JavaScript数据结构——字典和散列表的实现

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  在前一篇文章中,亲戚亲戚朋友介绍了如保在JavaScript中实现集合。字典和集合的主要区别就在于,集合中数据是以[值,值]的形式保存的,亲戚亲戚朋友只关心值三种;而在字典和散列表中数据是以[键,值]的形式保存的,键不到重复,亲戚亲戚朋友不仅关心键,也关心键所对应的值。

  亲戚亲戚朋友也还要能把字典称之为映射表。本来我 字典和集合很类事 ,亲戚亲戚朋友还要能在前一篇文章中的集合类Set的基础上来实现亲戚亲戚朋友的字典类Dictionary。与Set类类事 ,ES6的原生Map类本来我 实现了字典的详细功能,稍后亲戚亲戚朋友会介绍它的用法。

  下面是亲戚亲戚朋友的Dictionary字典类的实现代码:

class Dictionary {
    constructor () {
        this.items = {};
    }

    set (key, value) { // 向字典中加在或修改元素
        this.items[key] = value;
    }

    get (key) { // 通过键值查找字典中的值
        return this.items[key];
    }

    delete (key) { // 通过使用键值来从字典中删除对应的元素
        if (this.has(key)) {
            delete this.items[key];
            return true;
        }
        return false;
    }

    has (key) { // 判断给定的键值算不算发生于字典中
        return this.items.hasOwnProperty(key);
    }

    clear() { // 清空字典内容
        this.items = {};
    }

    size () { // 返回字典中所有元素的数量
        return Object.keys(this.items).length;
    }

    keys () { // 返回字典中所有的键值
        return Object.keys(this.items);
    }

    values () { // 返回字典中所有的值
        return Object.values(this.items);
    }

    getItems () { // 返回字典中的所有元素
        return this.items;
    }
}

  与Set类很类事 ,本来我把其中value的每段替加在了key。亲戚亲戚朋友来看看这名测试用例:

let Dictionary = require('./dictionary');

let dictionary = new Dictionary();
dictionary.set('Gandalf', 'gandalf@email.com');
dictionary.set('John', 'john@email.com');
dictionary.set('Tyrion', 'tyrion@email.com');
console.log(dictionary.has('Gandalf')); // true
console.log(dictionary.size()); // 3
console.log(dictionary.keys()); // [ 'Gandalf', 'John', 'Tyrion' ]
console.log(dictionary.values()); // [ 'gandalf@email.com', 'john@email.com', 'tyrion@email.com' ]
console.log(dictionary.get('Tyrion')); // tyrion@email.com

dictionary.delete('John');
console.log(dictionary.keys()); // [ 'Gandalf', 'Tyrion' ]
console.log(dictionary.values()); // [ 'gandalf@email.com', 'tyrion@email.com' ]
console.log(dictionary.getItems()); // { Gandalf: 'gandalf@email.com', Tyrion: 'tyrion@email.com' }

  相应地,下面是使用ES6的原生Map类的测试结果:

let dictionary = new Map();
dictionary.set('Gandalf', 'gandalf@email.com');
dictionary.set('John', 'john@email.com');
dictionary.set('Tyrion', 'tyrion@email.com');
console.log(dictionary.has('Gandalf')); // true
console.log(dictionary.size); // 3
console.log(dictionary.keys()); // [Map Iterator] { 'Gandalf', 'John', 'Tyrion' }
console.log(dictionary.values()); // [Map Iterator] { 'gandalf@email.com', 'john@email.com', 'tyrion@email.com' }
console.log(dictionary.get('Tyrion')); // tyrion@email.com

dictionary.delete('John');
console.log(dictionary.keys()); // [Map Iterator] { 'Gandalf', 'Tyrion' }
console.log(dictionary.values()); // [Map Iterator] { 'gandalf@email.com', 'tyrion@email.com' }
console.log(dictionary.entries()); // [Map Iterator] { [ Gandalf: 'gandalf@email.com' ], [ Tyrion: 'tyrion@email.com' ] }

  和前面亲戚亲戚朋友自定义的Dictionary类稍微有这名不同,values()最好的妙招和keys()最好的妙招返回的都4个 数组,本来我Iterator迭代器。那么 本来我这里的size是4个 属性而就有最好的妙招,本来我 本来我Map类那么getItems()最好的妙招,取而代之的是entries()最好的妙招,它返回的也是4个 Iterator。有关Map类的详细详细介绍还要能查看这里。

  在ES6中,除了原生的Set和Map类外,还有它们的弱化版本,分别是WeakSet和WeakMap,亲戚亲戚朋友在《JavaScript数据社会形态——栈的实现与应用》一文中本来我 见过WeakMap的使用了。Map和Set与它们人及的弱化版本之间的主要区别是:

  • WeakSet或WeakMap类那么entries、keys和values等迭代器最好的妙招,不到通过get和set最好的妙招访问和设置其中的值。这也是为这名亲戚亲戚朋友在《JavaScript数据社会形态——栈的实现与应用》一文中要使用WeakMap类来定义类的私有属性的意味着。
  • 不到用对应作为键值,本来我 说其中的内容不到是对象,而不到是数字、字符串、布尔值等基本数据类型。

