数据结构与算法（Ⅲ）：哈希表
哈希表
散列表（Hash table，也叫哈希表），是根据键（Key）而直接访问在内存储存位置的数据结构。它通过计算一个关于键值的函数，将所需查询的数据映射到表中一个位置来访问记录，这加快了查找速度。这个映射函数称做散列函数（Hash Function），存放记录的数组称做散列表。
哈希表工程实践:
- 电话号码簿
- 用户信息表
- 缓存（LRU Cache）
- 键值对存储（Redis）
散列函数
顾名思义，我们可以把散列函数定义为hash(key)，其中key表示元素的键值，hash(key)的值表示经过散列函数计算得到的散列值。
构成散列函数的基本要求：
- 散列函数计算得到的散列值是一个非负整数
- 如果key1 = key2那么hash(key1) == key(key2)
- 如果key1 != key2那么hash(key1) != hash(key2)
散列冲突
实际情况中，想要找到一个不同key对应的散列值都不一样的散列函数几乎是不可能的，再好的散列函数也无法避免散列冲突。常用的散列冲突解决办法有两种，开放寻址法（open addressing）和链表法（chaining）。
开放寻址法
开放寻址法的核心思想是，如果出现了散列冲突，我们就重新探测一个空闲位置，将其插入。那如何重新探测新的位置呢？经典探测方法有线性探测（Linear Probing）、二次探测（Quadratic probing）和双重散列（Double hashing）。
不管采用哪种探测方法，当散列表中空闲位置不多的时候，散列冲突的概率就会大大提高。为了尽可能保证散列表的操作效率，一般情况下，我们会尽可能保证散列表中有一定比例的空闲槽位。我们用装载因子（load factor）来表示空位的多少。
装载因子的计算公式是：
散列表的装载因子 = 填入表中的元素个数 / 散列表的长度
线性探测（Linear Probing）
往散列表中插入数据时，如果某个数据经过散列函数散列之后，存储位置已经被占用了，我们就从当前位置开始，依次往后查找，看是否有空闲位置，直到找到为止。
- 插入：
白色区域表示空闲位置，绿色区域表示已经存储数据
从图中可以看出，散列表的大小为 10，x 不在散列中时，插入散列表之前，已经有 7 个元素插入到散列表中。x 经过 Hash 算法之后，被散列到位置下标为 7 的位置，但是这个位置已经有数据了，所以就产生了冲突。于是就顺序地往后一个一个找，看有没有空闲的位置，遍历到尾部都没有找到空闲的位置，于是我们再从表头开始找，直到找到空闲位置 3，于是将其插入到这个位置。
- 查找：
在散列表中查找元素的过程类似插入过程。通过散列函数求出要查找元素的键值对应的散列值，然后比较数组中下标为散列值的元素和要查找的元素。如果相等，则说明就是要找的元素；否则就顺序往后依次查找。如果遍历到数组中的空闲位置，还没有找到，就说明要查找的元素并没有在散列表中。
- 删除：
散列表跟数组一样，不仅支持插入、查找操作，还支持删除操作。对于使用线性探测法解决冲突的散列表，删除操作稍微有些特别。删除的元素被特殊标记为 deleted。当线性探测查找的时候，遇到标记为 deleted 的空间，并不是停下来，而是继续往下探测。
二次探测（Quadratic probing）
所谓二次探测，跟线性探测很像，线性探测每次探测的步长是 1，那它探测的下标序列就是 hash(key)+0，hash(key)+1，hash(key)+2……而二次探测探测的步长就变成了原来的“二次方”，也就是说，它探测的下标序列就是 hash(key)+0，hash(key)+12，hash(key)+22……
双重散列（Double hashing）
所谓双重散列，意思就是不仅要使用一个散列函数。我们使用一组散列函数 hash1(key)，hash2(key)，hash3(key)……我们先用第一个散列函数，如果计算得到的存储位置已经被占用，再用第二个散列函数，依次类推，直到找到空闲的存储位置。
链表法
链表法是一种更加常用的散列冲突解决办法，相比开放寻址法，它要简单很多。我们来看这个图，在散列表中，每个“桶（bucket）”或者“槽（slot）”会对应一条链表，所有散列值相同的元素我们都放到相同槽位对应的链表中。
当插入的时候，只需要通过散列函数计算出对应的散列槽位，将其插入到对应链表中即可，所以插入的时间复杂度是O(1)。当查找、删除一个元素时，同样通过散列函数计算出对应的槽，然后遍历链表查找或者删除。查找或删除操作的时间复杂度跟链表的长度 k 成正比，也就是 O(k)。对于散列比较均匀的散列函数来说，理论上讲，k=n/m，其中 n 表示散列中数据的个数，m 表示散列表中“槽”的个数。
LeetCode实战
242. 有效的字母异位词
给定两个字符串 s 和 t ，编写一个函数来判断 t 是否是 s 的字母异位词。
示例1:
输入: s = "anagram", t = "nagaram"
输出: true
示例 2:
输入: s = "rat", t = "car"
输出: false
说明:
你可以假设字符串只包含小写字母。
进阶:
如果输入字符串包含 unicode 字符怎么办？你能否调整你的解法来应对这种情况？
