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C语言实现的数据结构之------哈希表

1 哈希表原理

这里不讲高深理论，只说直观感受。哈希表的目的就是为了根据数据的部分内容（关键字），直接计算出存放完整数据的内存地址。

试想一下，如果从链表中根据关键字查找一个元素，那么就需要遍历才能得到这个元素的内存地址，如果链表长度很大，查找就需要更多的时间.

void* list_find_by_key(list,key)
{
    for(p=list;p!=NULL; p=p->next){
        if(p->key == key){
            return p;
        }
        return p;
    }
}

为了解决根据关键字快速找到元素的存放地址，哈希表应运而生。它通过某种算法（哈希函数）直接根据关键字计算出元素的存放地址，由于无需遍历，所以效率很高。

void* hash_table_find_by_key(table, key)
{
    void* p = hash(key);
    return p;
}

当然，上面的伪代码忽略了一个重要的事实：那就是不同的关键字可能产生出同样的hash值。

hash("张三") = 23;
hash("李四") = 30;
hash("王五") = 23;

这种情况称为“冲突”，为了解决这个问题，有两种方法：一是链式扩展；二是开放寻址。这里只讲第一种：链式扩展。

也就是把具有相同hash值的元素放到一起，形成一个链表。这样在插入和寻找数据的时候就需要进一步判断。

void* hash_table_find_by_key(table, key)
{
    void* list = hash(key);
    return list_find_by_key(list, key);
}

需要注意的是，只要hash函数合适，这里的链表通常都长度不大，所以查找效率依然很高。

下图是一个哈希表运行时内存布局：

这里写图片描述

2 纯C实现源码

实际工作中，大多数情况下，关键字都是字符串的形式，而大多数教科书上却使用整数关键字来举例，这非常脱离实际。为此，本人决定使用纯C语言开发一个哈希表结构，供大家参考。主要特点：

  • 基于接口开发，对外彻底隐藏实现细节
  • 具有自动释放客户结构内存的回调功能
  • 采用经典的Times33哈希算法
  • 采用纯C开发，可供C和C++客户使用

HashTable.h 头文件

#pragma once
typedef struct HashTable HashTable;

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

    /* new an instance of HashTable */
    HashTable* hash_table_new();

    /*
    delete an instance of HashTable,
    all values are removed auotmatically.
    */
    void hash_table_delete(HashTable* ht);

    /*
    add or update a value to ht, 
    free_value(if not NULL) is called automatically when the value is removed.
    return 0 if success, -1 if error occurred.
    */
    #define hash_table_put(ht,key,value) hash_table_put2(ht,key,value,NULL);
    int hash_table_put2(HashTable* ht, char* key, void* value, void(*free_value)(void*));

    /* get a value indexed by key, return NULL if not found. */
    void* hash_table_get(HashTable* ht, char* key);

    /* remove a value indexed by key */
    void hash_table_rm(HashTable* ht, char* key);

#ifdef __cplusplus
}
#endif

HashTable.c 实现文件

#include "HashTable.h"
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>

#define TABLE_SIZE (1024*1024)

/* element of the hash table's chain list */
struct kv
{
    struct kv* next;
    char* key;
    void* value;
    void(*free_value)(void*);
};

/* HashTable */
struct HashTable
{
    struct kv ** table;
};

/* constructor of struct kv */
static void init_kv(struct kv* kv)
{
    kv->next = NULL;
    kv->key = NULL;
    kv->value = NULL;
    kv->free_value = NULL;
}
/* destructor of struct kv */
static void free_kv(struct kv* kv)
{
    if (kv) {
        if (kv->free_value) {
            kv->free_value(kv->value);
        }
        free(kv->key);
        kv->key = NULL;
        free(kv);
    }
}
/* the classic Times33 hash function */
static unsigned int hash_33(char* key)
{
    unsigned int hash = 0;
    while (*key) {
        hash = (hash << 5) + hash + *key++;
    }
    return hash;
}

