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(转载)hash_map总结  

2012-01-06 10:56:20|  分类: 算法及数据结构 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 原文地址: http://blog.csdn.net/oanqoanq/article/details/7041751

hash_map总结

分类: c/c++2011-12-05 12:31 149人阅读 评论(0) 收藏 举报

 

0 为什么需要hash_map

map提供一个很常用的功能,实现使用了红黑树,效率很高,100万条记录,最多也只要20次的比较,就能找到你要找的记录;200万条记录事,也只要用21次的比较。

has_map只需要一两次比较.虽然hash_map目前并没有纳入C++ 标准模板库中,但几乎每个版本的STL都提供了相应的实现。而且应用十分广泛。

 

1 数据结构:hash_map原理

hash_map基于hash table(哈希表)。 哈希表最大的优点,就是把数据的存储和查找消耗的时间大大降低,几乎可以看成是常数时间;而代价仅仅是消耗比较多的内存。

其基本原理是:使用一个下标范围比较大的数组来存储元素。可以设计一个函数(哈希函数,也叫做散列函数),使得每个元素的关键字都与一个函数值(即数组下标,hash值)相对应,于是用这个数组单元来存储这个元素;也可以简单的理解为,按照关键字为每一个元素“分类”,然后将这个元素存储在相应“类”所对应的地方,称为桶。

但是,不能够保证每个元素的关键字与函数值是一一对应的,因此极有可能出现对于不同的元素,却计算出了相同的函数值,这样就产生了“冲突”,换句话说,就是把不同的元素分在了相同的“类”之中。 总的来说,“直接定址”与“解决冲突”是哈希表的两大特点。

hash_map,首先分配一大片内存,形成许多桶。是利用hash函数,对key进行映射到不同区域(桶)进行保存。其插入过程是:


得到key
通过hash函数得到hash值
得到桶号(一般都为hash值对桶数求模)
存放key和value在桶内。

其取值过程是:


得到key
通过hash函数得到hash值
得到桶号(一般都为hash值对桶数求模)
比较桶的内部元素是否与key相等,若都不相等,则没有找到。
取出相等的记录的value。

hash_map中直接地址用hash函数生成,解决冲突,用比较函数解决。这里可以看出,如果每个桶内部只有一个元素,那么查找的时候只有一次比较。当许多桶内没有值时,许多查询就会更快了(指查不到的时候).

由此可见,要实现哈希表, 和用户相关的是:hash函数和比较函数。这两个参数刚好是我们在使用hash_map时需要指定的参数。

 

2 hash_map 使用

2.1 一个简单实例

#include <hash_map>
#include <string>
using namespace std;
int main(){
        hash_map<int, string> mymap;
        mymap[9527]="唐伯虎点秋香";
        mymap[1000000]="百万富翁的生活";
        mymap[10000]="白领的工资底线";
        ...
        if(mymap.find(10000) != mymap.end()){
                ...
        }

和map使用方法一样。在你没有指定hash函数和比较函数的时候,你会有一个缺省的函数,看看hash_map的声明,你会更加明白。下面是SGI STL的声明:

 

template <class _Key, class _Tp, class _HashFcn = hash<_Key>,
class _EqualKey = equal_to<_Key>,
class _Alloc = __STL_DEFAULT_ALLOCATOR(_Tp) >
class hash_map
{
        ...
}

 

2.2 hash_map 的hash函数

 

struct hash<int> {
        size_t operator()(int __x) const { return __x; }
};

原来是个函数对象。在SGI STL中,提供了以下hash函数:

 

struct hash<char*>
struct hash<const char*>
struct hash<char> 
struct hash<unsigned char> 
struct hash<signed char>
struct hash<short>
struct hash<unsigned short> 
struct hash<int> 
struct hash<unsigned int>
struct hash<long> 
struct hash<unsigned long>

也就是说,如果你的key使用的是以上类型中的一种,你都可以使用缺省的hash函数。当然你自己也可以定义自己的hash函数。对于自定义变量,你只能如此,例如对于string,就必须自定义hash函数。例如:

 

struct str_hash{
        size_t operator()(const string& str) const
        {
                unsigned long __h = 0;
                for (size_t i = 0 ; i < str.size() ; i ++)
                __h = 5*__h + str[i];
                return size_t(__h);
        }
};
//如果你希望利用系统定义的字符串hash函数,你可以这样写:
struct str_hash{
        size_t operator()(const string& str) const
        {
                return __stl_hash_string(str.c_str());
        }
};

在声明自己的哈希函数时要注意以下几点:


使用struct,然后重载operator().
返回是size_t
参数是你要hash的key的类型。
函数是const类型的。

 

2.3 hash_map 的比较函数

在map中的比较函数,需要提供less函数。如果没有提供,缺省的也是less< Key> 。在hash_map中,要比较桶内的数据和key是否相等,因此需要的是是否等于的函数:equal_to< Key> 。先看看equal_to的源码:

 

//本代码可以从SGI STL
//先看看binary_function 函数声明,其实只是定义一些类型而已。
template <class _Arg1, class _Arg2, class _Result>
struct binary_function {
        typedef _Arg1 first_argument_type;
        typedef _Arg2 second_argument_type;
        typedef _Result result_type;
};
//看看equal_to的定义:
template <class _Tp>
struct equal_to : public binary_function<_Tp,_Tp,bool>
{
        bool operator()(const _Tp& __x, const _Tp& __y) const { return __x == __y; }
};

如果你使用一个自定义的数据类型,如struct mystruct, 或者const char* 的字符串,如何使用比较函数?使用比较函数,有两种方法. 第一种是:重载==操作符,利用equal_to;看看下面的例子:

