使用python实现哈希表、字典、集合操作

2024-08-08 13:46:17

哈希表

哈希表（Hash Table, 又称为散列表），是一种线性表的存储结构。哈希表由一个直接寻址表和一个哈希函数组成。哈希函数h(k)将元素关键字k作为自变量，返回元素的存储下标。

简单哈希函数：

除法哈希：h(k) = k mod m乘法哈希：h(k) = floor(m(kA mod 1)) 0<A<1

假设有一个长度为7的数组，哈希函数h(k) = k mod 7,元素集合{14, 22, 3, 5}的存储方式如下图：

哈希冲突

由于哈希表的大小是有限的，而要存储的值的总数量是无限的，因此对于任何哈希函数，都会出现两个不同的元素映射到同一个位置上的情况，这种情况叫做哈希冲突。

比如：h(k) = k mod 7, h(0) = h(7) = h(14) = ...

解决哈希冲突--开放寻址法

开放寻址法：如果哈希函数返回的位置已经有值，则可以向后探查新的位置来存储这个值

线性探查：如果位置i被占用，则探查i+1, i+2,...二次探查：如果位置i被占用，则探查i+12, i-12, i+22, i-22,...二度哈希：有n个哈希函数，当使用第一个哈希函数h1发生冲突时，则尝试使用h2, h3,...

解决哈希冲突--拉链法

拉链法：哈希表每一个位置都连接一个链表，当冲突发生时，冲突的元素将被加到该位置链表的最后。

哈希表的实现

class Array(object):

 def __init__(self, size=32, init=None):
  self._size = size
  self._items = [init] * size

 def __getitem__(self, index):
  return self._items[index]

 def __setitem__(self, index, value):
  self._items[index] = value

 def __len__(self):
  return self._size

 def clear(self, value=None):
  for i in range(len(self._items)):
   self._items[i] = value

 def __iter__(self):
  for item in self._items:
   yield item

class Slot(object):
 """
 定义一个 hash 表数组的槽(slot 这里指的就是数组的一个位置)
 hash table 就是一个数组，每个数组的元素（也叫slot槽）是一个对象，对象包含两个属性 key 和 value。

 注意，一个槽有三种状态，看你能否想明白。相比链接法解决冲突，探查法删除一个 key 的操作稍微复杂。
 1.从未使用 HashMap.UNUSED。此槽没有被使用和冲突过，查找时只要找到 UNUSED 就不用再继续探查了
 2.使用过但是 remove 了，此时是 HashMap.EMPTY，该探查点后边的元素仍然可能是有key的，需要继续查找
 3.槽正在使用 Slot 节点
 """

 def __init__(self, key, value):
  self.key, self.value = key, value

class HashTable(object):
 UNUSED = None # 没被使用过
 EMPTY = Slot(None, None) # 使用却被删除过

 def __init__(self):
  self._table = Array(8, init=HashTable.UNUSED) # 保持 2*i 次方
  self.length = 0

 @property
 def _load_factor(self):
  # load_factor 超过 0.8 重新分配
  return self.length / float(len(self._table))

 def __len__(self):
  return self.length

 # 进行哈希
 def _hash(self, key):
  return abs(hash(key)) % len(self._table)

 # 查找key
 def _find_key(self, key):
  """
  解释一个 slot 为 UNUSED 和 EMPTY 的区别
  因为使用的是二次探查的方式，假如有两个元素 A，B 冲突了，
  首先A hash 得到是 slot 下标5，A 放到了第5个槽，之后插入 B 因为冲突了，所以继续根据二次探查方式放到了 slot下标8。
  然后删除 A，槽 5 被置为 EMPTY。然后我去查找 B，
  第一次 hash 得到的是 槽5，但是这个时候我还是需要第二次计算 hash 才能找到 B。
  但是如果槽是 UNUSED 我就不用继续找了，我认为 B 就是不存在的元素。这个就是 UNUSED 和 EMPTY 的区别。
  """
  origin_index = index = self._hash(key) # origin_index 判断是否又走到了起点，如果查找一圈了都找不到则无此元素
  _len = len(self._table)
  while self._table[index] is not HashTable.UNUSED:
   if self._table[index] is HashTable.EMPTY: # 注意如果是 EMPTY，继续寻找下一个槽
    index = (index * 5 + 1) % _len
    if index == origin_index:
     break
    continue
   if self._table[index].key == key: # 找到了key
    return index
   else:
    index = (index * 5 + 1) % _len # 没有找到继续找下一个位置
    if index == origin_index:
     break

  return None

 # 找能插入的槽
 def _find_slot_for_insert(self, key):
  index = self._hash(key)
  _len = len(self._table)
  while not self._slot_can_insert(index): # 直到找到一个可以用的槽
   index = (index * 5 + 1) % _len
  return index

