示没有找到,返回
  • 看看是不是又回到了原来的位置,如果是,则返回没找到
  • 回到3
    怎么样,很简单的算法吧,但确实是天才的idea, 其实最优秀的算法往往是简单有效的算法,Blizzard被称为最卓越的游戏制作公司,不愧于此。(转载注:这种解决hash collision的方法相对于用linked list方法的缺点在于,hash表的entry只能代表一个字符串,如果hash表满了则无法在向hash表中加入新的entry)

应用参见魔兽哈希算法封装和测试
魔兽打包管理器源码
暴雪公司经典字符串hash公式测试

四、常见hash算法

常见字符串hash函数
hask表算法

五、数据结构和算法(Golang实现)(26)查找算法-哈希表
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