 

struct mystruct{
        int iID;
        int  len;
        bool operator==(const mystruct & my) const{
                return (iID==my.iID) && (len==my.len) ;
        }
};

这样,就可以使用equal_to< mystruct>作为比较函数了。另一种方法就是使用函数对象。自定义一个比较函数体:

 

struct compare_str{
        bool operator()(const char* p1, const char*p2) const{
                return strcmp(p1,p2)==0;
        }
};

有了compare_str,就可以使用hash_map了。

 

typedef hash_map<const char*, string, hash<const char*>, compare_str> StrIntMap;
StrIntMap namemap;

2.4 hash_map 函数

hash_map的函数和map的函数差不多。具体函数的参数和解释,这里主要介绍几个常用函数。


hash_map(size_type n) 如果讲究效率,这个参数是必须要设置的。n 主要用来设置hash_map 容器中hash桶的个数。桶个数越多,hash函数发生冲突的概率就越小,重新申请内存的概率就越小。n越大,效率越高,但是内存消耗也越大。
const_iterator find(const key_type& k) const. 用查找,输入为键值,返回为迭代器。
data_type& operator[](const key_type& k) . 这是我最常用的一个函数。因为其特别方便,可像使用数组一样使用。不过需要注意的是,当你使用[key ]操作符时,如果容器中没有key元素,这就相当于自动增加了一个key元素。因此当你只是想知道容器中是否有key元素时,你可以使用find。如果你希望插入该元素时,你可以直接使用[]操作符。
insert 函数。在容器中不包含key值时,insert函数和[]操作符的功能差不多。但是当容器中元素越来越多,每个桶中的元素会增加,为了保证效率,hash_map会自动申请更大的内存,以生成更多的桶。因此在insert以后,以前的iterator有可能是不可用的。
erase 函数。在insert的过程中,当每个桶的元素太多时,hash_map可能会自动扩充容器的内存。但在sgi stl中是erase并不自动回收内存。因此你调用erase后,其他元素的iterator还是可用的。

 

3 相关hash容器

hash 容器除了hash_map之外,还有hash_set, hash_multimap, has_multiset, 这些容器使用起来和set, multimap, multiset的区别与hash_map和map的区别一样

 

4 其他

这里列几个常见问题,应该对你理解和使用hash_map比较有帮助。

4.1 hash_map和map的区别在哪里?


构造函数。hash_map需要hash函数,等于函数;map只需要比较函数(小于函数).
存储结构。hash_map采用hash表存储,map一般采用红黑树(RB Tree)实现。因此其memory数据结构是不一样的。

 

4.2 什么时候需要用hash_map,什么时候需要用map?

总体来说,hash_map 查找速度会比map快,而且查找速度基本和数据量大小无关,属于常数级别;而map的查找速度是log(n)级别。并不一定常数就比log(n)小,hash还有hash函数的耗时,明白了吧,如果你考虑效率,特别是在元素达到一定数量级时,考虑考虑hash_map。但若你对内存使用特别严格,希望程序尽可能少消耗内存,那么一定要小心,hash_map可能会让你陷入尴尬,特别是当你的hash_map对象特别多时,你就更无法控制了,而且hash_map的构造速度较慢。

现在知道如何选择了吗?权衡三个因素: 查找速度, 数据量, 内存使用。

 

4.3 如何在hash_map中加入自己定义的类型?

你只要做两件事, 定义hash函数,定义等于比较函数。下面的代码是一个例子:

 

-bash-2.05b$ cat my.cpp
#include <hash_map>
#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;
//define the class
class ClassA{
        public:
        ClassA(int a):c_a(a){}
        int getvalue()const { return c_a;}
        void setvalue(int a){c_a;}
        private:
        int c_a;
};
//1 define the hash function
struct hash_A{
        size_t operator()(const class ClassA & A)const{
                //  return  hash<int>(classA.getvalue());
                return A.getvalue();
        }
};
//2 define the equal function
struct equal_A{
        bool operator()(const class ClassA & a1, const class ClassA & a2)const{
                return  a1.getvalue() == a2.getvalue();
        }
};
int main()
{
        hash_map<ClassA, string, hash_A, equal_A> hmap;
        ClassA a1(12);
        hmap[a1]="I am 12";
        ClassA a2(198877);
        hmap[a2]="I am 198877";
        
        cout<<hmap[a1]<<endl;
        cout<<hmap[a2]<<endl;
        return 0;
}
-bash-2.05b$ make my
c++  -O -pipe -march=pentiumpro  my.cpp  -o my
-bash-2.05b$ ./my
I am 12
I am 198877

 

4.4为什么hash_map不是标准的?

具体为什么不是标准的,我也不清楚,有个解释说在STL加入标准C++之时,hash_map系列当时还没有完全实现,以后应该会成为标准。如果谁知道更合理的解释,也希望告诉我。但我想表达的是,正是因为hash_map不是标准的,所以许多平台上安装了g++编译器,不一定有hash_map的实现。我就遇到了这样的例子。因此在使用这些非标准库的时候,一定要事先测试。另外,如果考虑到平台移植,还是少用为佳。

 

4.5 与map的性能对比

当key为int时,插入和查找性能如下图(横坐标代表数据规模,纵坐标代表时间,单位微秒)

 

当key为string时,插入和查找性能如下图

 

总结:在数据规模较小(100左右),hash_map和map的时间效率差不多,随着数据规模的增大,两者差距也越来越大,尤其时当数据规模达到百万量级时,两者的性能差距凸显

 

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