什么是哈希表和哈希映射以及它们的典型用例？

Posted 2023-02-25

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【中文标题】什么是哈希表和哈希映射以及它们的典型用例？【英文标题】：What are hashtables and hashmaps and their typical use cases? 【发布时间】：2010-09-13 09:20:00 【问题描述】：

我最近几次遇到这些术语，但我很困惑它们是如何工作的，以及它们通常何时实施？

【问题讨论】：

【参考方案1】：

好吧，这样想吧。

如果你使用一个数组，一个简单的基于索引的数据结构，并用随机的东西填充它，当你用数据填充它时，找到一个特定的条目会变得越来越昂贵，因为你基本上必须从一端到另一端开始搜索，直到找到你想要的。

如果您想更快地访问数据，您通常会求助于对数组进行排序并使用二进制搜索。然而，这虽然提高了查找现有值的速度，但会降低插入新值的速度，因为当您需要在中间插入一个元素时，您需要移动现有元素。

另一方面，哈希表有一个相关的函数，它接受一个条目，并将其简化为一个数字，一个哈希键。然后将该数字用作数组的索引，这是您存储条目的位置。

哈希表围绕一个数组旋转，该数组最初是空的。空不代表零长度，数组以一个大小开始，但数组中的所有元素都不包含任何内容。

每个元素都有两个属性，数据和标识数据的键。例如，美国的邮政编码列表将是邮政编码 -> 名称类型的关联。该函数减少了密钥，但不考虑数据。

因此，当您将某些内容插入哈希表时，该函数会将键减少为一个数字，该数字用作此（空）数组的索引，这是您存储数据的地方，包括键和关联的数据。

然后，稍后，您想找到一个您知道密钥的特定条目，因此您通过相同的函数运行密钥，获取其哈希键，然后转到哈希表中的特定位置并检索数据在那里。

理论认为，将您的密钥减少为哈希密钥（该数字）的函数在计算上比线性搜索便宜得多。

典型的哈希表没有无限数量的可用于存储的元素，因此该数量通常会进一步减少到适合数组大小的索引。一种方法是简单地将索引的模数与数组的大小进行比较。对于大小为 10 的数组，索引 0-9 会直接映射到索引，索引 10-19 会再次映射到 0-9，以此类推。

一些键将被缩减为与哈希表中现有条目相同的索引。此时，直接比较实际的键，所有规则都与比较键的数据类型相关联（例如，普通字符串比较）。如果完全匹配，则要么忽略新数据（它已经存在），要么覆盖（替换该键的旧数据），或者添加它（多值哈希表）。如果没有匹配，这意味着虽然哈希键是相同的，但实际的键不是，您通常会找到一个新的位置来存储该键+数据。

冲突解决有很多实现，最简单的一种就是直接去数组中的下一个空元素。不过，这个简单的解决方案还有其他问题，因此找到正确的解析算法也是哈希表的一个很好的练习。

哈希表也可以增长，如果它们完全（或接近）填满，这通常是通过创建一个新大小的新数组，并再次计算所有索引，并将项目放入新数组中来完成的在他们的新位置。

将键减少为数字的函数不会产生线性值，即。 "AAA" 变成 1，然后 "AAB" 变成 2，所以哈希表没有按任何典型值排序。

还有一篇关于该主题的优秀***文章，here。

【讨论】：

据我了解，此类哈希也不需要加密安全，因此您可以选择最快的，因为通常您不会试图用这些隐藏任何东西。 【参考方案2】：

lassevk 的回答非常好，但可能包含太多细节。这是执行摘要。我故意省略了某些相关信息，您可以放心地忽略 99% 的时间。

99% 的情况下，哈希表和哈希映射之间没有重要区别。

哈希表很神奇

说真的。它是一个神奇的数据结构，除了保证三件事。（也有例外。您可以在很大程度上忽略它们，尽管有一天学习它们可能对您有用。）

1) 哈希表中的所有内容都是一对的一部分——有一个key和一个value。您通过指定您正在操作的键来输入和取出数据。

2) 如果您通过哈希表上的单个键执行任何操作，它会非常快。这意味着put(key,value)、get(key)、contains(key) 和 remove(key) 都非常快。

3) 通用哈希表无法执行 #2 中未列出的任何操作！（“失败”是指它们非常缓慢。）

我们什么时候使用哈希表？

当哈希表的魔力适合我们的问题时，我们会使用哈希表。

例如，缓存经常使用哈希表结束——例如，假设我们在一所大学有 45,000 名学生，并且某些进程需要保留所有学生的记录。如果您经常通过 ID 号引用学生，那么 ID => student 缓存非常有意义。您正在为此缓存优化的操作是快速查找。

哈希对于存储数据之间的关系也非常有用，当您不想完全投入并改变对象本身时。例如，在课程注册期间，能够将学生与他们正在学习的课程联系起来可能是一个好主意。但是，无论出于何种原因，您可能不希望 Student 对象本身知道这一点。使用studentToClassRegistration 散列并在你做任何你需要做的事情时保留它。

它们也是相当不错的数据结构首选，除非您需要执行以下操作之一：