 # 槽是否能插入
 def _slot_can_insert(self, index):
  return self._table[index] is HashTable.EMPTY or self._table[index] is HashTable.UNUSED

 # in operator，实现之后可以使用 in 操作符判断
 def __contains__(self, key):
  index = self._find_key(key)
  return index is not None

 # 添加元素
 def add(self, key, value):
  if key in self: # update
   index = self._find_key(key)
   self._table[index].value = value
   return False
  else:
   index = self._find_slot_for_insert(key)
   self._table[index] = Slot(key, value)
   self.length += 1
   if self._load_factor >= 0.8:
    self._rehash()
   return True

 # 槽不够时，重哈希
 def _rehash(self):
  old_table = self._table
  newsize = len(self._table) * 2
  self._table = Array(newsize, HashTable.UNUSED)

  self.length = 0

  for slot in old_table:
   if slot is not HashTable.UNUSED and slot is not HashTable.EMPTY:
    index = self._find_slot_for_insert(slot.key)
    self._table[index] = slot
    self.length += 1

 # 获取值
 def get(self, key, default=None):
  index = self._find_key(key)
  if index is None:
   return default
  else:
   return self._table[index].value

 # 移除
 def remove(self, key):
  index = self._find_key(key)
  if index is None:
   raise KeyError()
  value = self._table[index].value
  self.length -= 1
  self._table[index] = HashTable.EMPTY
  return value

 # 遍历
 def __iter__(self):
  for slot in self._table:
   if slot not in (HashTable.EMPTY, HashTable.UNUSED):
    yield slot.key

哈希表的使用

h = HashTable()
h.add('a', 0)
h.add('b', 1)
h.add('c', 2)
print(len(h)) # 3
print(h.get('a')) # 0
print(h.get('b')) # 1
print(h.get('hehe')) # None
h.remove('a')
print(h.get('a')) # None
print(sorted(list(h))) # ['b', 'c']

字典

字典是另一种可变容器模型，且可存储任意类型对象。

字典的每个键值key=>value对用冒号:分割，每个键值对之间用逗号,分割，整个字典包括在花括号{}中 ,格式如下所示：

d = {key1 : value1, key2 : value2 }

基于哈希表实现字典

class Array(object):

 def __init__(self, size=32, init=None):
  self._size = size
  self._items = [init] * size

 def __getitem__(self, index):
  return self._items[index]

 def __setitem__(self, index, value):
  self._items[index] = value

 def __len__(self):
  return self._size

 def clear(self, value=None):
  for i in range(len(self._items)):
   self._items[i] = value

 def __iter__(self):
  for item in self._items:
   yield item

class Slot(object):
 """
 定义一个 hash 表数组的槽(slot 这里指的就是数组的一个位置)
 hash table 就是一个数组，每个数组的元素（也叫slot槽）是一个对象，对象包含两个属性 key 和 value。

 注意，一个槽有三种状态，看你能否想明白。相比链接法解决冲突，探查法删除一个 key 的操作稍微复杂。
 1.从未使用 HashMap.UNUSED。此槽没有被使用和冲突过，查找时只要找到 UNUSED 就不用再继续探查了
 2.使用过但是 remove 了，此时是 HashMap.EMPTY，该探查点后边的元素仍然可能是有key的，需要继续查找
 3.槽正在使用 Slot 节点
 """

 def __init__(self, key, value):
  self.key, self.value = key, value

class HashTable(object):
 UNUSED = None # 没被使用过
 EMPTY = Slot(None, None) # 使用却被删除过

 def __init__(self):
  self._table = Array(8, init=HashTable.UNUSED) # 保持 2*i 次方
  self.length = 0

