雜湊表

雜湊表（Hash table），是根據鍵（Key）而直接查詢在記憶體儲存位置的資料結構。也就是說，它通過計算出一個鍵值的函式，將所需查詢的資料對映到表中一個位置來讓人查詢，這加快了尋找速度。這個對映函式稱做雜湊函式，存放記錄的陣列稱做雜湊表。

一個通俗的例子是，為了尋找電話簿中某人的號碼，可以建立一個按照人名首字母順序排列的表（即建立人名${\displaystyle x}$到首字母${\displaystyle F(x)}$的一個函式關係），在首字母為W的表中尋找「王」姓的電話號碼，顯然比直接尋找就要快得多。這裡使用人名作為關鍵字，「取首字母」是這個例子中雜湊函式的函式法則${\displaystyle F()}$，存放首字母的表對應雜湊表。關鍵字和函式法則理論上可以任意確定。

可以將雜湊表理解為一串按順序放的陣列，陣列的下標是從key經過計算得出，陣列每個位置存放 value。這裡有很多將key轉換為下標的函式，比如取模，md5等。可以在雜湊表視覺化頁面 直觀操作，理解這裡的資料結構。

觀察雜湊表的各種操作

基本概念

• 若關鍵字為${\displaystyle k}$，則其值存放在${\displaystyle f(k)}$的儲存位置上。由此，不需比較便可直接取得所查記錄。稱這個對應關係${\displaystyle f}$為雜湊函式，按這個思想建立的表為雜湊表。

• 對不同的關鍵字可能得到同一雜湊位址，即${\displaystyle k_{1}\neq k_{2}}$，而${\displaystyle f(k_{1})=f(k_{2})}$，這種現象稱為衝突（英語：Collision）。具有相同函式值的關鍵字對該雜湊函式來說稱做同義詞。綜上所述，根據雜湊函式${\displaystyle f(k)}$和處理衝突的方法將一組關鍵字對映到一個有限的連續的位址集（區間）上，並以關鍵字在位址集中的「像」作為記錄在表中的儲存位置，這種表便稱為雜湊表，這一對映過程稱為雜湊造表或雜湊，所得的儲存位置稱雜湊位址。

• 若對於關鍵字集合中的任一個關鍵字，經雜湊函式映象到位址集合中任何一個位址的概率是相等的，則稱此類雜湊函式為均勻雜湊函式（Uniform Hash function），這就使關鍵字經過雜湊函式得到一個「隨機的位址」，從而減少衝突。

構造雜湊函式

雜湊函式能使對一個資料序列的查詢過程更加迅速有效，通過雜湊函式，資料元素將被更快定位。

1. 直接定址法：取關鍵字或關鍵字的某個線性函式值為雜湊位址。即${\displaystyle hash(k)=k}$或${\displaystyle hash(k)=a\cdot k+b}$，其中${\displaystyle a\,b}$為常數（這種雜湊函式叫做自身函式）
2. 數字分析法：假設關鍵字是以r為基的數，並且雜湊表中可能出現的關鍵字都是事先知道的，則可取關鍵字的若干數位組成雜湊位址。
3. 平方取中法：取關鍵字平方後的中間幾位為雜湊位址。通常在選定雜湊函式時不一定能知道關鍵字的全部情況，取其中的哪幾位也不一定合適，而一個數平方後的中間幾位數和數的每一位都相關，由此使隨機分布的關鍵字得到的雜湊位址也是隨機的。取的位數由表長決定。
4. 摺疊法：將關鍵字分割成位數相同的幾部分（最後一部分的位數可以不同），然後取這幾部分的疊加和（捨去進位）作為雜湊位址。
5. 亂數法
6. 除留餘數法：取關鍵字被某個不大於雜湊表表長m的數p除後所得的餘數為雜湊位址。即${\displaystyle hash(k)=k\,{\bmod {\,}}p}$, ${\displaystyle p\leq m}$。不僅可以對關鍵字直接取模，也可在摺疊法、平方取中法等運算之後取模。對p的選擇很重要，一般取素數或m，若p選擇不好，容易產生衝突。

處理衝突

為了知道衝突產生的相同雜湊函式位址所對應的關鍵字，必須選用另外的雜湊函式，或者對衝突結果進行處理。而不發生衝突的可能性是非常之小的，所以通常對衝突進行處理。常用方法有以下幾種：

