277
правок
Изменения
Нет описания правки
'''Хеширование''' {{- --}} класс методов поиска, идея которого состоит в использовании некоторой частичной информации, полученной из ключа (однозначно характеризующего элемент; ключ в хеш-таблице является хеш-кодом), в качестве основы поиска. С помощью хеш-функции мы вычисляем хеш-код и используем его для проведения поиска. В общем случае, однозначного соответствия между исходными данными и хеш-кодом нет в силу того, что количество значений хеш-функций меньше, чем вариантов исходных данных, поэтому существуют элементы, имеющие одинаковые хеш-коды — так называемые коллизии, но если два элемента имеют разный хеш-код, то они гарантированно
различаются. Вероятность возникновения коллизий играет немаловажную роль в оценке качества хеш-функций.
{{Определение
|id=def1
|definition=<tex>] U </tex> {{---}} множество объектов (универсум).<br> <tex>h : U \rightarrow S = \mathcal {f} 0 ... m - 1 \mathcal {g}</tex> {{---}} называется хеш-функцией, где множество <tex>S</tex> хранит ключи из множества <tex>U</tex>.<br> Если <tex>x \in U</tex> значит <tex>h(x) \in S</tex> <br> '''Коллизия: ''' <tex>\exists x \neq y : h(x) = h(y)</tex>
}}
== Хеш-таблица ==
'''Хеш-табли́ца''' — {{---}} структура данных, реализующая интерфейс ассоциативного массива. Представляет собой эффективную структуру данных для реализации словарей, а именно, она позволяет хранить пары (ключ, значение) и выполнять три операции: операцию добавления новой пары, операцию поиска и операцию удаления пары по ключу.
==== Введение ====Существует два основных варианта хеш-таблиц: ''с цепочками '' и ''открытой адресацией''. Хеш-таблица содержит некоторый массив <tex>H</tex>, элементы которого есть пары (хеш-таблица с открытой адресацией) или списки пар (хеш-таблица с цепочками).
Выполнение операции в хеш-таблице начинается с вычисления хеш-функции от ключа. Получающееся хеш-значение <tex>i = h(key)</tex> играет роль индекса в массиве <tex>H</tex>. Затем, зная индекс, мы можем выполнить требующуюся операцию (добавление, удаление или поиск).
Ситуация, когда для различных ключей получается одинаковое хеш-значение (коллизия), встречается не так уж и редко, и зависит от хеш-функции. Чем лучше, используемая хеш-функция, тем меньше вероятность возникновения коллизии. При вставке в хеш-таблицу размером 365 ячеек всего лишь 23-х элементов вероятность коллизии превышает 50 % (при равномерном распределении значений хеш-функции)<ref>[http://ru.wikipedia.org/wiki/Парадокс_дней_рождения Википедия: Парадокс дней рождений]</ref>. Способ разрешения коллизий — важная составляющая любой хеш-таблицы.
Полностью избежать коллизий для произвольных данных невозможно в принципе, и хорошая хеш-функция в состоянии только минимизировать их количество. Но, в некоторых специальных случаях их удаётся избежать. Если все ключи элементов известны заранее, либо меняются очень редко, то можно подобрать хеш-функцию, с помощью которой, все ключи будут распределены по хеш-таблице без коллизий. Это хеш-таблицы с ''прямой адресацией''; в них все операции, такие как: поиск, вставка и удаление {{---}} работают за <tex>O(1)</tex>.
Если мы поделим число хранимых элементов на размер массива <tex>H</tex> (число возможных значений хеш-функции), то узнаем коэффициент заполнения хеш-таблицы (load factor). От этого параметра зависит среднее время выполнения операций.
==== Свойства хеш-таблицы ====
На поиск элемента в хеш-таблице в худшем случае, может потребоваться столько же времени, как и в связанном списке, а именно <tex>\Theta(n)</tex>, но на практике хеширование исключительно эффективно. При некоторых разумных допущениях математическое ожидание времени поиска элемента в хеш-таблице составляет <tex>O(1)</tex>. А все операции (поиск, вставка и удаление элементов) в среднем выполняются за время <tex>O(1)</tex>.
== Разрешение коллизий ==
=== Хеширование цепочками Открытое хеширование ===
[[Файл:open_hash.png|thumb|380px|right|Разрешение коллизий при помощи цепочек.]]
Открытое хеширование или хеширование цепочками. Каждая ячейка <tex>i</tex> массива <tex>H</tex> содержит указатель на начало списка всех элементов, хеш-значение ключа которых равно <tex>i</tex>, иначе она содержит значение <tex>NIL</tex>либо указывает на их отсутствие. Коллизии приводят к тому, что появляются списки размером больше одного элемента.
Время, необходимое для вставки в наихудшем случае равно <tex>O(1)</tex>. Это операция выполняет быстро, так как считается, что вставляемый элемент отсутствует в таблице, но если потребуется, то перед вставкой мы может можем выполнить поиск этого элемента.
Время работы поиска в наихудшем случае пропорционально длине списка, а если все <tex>n</tex> ключей хешированы в одну и ту же ячейку (создавая список длиной <tex>n</tex>) время поиска будет равно <tex>\Theta(n)</tex> плюс время вычисления хеш-функции, что ничуть не лучше, чем использование связного списка для хранения всех <tex>n</tex> элементов.
Удаления элемента может быть выполнено за <tex>O(1)</tex>, как и вставка, при использовании двухсвязного списка.<ref>Анализ хеширования с цепочками, вы можете найти в книге Томаса Кормена: «Алгоритмы. Построение и анализ.»</ref>
=== Открытое Закрытое хеширование с линейным разрешением коллизий ===
[[Файл:close_hash.png|thumb|380px|right|Пример хеш-таблицы с открытой адресацией и линейным пробированием.]]
В случае метода открытой адресации (или по-другому {{---}} метод закрытого хеширования) все элементы хранятся непосредственно в хеш-таблице, без использования связных списков. В отличии от хеширования с цепочками, при использовании метода открытой адресации может возникнуть ситуация, когда хеш-таблица окажется полностью заполненной, следовательно будет невозможно добавлять в неё новые элементы. Так что при возникновении такой ситуации решением может быть динамическое увеличение размера хеш-таблицы, с одновременной её перестройкой.
Рассмотрим один из методов борьбы с коллизиями.
==== Линейное разрешение коллизий ====
В массиве <tex>H</tex> хранятся сами пары ключ-значение. Алгоритм вставки элемента проверяет ячейки массива <tex>H</tex> в заданном порядке до тех пор, пока не будет найдена первая свободная ячейка, в неё и будет записан новый элемент. Это позволяет сэкономить память на хранение указателей.
<references/>
== Литература Источники ==* Томас Кормен, Чарльз Лейзерсон, Рональд Ривест, Клиффорд Штайн. «Алгоритмы. Построение и анализ» {{---}} Издательство: «Вильямс», 2011 г. {{-- -}} 1296 стр. {{---}} ISBN 978-5-8459-0857-5, 5-8459-0857-4, 0-07-013151-1* Дональд Кнут. «Искусство программирования, том 3. Сортировка и поиск» {{---}} Издательство: «Вильямс», 2007 г. — {{---}} 824 стр. {{---}} ISBN 0-201-89685-0
* [http://ru.wikipedia.org/wiki/Хеширование Википедия: Хеширование]
* [http://ru.wikipedia.org/wiki/Хеш-таблица Википедия: Хеш-таблица]
[[Категория:Дискретная математика и алгоритмы]]
[[Категория: Хеширование]]