 @property
 def _load_factor(self):
  # load_factor 超过 0.8 重新分配
  return self.length / float(len(self._table))

 def __len__(self):
  return self.length

 # 进行哈希
 def _hash(self, key):
  return abs(hash(key)) % len(self._table)

 # 查找key
 def _find_key(self, key):
  """
  解释一个 slot 为 UNUSED 和 EMPTY 的区别
  因为使用的是二次探查的方式，假如有两个元素 A，B 冲突了，
  首先A hash 得到是 slot 下标5，A 放到了第5个槽，之后插入 B 因为冲突了，所以继续根据二次探查方式放到了 slot下标8。
  然后删除 A，槽 5 被置为 EMPTY。然后我去查找 B，
  第一次 hash 得到的是 槽5，但是这个时候我还是需要第二次计算 hash 才能找到 B。
  但是如果槽是 UNUSED 我就不用继续找了，我认为 B 就是不存在的元素。这个就是 UNUSED 和 EMPTY 的区别。
  """
  origin_index = index = self._hash(key) # origin_index 判断是否又走到了起点，如果查找一圈了都找不到则无此元素
  _len = len(self._table)
  while self._table[index] is not HashTable.UNUSED:
   if self._table[index] is HashTable.EMPTY: # 注意如果是 EMPTY，继续寻找下一个槽
    index = (index * 5 + 1) % _len
    if index == origin_index:
     break
    continue
   if self._table[index].key == key: # 找到了key
    return index
   else:
    index = (index * 5 + 1) % _len # 没有找到继续找下一个位置
    if index == origin_index:
     break

  return None

 # 找能插入的槽
 def _find_slot_for_insert(self, key):
  index = self._hash(key)
  _len = len(self._table)
  while not self._slot_can_insert(index): # 直到找到一个可以用的槽
   index = (index * 5 + 1) % _len
  return index

 # 槽是否能插入
 def _slot_can_insert(self, index):
  return self._table[index] is HashTable.EMPTY or self._table[index] is HashTable.UNUSED

 # in operator，实现之后可以使用 in 操作符判断
 def __contains__(self, key):
  index = self._find_key(key)
  return index is not None

 # 添加元素
 def add(self, key, value):
  if key in self: # update
   index = self._find_key(key)
   self._table[index].value = value
   return False
  else:
   index = self._find_slot_for_insert(key)
   self._table[index] = Slot(key, value)
   self.length += 1
   if self._load_factor >= 0.8:
    self._rehash()
   return True

 # 槽不够时，重哈希
 def _rehash(self):
  old_table = self._table
  newsize = len(self._table) * 2
  self._table = Array(newsize, HashTable.UNUSED)

  self.length = 0

  for slot in old_table:
   if slot is not HashTable.UNUSED and slot is not HashTable.EMPTY:
    index = self._find_slot_for_insert(slot.key)
    self._table[index] = slot
    self.length += 1

 # 获取值
 def get(self, key, default=None):
  index = self._find_key(key)
  if index is None:
   return default
  else:
   return self._table[index].value

 # 移除
 def remove(self, key):
  index = self._find_key(key)
  if index is None:
   raise KeyError()
  value = self._table[index].value
  self.length -= 1
  self._table[index] = HashTable.EMPTY
  return value

 # 遍历
 def __iter__(self):
  for slot in self._table:
   if slot not in (HashTable.EMPTY, HashTable.UNUSED):
    yield slot.key

class DictADT(HashTable):
 # 执行dict[key]=value时执行
 def __setitem__(self, key, value):
  self.add(key, value)

 # 执行dict[key]时执行
 def __getitem__(self, key, default=None):
  if key not in self:
   raise KeyError()
  return self.get(key, default)

 # 遍历时执行
 def _iter_slot(self):
  for slot in self._table:
   if slot not in (self.UNUSED, self.EMPTY):
    yield slot

 # 实现items方法
 def items(self):
  for slot in self._iter_slot():
   yield (slot.key, slot.value)

 # 实现keys方法
 def keys(self):
  for slot in self._iter_slot():
   yield slot.key

 # 实现values方法
 def values(self):
  for slot in self._iter_slot():
   yield slot.value

字典的使用

d = DictADT()
d['a'] = 1
print(d['a']) # 1

集合

集合是一种不包含重复元素的数据结构，经常用来判断是否重复这种操作，或者集合中是否存在一个元素。

集合可能最常用的就是去重，判断是否存在一个元素等，但是 set 相比 dict 有更丰富的操作，主要是数学概念上的。

如果你学过《离散数学》中集合相关的概念，基本上是一致的。 python 的 set 提供了如下基本的集合操作，假设有两个集合 A，B，有以下操作

交集: A & B，表示同时在 A 和 B 中的元素。 python 中重载 __and__ 实现
并集: A | B，表示在 A 或者 B 中的元素，两个集合相加。python 中重载 __or__ 实现
差集: A - B，表示在 A 中但是不在 B 中的元素。 python 中重载 __sub__ 实现