• 開放定址法（open addressing）：${\displaystyle hash_{i}=(hash(key)+d_{i})\,{\bmod {\,}}m}$, ${\displaystyle i=1,2...k\,(k\leq m-1)}$，其中${\displaystyle hash(key)}$為雜湊函式，${\displaystyle m}$為雜湊表長，${\displaystyle d_{i}}$為增量序列，${\displaystyle i}$為已發生衝突的次數。增量序列可有下列取法：

${\displaystyle d_{i}=1,2,3...(m-1)}$稱為線性探測（Linear Probing）；即${\displaystyle d_{i}=i}$，或者為其他線性函式。相當於逐個探測存放位址的表，直到尋找到一個空單元，把雜湊位址存放在該空單元。

${\displaystyle d_{i}=\pm 1^{2},\pm 2^{2},\pm 3^{2}...\pm k^{2}}$ ${\displaystyle (k\leq m/2)}$稱為 平方探測(Quadratic Probing)。相對線性探測，相當於發生衝突時探測間隔${\displaystyle d_{i}=i^{2}}$個單元的位置是否為空，如果為空，將位址存放進去。

${\displaystyle d_{i}=}$偽亂數序列，稱為 偽隨機探測。

顯示線性探測填裝一個雜湊表的過程：

關鍵字為{89,18,49,58,69}插入到一個雜湊表中的情況。此時線性探測的方法是取${\displaystyle d_{i}=i}$。並假定取關鍵字除以10的餘數為雜湊函式法則。

雜湊位址	空表	插入89	插入18	插入49	插入58	插入69
0				49	49	49
1					58	58
2						69
3
4
5
6
7
8			18	18	18	18
9		89	89	89	89	89

第一次衝突發生在填裝49的時候。位址為9的單元已經填裝了89這個關鍵字，所以取${\displaystyle i=1}$，往下尋找一個單位，發現為空，所以將49填裝在位址為0的空單元。第二次衝突則發生在58上，取${\displaystyle i=3}$，往下尋找3個單位，將58填裝在位址為1的空單元。69同理。

表的大小選取至關重要，此處選取10作為大小，發生衝突的機率就比選擇質數11作為大小的可能性大。越是質數，mod取余就越可能均勻分布在表的各處。

聚集（Cluster，也翻譯做「堆積」）的意思是，在函式位址的表中，雜湊函式的結果不均勻地占據表的單元，形成區塊，造成線性探測產生一次聚集（primary clustering）和平方探測的二次聚集（secondary clustering），雜湊到區塊中的任何關鍵字需要尋找多次試選單元才能插入表中，解決衝突，造成時間浪費。對於開放定址法，聚集會造成效能的災難性損失，是必須避免的。

• 單獨鏈結串列法：將雜湊到同一個儲存位置的所有元素儲存在一個鏈結串列中。實現時，一種策略是雜湊表同一位置的所有衝突結果都是用棧存放的，新元素被插入到表的前端還是後端完全取決於怎樣方便。

• 雙雜湊。

• 再雜湊：${\displaystyle hash_{i}=hash_{i}(key)}$, ${\displaystyle i=1,2...k}$。${\displaystyle hash_{i}}$是一些雜湊函式。即在上次雜湊計算發生衝突時，利用該次衝突的雜湊函式位址產生新的雜湊函式位址，直到衝突不再發生。這種方法不易產生「聚集」（Cluster），但增加了計算時間。

• 建立一個公共溢位區。

常式

在C語言中，實現以上過程的簡要程式^[1]：

• 開放定址法：

// HashTable
InitializeTable(int TableSize) {
    HashTable H;
    int i;
    // 為散列表分配空間
    // 有些编譯器不支持為struct HashTable 分配空間，聲稱這是一個不完全的結構，
    // 可使用一个指向HashTable的指針為之分配空間。
    // 如：sizeof(Probe)，Probe作为HashTable在typedef定義的指針。
    H = malloc(sizeof(struct HashTable));
    // 散列表大小为一个質数
    H->TableSize = Prime;
    // 分配表所有地址的空間
    H->Cells = malloc(sizeof(Cell) * H->TableSize);
    // 地址初始為空
    for (i = 0; i < H->TableSize; i++)
        H->Cells[i].info = Empty;
    return H;
}

尋找空單元並插入：

// Position
Find(ElementType Key, HashTable H) {
    Position Current;
    int CollisionNum;
    // 冲突次数初始为0
    // 通過表的大小對關鍵字進行處理
    CollisionNum = 0;
    Current = Hash( Key, H->TableSize );
    // 不為空時進行查詢
    while (H->Cells[Current].info != Empty &&
            H->Cells[Current].Element != Key) {
        Current = ++CollosionNum * ++CollisionNum;
        // 向下查找超過表範圍時回到表的開頭
        if (Current >= H->TableSize)
            Current -= H->TableSize;
    }
    return Current;
}

