16|散列表(上):Word文档中的单词拼写检查功能是如何实现的?

一、散列表的由来?

1.散列表来源于数组,它借助散列函数对数组这种数据结构进行扩展,利用的是数组支持按照下标随机访问元素的特性。
2.需要存储在散列表中的数据我们称为键,将键转化为数组下标的方法称为散列函数,散列函数的计算结果称为散列值。
3.将数据存储在散列值对应的数组下标位置。

二、如何设计散列函数?

总结3点设计散列函数的基本要求
1.散列函数计算得到的散列值是一个非负整数。
2.若key1=key2,则hash(key1)=hash(key2)
3.若key≠key2,则hash(key1)≠hash(key2)
正是由于第3点要求,所以产生了几乎无法避免的散列冲突问题。

三、散列冲突的解放方法?

1.常用的散列冲突解决方法有2类:

开放寻址法(open addressing)链表法(chaining)

2.开放寻址法

①核心思想:如果出现散列冲突,就重新探测一个空闲位置,将其插入。



      这里面黄色的色块表示空闲位置,橙色的色块表示已经存储了数据。从图中可以看出,散列表的大小为 10,在元素 x 插入散列表之前,已经 6 个元素插入到散列表中。x 经过 Hash 算法之后,被散列到位置下标为 7 的位置,但是这个位置已经有数据了,所以就产生了冲突。于是我们就顺序地往后一个一个找,看有没有空闲的位置,遍历到尾部都没有找到空闲的位置,于是我们再从表头开始找,直到找到空闲位置 2,于是将其插入到这个位置。
②线性探测法(Linear Probing):
      插入数据:当我们往散列表中插入数据时,如果某个数据经过散列函数之后,存储的位置已经被占用了,我们就从当前位置开始,依次往后查找,看是否有空闲位置,直到找到为止。



      查找数据:我们通过散列函数求出要查找元素的键值对应的散列值,然后比较数组中下标为散列值的元素和要查找的元素是否相等,若相等,则说明就是我们要查找的元素;否则,就顺序往后依次查找。如果遍历到数组的空闲位置还未找到,就说明要查找的元素并没有在散列表中。
      删除数据:为了不让查找算法失效,可以将删除的元素特殊标记为deleted,当线性探测查找的时候,遇到标记为deleted的空间,并不是停下来,而是继续往下探测。

结论:最坏时间复杂度为O(n)
③二次探测(Quadratic probing):线性探测每次探测的步长为1,即在数组中一个一个探测,而二次探测的步长变为原来的平方。
④双重散列(Double hashing):使用一组散列函数,直到找到空闲位置为止。
⑤线性探测法的性能描述:
用“装载因子”来表示空位多少,公式:散列表装载因子=填入表中的个数/散列表的长度。

装载因子越大,说明空闲位置越少,冲突越多,散列表的性能会下降。

3.链表法(更常用)


      插入数据:当插入的时候,我们需要通过散列函数计算出对应的散列槽位,将其插入到对应的链表中即可,所以插入的时间复杂度为O(1)。
      查找或删除数据:当查找、删除一个元素时,通过散列函数计算对应的槽,然后遍历链表查找或删除。对于散列比较均匀的散列函数,链表的节点个数k=n/m,其中n表示散列表中数据的个数,m表示散列表中槽的个数,所以是时间复杂度为O(k)。

四、思考

1.Word文档中单词拼写检查功能是如何实现的?

      字符串占用内存大小为8字节,20万单词占用内存大小不超过20MB,所以用散列表存储20万英文词典单词,然后对每个编辑进文档的单词进行查找,若未找到,则提示拼写错误。

2.假设我们有10万条URL访问日志,如何按照访问次数给URL排序?

      遍历 10 万条数据,以 URL 为 key,访问次数为 value,存入散列表,同时记录下访问次数的最大值 K,时间复杂度 O(N)。
      如果 K 不是很大,可以使用桶排序,时间复杂度 O(N)。如果 K 非常大(比如大于 10 万),就使用快速排序,复杂度 O(NlogN)。

3.有两个字符串数组,每个数组大约有10万条字符串,如何快速找出两个数组中相同的字符串?

      以第一个字符串数组构建散列表,key 为字符串,value 为出现次数。再遍历第二个字符串数组,以字符串为 key 在散列表中查找,如果 value 大于零,说明存在相同字符串。时间复杂度 O(N)。

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