基于哈希表实现集合

class Array(object):

  def __init__(self, size=32, init=None):
    self._size = size
    self._items = [init] * size

  def __getitem__(self, index):
    return self._items[index]

  def __setitem__(self, index, value):
    self._items[index] = value

  def __len__(self):
    return self._size

  def clear(self, value=None):
    for i in range(len(self._items)):
      self._items[i] = value

  def __iter__(self):
    for item in self._items:
      yield item

class Slot(object):
  """
  定义一个 hash 表数组的槽(slot 这里指的就是数组的一个位置)
  hash table 就是一个数组，每个数组的元素（也叫slot槽）是一个对象，对象包含两个属性 key 和 value。

  注意，一个槽有三种状态，看你能否想明白。相比链接法解决冲突，探查法删除一个 key 的操作稍微复杂。
  1.从未使用 HashMap.UNUSED。此槽没有被使用和冲突过，查找时只要找到 UNUSED 就不用再继续探查了
  2.使用过但是 remove 了，此时是 HashMap.EMPTY，该探查点后边的元素仍然可能是有key的，需要继续查找
  3.槽正在使用 Slot 节点
  """

  def __init__(self, key, value):
    self.key, self.value = key, value

class HashTable(object):
  UNUSED = None # 没被使用过
  EMPTY = Slot(None, None) # 使用却被删除过

  def __init__(self):
    self._table = Array(8, init=HashTable.UNUSED) # 保持 2*i 次方
    self.length = 0

  @property
  def _load_factor(self):
    # load_factor 超过 0.8 重新分配
    return self.length / float(len(self._table))

  def __len__(self):
    return self.length

  # 进行哈希
  def _hash(self, key):
    return abs(hash(key)) % len(self._table)

  # 查找key
  def _find_key(self, key):
    """
    解释一个 slot 为 UNUSED 和 EMPTY 的区别
    因为使用的是二次探查的方式，假如有两个元素 A，B 冲突了，
    首先A hash 得到是 slot 下标5，A 放到了第5个槽，之后插入 B 因为冲突了，所以继续根据二次探查方式放到了 slot下标8。
    然后删除 A，槽 5 被置为 EMPTY。然后我去查找 B，
    第一次 hash 得到的是 槽5，但是这个时候我还是需要第二次计算 hash 才能找到 B。
    但是如果槽是 UNUSED 我就不用继续找了，我认为 B 就是不存在的元素。这个就是 UNUSED 和 EMPTY 的区别。
    """
    origin_index = index = self._hash(key) # origin_index 判断是否又走到了起点，如果查找一圈了都找不到则无此元素
    _len = len(self._table)
    while self._table[index] is not HashTable.UNUSED:
      if self._table[index] is HashTable.EMPTY: # 注意如果是 EMPTY，继续寻找下一个槽
        index = (index * 5 + 1) % _len
        if index == origin_index:
          break
        continue
      if self._table[index].key == key: # 找到了key
        return index
      else:
        index = (index * 5 + 1) % _len # 没有找到继续找下一个位置
        if index == origin_index:
          break

    return None

  # 找能插入的槽
  def _find_slot_for_insert(self, key):
    index = self._hash(key)
    _len = len(self._table)
    while not self._slot_can_insert(index): # 直到找到一个可以用的槽
      index = (index * 5 + 1) % _len
    return index

  # 槽是否能插入
  def _slot_can_insert(self, index):
    return self._table[index] is HashTable.EMPTY or self._table[index] is HashTable.UNUSED

  # in operator，实现之后可以使用 in 操作符判断
  def __contains__(self, key):
    index = self._find_key(key)
    return index is not None

  # 添加元素
  def add(self, key, value):
    if key in self: # update
      index = self._find_key(key)
      self._table[index].value = value
      return False
    else:
      index = self._find_slot_for_insert(key)
      self._table[index] = Slot(key, value)
      self.length += 1
      if self._load_factor >= 0.8:
        self._rehash()
      return True

  # 槽不够时，重哈希
  def _rehash(self):
    old_table = self._table
    newsize = len(self._table) * 2
    self._table = Array(newsize, HashTable.UNUSED)

    self.length = 0

    for slot in old_table:
      if slot is not HashTable.UNUSED and slot is not HashTable.EMPTY:
        index = self._find_slot_for_insert(slot.key)
        self._table[index] = slot
        self.length += 1