• 分離連接法

尋找效率

雜湊表的尋找過程基本上和造表過程相同。一些關鍵碼可通過雜湊函式轉換的位址直接找到，另一些關鍵碼在雜湊函式得到的位址上產生了衝突，需要按處理衝突的方法進行尋找。在介紹的三種處理衝突的方法中，產生衝突後的尋找仍然是給定值與關鍵碼進行比較的過程。所以，對雜湊表尋找效率的量度，依然用平均尋找長度來衡量。

尋找過程中，關鍵碼的比較次數，取決於產生衝突的多少，產生的衝突少，尋找效率就高，產生的衝突多，尋找效率就低。因此，影響產生衝突多少的因素，也就是影響尋找效率的因素。影響產生衝突多少有以下三個因素：

1. 雜湊函式是否均勻；
2. 處理衝突的方法；
3. 雜湊表的載荷因子（英語：load factor）。

載荷因子

雜湊表的載荷因子定義為：${\displaystyle \alpha }$ = 填入表中的元素個數 / 雜湊表的長度

${\displaystyle \alpha }$是雜湊表裝滿程度的標誌因子。由於表長是定值，${\displaystyle \alpha }$與「填入表中的元素個數」成正比，所以，${\displaystyle \alpha }$越大，表明填入表中的元素越多，產生衝突的可能性就越大；反之，${\displaystyle \alpha }$越小，標明填入表中的元素越少，產生衝突的可能性就越小。實際上，雜湊表的平均尋找長度是載荷因子${\displaystyle \alpha }$的函式，只是不同處理衝突的方法有不同的函式。

對於開放定址法，荷載因子是特別重要因素，應嚴格限制在0.7-0.8以下。超過0.8，查表時的CPU快取不命中（cache missing）按照指數曲線上升。因此，一些採用開放定址法的hash庫，如Java的系統庫限制了荷載因子為0.75，超過此值將resize雜湊表。

舉例：Linux核心的bcache

Linux作業系統在物理檔案系統與塊裝置驅動程式之間引入了「緩衝區快取」（Buffer Cache，簡稱bcache）。當讀寫磁碟檔案的資料，實際上都是對bcache操作，這大大提高了讀寫資料的速度。如果要讀寫的磁碟資料不在bcache中，即快取不命中（miss），則把相應資料從磁碟載入到bcache中。一個快取資料大小是與檔案系統上一個邏輯塊的大小相對應的（例如1KiB位元組），在bcache中每個快取資料塊用struct buffer_head記載其元資訊：

struct buffer_head {
    char *b_data;               // 指向缓存的数据块的指针
    unsigned long b_blocknr;    // 逻辑块号
    unsigned short b_dev;       // 设备号
    unsigned char b_uptodate;   // 缓存中的数据是否是最新的
    unsigned char b_dirt;       // 缓存中数据是否为脏数据
    unsigned char b_count;      // 这个缓存块被引用的次数
    unsigned char b_lock;       // b_lock表示这个缓存块是否被加锁
    struct task_struct *b_wait; // 等待在这个缓存块上的进程
    struct buffer_head *b_prev; // 指向缓存中相同hash值的下一个缓存块
    struct buffer_head *b_next; // 指向缓存中相同hash值的上一个缓存块
    struct buffer_head *b_prev_free; // 缓存块空闲链表中指向下一个缓存块
    struct buffer_head *b_next_free; // 缓存块空闲链表中指向上一个缓存块
};

整個bcache以struct buffer_head為基本資料單元，組織為一個封閉定址（close addressing，即「單獨鏈結串列法」解決衝突）的雜湊表struct buffer_head * hash_table[NR_HASH]; 雜湊函式的輸入關鍵字是b_blocknr（邏輯塊號）與b_dev（裝置號）。計算hash值的雜湊函式表達式為：

(b_dev ^ b_blocknr) % NR_HASH

其中NR_HASH是雜湊表的條目總數。發生「 衝突」的struct buffer_head，以b_prev與b_next指標組成一個雙向（不迴圈）鏈結串列。bcache中所有的struct buffer_head，包括使用中不空閒與未使用空閒的struct buffer_head，以b_prev_free和b_next_free指標組成一個雙向迴圈鏈結串列free_list，其中未使用空閒的struct buffer_head放在該鏈結串列的前部。

參考文獻

1. Data Structures and Algorithm Analysis in C (2nd edition).. [2017-02-16]. （原始內容存檔於2020-11-09）.