// 1. 暴力求解 排序 O(nlogn)
public boolean isAnagram(String s, String t) {
if (s.length() != t.length()) {
return false;
}
char[] str1 = s.toCharArray();
char[] str2 = t.toCharArray();
Arrays.sort(str1);
Arrays.sort(str2);
return Arrays.equals(str1, str2);
}
// 2. 哈希表 O(n)
// 用一个计数器表计算 s 字母的频率，用 t 减少计数器表中的每个字母的计数器，然后检查计数器是否回到零
public boolean isAnagram(String s, String t) {
if (s.length() != t.length()) {
return false;
}
int[] counter = new int[26];
for (int i = 0; i < s.length(); i++) {
counter[s.charAt(i) - 'a']++;
counter[t.charAt(i) - 'a']--;
}
for (int count : counter) {
if (count != 0) {
return false;
}
}
return true;
}
49. 字母异位词分组
给定一个字符串数组，将字母异位词组合在一起。字母异位词指字母相同，但排列不同的字符串。
示例:
输入: ["eat", "tea", "tan", "ate", "nat", "bat"]
输出:
[
["ate","eat","tea"],
["nat","tan"],
["bat"]
]
说明：
所有输入均为小写字母。
不考虑答案输出的顺序。
// 1. 排序数组分类
// 当且仅当它们的排序字符串相等时，两个字符串是字母异位词
// 时间复杂度：O(NKlogK)，其中 N 是 strs 的长度，而 K 是 strs 中字符串的最大长度。当我们遍历每个字符串时，外部循环具有的复杂度为 O(N))。然后，我们在O(KlogK) 的时间内对每个字符串排序。
public List<List<String>> groupAnagrams(String[] strs) {
if (strs.length == 0) return new ArrayList();
Map<String, List> ans = new HashMap<String, List>();
for (String s : strs) {
char[] ca = s.toCharArray();
Arrays.sort(ca);
String key = String.valueOf(ca);
if (!ans.containsKey(key)) ans.put(key, new ArrayList());
ans.get(key).add(s);
}
return new ArrayList(ans.values());
}
// 2. 按计数分类
/** 思路：当且仅当它们的字符计数（每个字符的出现次数）相同时，两个字符串是字母异位词
* 算法： 将每个字符串 s 转换为字符数 count，由26个非负整数组成，表示 a，b，c 的数量等。我们使用这些计数作为哈希映射的基础。
* 在 Java 中，我们的字符数 count 的散列化表示将是一个用 **＃** 字符分隔的字符串。
* 例如，abbccc 将表示为 ＃1＃2＃3＃0＃0＃0 ...＃0，其中总共有26个条目。
* 在 python 中，表示将是一个计数的元组。 例如，abbccc 将表示为 (1,2,3,0,0，...，0)，其中总共有 26 个条目。
* 时间复杂度： O(NK)
*/
public List<List<String>> groupAnagrams(String[] strs) {
if (strs.length == 0) return new ArrayList();
Map<String, List> ans = new HashMap<String, List>();
int[] count = new int[26];
for (String s : strs) {
Arrays.fill(count, 0);
for (char c : s.toCharArray()) count[c - 'a']++;
StringBuilder sb = new StringBuilder("");
for (int i = 0; i < 26; i++) {
sb.append('#');
sb.append(count[i]);
}
String key = sb.toString();
if (!ans.containsKey(key)) ans.put(key, new ArrayList());
ans.get(key).add(s);
}
return new ArrayList(ans.values());
}