/* new a HashTable instance */
HashTable* hash_table_new()
{
    HashTable* ht = malloc(sizeof(HashTable));
    if (NULL == ht) {
        hash_table_delete(ht);
        return NULL;
    }
    ht->table = malloc(sizeof(struct kv*) * TABLE_SIZE);
    if (NULL == ht->table) {
        hash_table_delete(ht);
        return NULL;
    }
    memset(ht->table, 0, sizeof(struct kv*) * TABLE_SIZE);

    return ht;
}
/* delete a HashTable instance */
void hash_table_delete(HashTable* ht)
{
    if (ht) {
        if (ht->table) {
            int i = 0;
            for (i = 0; i<TABLE_SIZE; i++) {
                struct kv* p = ht->table[i];
                struct kv* q = NULL;
                while (p) {
                    q = p->next;
                    free_kv(p);
                    p = q;
                }
            }
            free(ht->table);
            ht->table = NULL;
        }
        free(ht);
    }
}

/* insert or update a value indexed by key */
int hash_table_put2(HashTable* ht, char* key, void* value, void(*free_value)(void*))
{
    int i = hash_33(key) % TABLE_SIZE;
    struct kv* p = ht->table[i];
    struct kv* prep = p;

    while (p) { /* if key is already stroed, update its value */
        if (strcmp(p->key, key) == 0) {
            if (p->free_value) {
                p->free_value(p->value);
            }
            p->value = value;
            p->free_value = free_value;
            break;
        }
        prep = p;
        p = p->next;
    }

    if (p == NULL) {/* if key has not been stored, then add it */
        char* kstr = malloc(strlen(key) + 1);
        if (kstr == NULL) {
            return -1;
        }
        struct kv * kv = malloc(sizeof(struct kv));
        if (NULL == kv) {
            free(kstr);
            kstr = NULL;
            return -1;
        }
        init_kv(kv);
        kv->next = NULL;
        strcpy(kstr, key);
        kv->key = kstr;
        kv->value = value;
        kv->free_value = free_value;

        if (prep == NULL) {
            ht->table[i] = kv;
        }
        else {
            prep->next = kv;
        }
    }
    return 0;
}

/* get a value indexed by key */
void* hash_table_get(HashTable* ht, char* key)
{
    int i = hash_33(key) % TABLE_SIZE;
    struct kv* p = ht->table[i];
    while (p) {
        if (strcmp(key, p->key) == 0) {
            return p->value;
        }
        p = p->next;
    }
    return NULL;
}

/* remove a value indexed by key */
void hash_table_rm(HashTable* ht, char* key)
{
    int i = hash_33(key) % TABLE_SIZE;

    struct kv* p = ht->table[i];
    struct kv* prep = p;
    while (p) {
        if (strcmp(key, p->key) == 0) {
            free_kv(p);
            if (p == prep) {
                ht->table[i] = NULL;
            }
            else {
                prep->next = p->next;
            }
        }
        prep = p;
        p = p->next;
    }
}

3 测试程序

下面是测试程序源码，基于C++。

测试程序test.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#include "HashTable.h"

// 要放入哈希表中的结构体
struct Student
{
    int age;
    float score;
    char name[32];
    char data[1024 * 1024* 10];
};

// 结构体内存释放函数
static void free_student(void* stu)
{
    free(stu);
}

// 显示学生信息的函数
static void show_student(struct Student* p)
{
    printf("姓名:%s, 年龄:%d, 学分:%.2f\n", p->name, p->age, p->score);
}

int main()
{
    // 新建一个HashTable实例
    HashTable* ht = hash_table_new();
    if (NULL == ht) {
        return -1;
    }

    // 向哈希表中加入多个学生结构体
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        struct Student * stu = (struct Student*)malloc(sizeof(struct Student));
        stu->age = 18 + rand()%5;
        stu->score = 50.0f + rand() % 100;
        sprintf(stu->name, "同学%d", i);
        hash_table_put2(ht, stu->name, stu, free_student);
    }

    // 根据学生姓名查找学生结构
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        char name[32];
        sprintf(name, "同学%d", i);
        struct Student * stu = (struct Student*)hash_table_get(ht, name);
        show_student(stu);
    }

    // 销毁哈希表实例
    hash_table_delete(ht);
    return 0;
}

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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