【高级程序设计语言C++】哈希桶

1. 哈希桶概念

在C++中，哈希桶是一种用于实现哈希表的数据结构。哈希表是一种高效的数据结构，用于存储键值对，并支持快速的插入、查找和删除操作。

哈希桶的基本思想是通过将键映射到桶中的索引来存储和访问数据。具体实现中，通常使用一个数组来表示桶，每个桶可以存储一个或多个键值对。为了将键映射到桶中的索引，通常使用哈希函数来计算键的哈希值，然后对桶的数量取模，得到键的索引。

哈希桶可以理解为一个指针数组，数组的每个元素都是一个指针，而这个指针是一个单链表的表头，数组的每一个位置都挂着一个单链表。

如图所示：

这一个个的单链表你可以把他当成桶来看。哈希桶又名链地址法，因此元素是一个个的单链表。

2. 哈希桶的基础模型

class HashBucket
	{
		typedef HashBucketNode<V> Node;
		typedef Node* PNode;
	public:
		HashBucket(size_t capacity)
			: _table(GetNextPrime(capacity))
			, _size(0)
		{}
		~HashBucket()
		{
			Clear();
		}
	private:
		vector<Node*> _table;
		size_t _size;      // 哈希表中有效元素的个数
	};

3. 哈希桶的插入

哈希桶的插入有以下步骤

1. 先用哈希函数找到要插入的位置
2. 再用头插法插入到单链表中

注意：

1. 这里的插入都是不插入重复元素
2. 注意扩容的问题

代码如下：

Node* Insert(const V& data)
{
    // 0. 检测是否需要扩容
    CheckCapacity();

    // 1. 通过哈希函数计算data所在的桶号
    size_t bucketNo = HashFunc(data);

    // 2. 检测该元素是否在bucketNo桶中
    //    本质：检测链表中是否存在data的节点
    Node* pCur = _table[bucketNo];
    while (pCur)
    {
        if (pCur->_data == data)
            return nullptr;

        pCur = pCur->_pNext;
    }

    // 插入新节点
    pCur = new Node(data);
    pCur->_pNext = _table[bucketNo];
    _table[bucketNo] = pCur;
    ++_size;
    return pCur;
}

扩容的代码：

void CheckCapacity()
{
    if (_size == _table.capacity())
    {
        // 将旧哈希桶中的节点直接向新哈希桶中搬移
        for (size_t i = 0; i < _table.capacity(); ++i)
        {
            Node* pCur = _table[i];
            while (pCur)
            {
                // 将pCur节点从旧哈希桶搬移到新哈希桶
                // 1. 将pCur节点从旧链表中删除
                _table[i] = pCur->_pNext;

                // 2. 将pCur节点插入到新链表中
                size_t bucketNo = ht.HashFunc(pCur->_data);

                // 3. 插入节点--->头插
                pCur->_pNext = ht._table[bucketNo];
                ht._table[bucketNo] = pCur;
            }
        }
        this->Swap(ht);
    }
}

4. 哈希桶的删除

删除有以下步骤

1. 先用哈希函数找到删除元素的位置
2. 从该位置的头节点开始，遍历链表
3. 找到元素，开始删除，变换节点

代码如下：

bool Erase(const V& data)
{
    size_t bucketNo = HashFunc(data);
    Node* pCur = _table[bucketNo];
    Node* pPre = nullptr;

    while (pCur)
    {
        if (data == pCur->_data)
        {
            // 删除
            if (_table[bucketNo] == pCur)
            {
                // 删除第一个节点
                _table[bucketNo] = pCur->_pNext;
            }
            else
            {
                // 删除的不是第一个节点
                pPre->_pNext = pCur->_pNext;
            }

            delete pCur;
            --_size;
            return true;
        }

        pPre = pCur;
        pCur = pCur->_pNext;
    }

    return false;
}

5. 哈希桶的查找

查找的步骤如下：

1. 先用哈希函数确定元素的位置
2. 遍历该位置的链表，找到元素

Node* Find(const V& data)
{
    size_t bucketNo = HashFunc(data);
    Node* pCur = _table[bucketNo];
    while (pCur)
    {
        if (data == pCur->_data)
            return pCur;

        pCur = pCur->_pNext;
    }
    return nullptr;
}