  # 获取值
  def get(self, key, default=None):
    index = self._find_key(key)
    if index is None:
      return default
    else:
      return self._table[index].value

  # 移除
  def remove(self, key):
    index = self._find_key(key)
    if index is None:
      raise KeyError()
    value = self._table[index].value
    self.length -= 1
    self._table[index] = HashTable.EMPTY
    return value

  # 遍历
  def __iter__(self):
    for slot in self._table:
      if slot not in (HashTable.EMPTY, HashTable.UNUSED):
        yield slot.key

class SetADT(HashTable):
  # 添加元素
  def add(self, key):
    super().add(key, True)

  def __and__(self, other_set):
    """交集 A&B"""
    new_set = SetADT()
    for element_a in self:
      if element_a in other_set:
        new_set.add(element_a)
    return new_set

  def __sub__(self, other_set):
    """差集 A-B"""
    new_set = SetADT()
    for element_a in self:
      if element_a not in other_set:
        new_set.add(element_a)
    return new_set

  def __or__(self, other_set):
    """并集 A|B"""
    new_set = SetADT()
    for element_a in self:
      new_set.add(element_a)
    for element_b in other_set:
      new_set.add(element_b)
    return new_set

集合的使用

sa = SetADT()
sa.add(1)
sa.add(2)
sa.add(3)

sb = SetADT()
sb.add(3)
sb.add(4)
sb.add(5)

print(sorted(list(sa & sb))) # [3]
print(sorted(list(sa - sb))) # [1, 2]
print(sorted(list(sa | sb))) # [1, 2, 3, 4, 5]

总结

以上所述是小编给大家介绍的使用python实现哈希表、字典、集合操作，希望对大家有所帮助！

python实现哈希表

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PHP中使用最为频繁的数据类型非字符串和数组莫属,PHP比较容易上手也得益于非常灵活的数组类型. 在开始详细介绍这些数据类型之前有必要介绍一下哈希表(HashTable). 哈希表是PHP实现中尤为关键的数据结构. 哈希表在实践中使用的非常广泛,例如编译器通常会维护的一个符号表来保存标记,很多高级语言中也显式的支持哈希表. 哈希表通常提供查找(Search),插入(Insert),删除(Delete)等操作,这些操作在最坏的情况下和链表的性能一样为O(n). 不过通常并不会这么坏,合理设计的哈希
简单讲解哈希表

目录一.哈希表的概念 1.查找算法 2.哈希表 3.哈希数组 4.关键字 5.哈希函数 6.哈希冲突 7.哈希地址二.常用哈希函数 1.直接定址法 2.平方取中法 3.折叠法 4.除留余数法 5.位与法三.常见哈希冲突解决方案 1.开放定址法 1)原理讲解 2)动画演示 2.再散列函数法 1)原理讲解 2)动画演示 3.链地址法 1)原理讲解 2)动画演示 4.公共溢出区法 1)原理讲解 2)动画演示四.哈希表的实现 1.数据结构定义 2.哈希表初始化 3.哈希函数计算 4.哈希表查找
C++哈希表之线性探测法实现详解

目录 1.哈希表-线性探测法理论 1.1.哈希表的增加元素 1.2.哈希表的查询操作 1.3.哈希表的删除操作 2.哈希表-线性探测法代码实现 2.1.素数表中的素数 1.哈希表-线性探测法理论线性探测法的理论我们在上一篇博客已经阐述了. 现在我们来看看线性探测法的增删查的代码思想: 1.1.哈希表的增加元素注意: 往后遍历寻找空闲位置的时候,要注意是环形遍历哦!不然访问数组就越界了. 在添加元素,发生位置被占用,即发生哈希冲突后,在向后遍历寻找空闲位置的时候,我们要知道,这个空闲的位置是有
Python列表推导式、字典推导式与集合推导式用法实例分析

本文实例讲述了Python列表推导式.字典推导式与集合推导式用法.分享给大家供大家参考,具体如下: 推导式comprehensions(又称解析式),是Python的一种独有特性.推导式是可以从一个数据序列构建另一个新的数据序列的结构体. 共有三种推导,在Python2和3中都有支持: 列表(list)推导式字典(dict)推导式集合(set)推导式一.列表推导式 1.使用[]生成list 基本格式 variable = [out_exp_res for out_exp in input_

使用python实现哈希表、字典、集合操作

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