  弱化的Map和Set类主本来我为了提供JavaScript代码的性能。

散列表

  散列表(本来我 叫哈希表),是三种改进的dictionary,它将key通过4个 固定的算法(散列函数或哈希函数)得出4个 数字,本来我 将dictionary中key所对应的value存插进这名数字所对应的数组下标包包含的存储空间中。在原始的dictionary中,本来我 要查找某个key所对应的value,亲戚亲戚朋友还要能遍历整个字典。为了提高查询的时延,亲戚亲戚朋友将key对应的value保存到数组里,假若key不变,使用相同的散列函数计算出来的数字本来我固定的,于是就还要能变慢地在数组中找到你我应该 查找的value。下面是散列表的数据社会形态示意图:

  下面是亲戚亲戚朋友散列函数loseloseHashCode()的实现代码:

loseloseHashCode (key) {
    let hash = 0;
    for (let i = 0; i < key.length; i++) {
        hash += key.charCodeAt(i);
    }
    return hash % 37;
}

  这名散列函数的实现很简单,亲戚亲戚朋友将传入的key中的每4个 字符使用charCodeAt()函数(有关该函数的详细内容还要能查看这里)将其转加在ASCII码,本来我 将这名ASCII码相加,最后用37求余,得到4个 数字,这名数字本来我这名key所对应的hash值。接下来要做的本来我将value存插进hash值所对应的数组的存储空间内。下面是亲戚亲戚朋友的HashTable类的主要实现代码:

class HashTable {
    constructor () {
        this.table = [];
    }

    loseloseHashCode (key) { // 散列函数
        let hash = 0;
        for (let i = 0; i < key.length; i++) {
            hash += key.charCodeAt(i);
        }
        return hash % 37;
    }

    put (key, value) { // 将键值对存插进哈希表中
        let position = this.loseloseHashCode(key);
        console.log(`${position} - ${key}`);
        this.table[position] = value;
    }

    get (key) { // 通过key查找哈希表中的值
        return this.table[this.loseloseHashCode(key)];
    }

    remove (key) { // 通过key从哈希表中删除对应的值
        this.table[this.loseloseHashCode(key)] = undefined;
    }

    isEmpty () { // 判断哈希表算不算为空
        return this.size() === 0;
    }

    size () { // 返回哈希表的长度
        let count = 0;
        this.table.forEach(item => {
            if (item !== undefined) count++;
        });
        return count;
    }

    clear () { // 清空哈希表
        this.table = [];
    }
}

  测试一下顶端的这名最好的妙招:

let HashTable = require('./hashtable');

let hash = new HashTable();
hash.put('Gandalf', 'gandalf@email.com'); // 19 - Gandalf
hash.put('John', 'john@email.com'); // 29 - John
hash.put('Tyrion', 'tyrion@email.com'); // 16 - Tyrion

console.log(hash.isEmpty()); // false
console.log(hash.size()); // 3
console.log(hash.get('Gandalf')); // gandalf@email.com
console.log(hash.get('Loiane')); // undefined

hash.remove('Gandalf');
console.log(hash.get('Gandalf')); // undefined
hash.clear();
console.log(hash.size()); // 0
console.log(hash.isEmpty()); // true

  为了方便查看hash值和value的对应关系,亲戚亲戚朋友在put()最好的妙招中加入了一行console.log(),用来打印key的hash值和value之间的对应关系。还要能看多,测试的结果和前面亲戚亲戚朋友给出的示意图是一致的。

  散列集合的实现和散列表类事 ,只不过在散列集合中不再使用键值对,本来我不到值那么键。这名亲戚亲戚朋友在前面介绍集合和字典的本来我本来我 讲过了,这里不再赘述。

  细心的同学本来我 本来我 发现了,这里亲戚亲戚朋友提供的散列函数本来我 过于简单,以致于亲戚亲戚朋友无法保证通过散列函数计算出来的hash值一定是唯一的。换句话说,传入不同的key值,亲戚亲戚朋友有本来我 会得到相同的hash值。尝试一下下面这名keys:

let hash = new HashTable();
hash.put('Gandalf', 'gandalf@email.com');
hash.put('John', 'john@email.com');
hash.put('Tyrion', 'tyrion@email.com');
hash.put('Aaron', 'aaron@email.com');
hash.put('Donnie', 'donnie@email.com');
hash.put('Ana', 'ana@email.com');
hash.put('Jamie', 'jamie@email.com');
hash.put('Sue', 'sue@email.com');
hash.put('Mindy', 'mindy@email.com');
hash.put('Paul', 'paul@email.com');
hash.put('Nathan', 'nathan@email.com');

  从结果中还要能看多,尽管这名keys不同,本来我 通过亲戚亲戚朋友提供的散列函数亲戚亲戚朋友说得到了相同的hash值,这显然违背了亲戚亲戚朋友的设计原则。在哈希表中,这名叫做散列冲突,为了得到4个 可靠的哈希表,亲戚亲戚朋友还要能尽本来我 地出理 散列冲突。那如保出理 这名冲突呢?这里介绍三种出理 冲突的最好的妙招:分离链接和线性探查。

分离链接

   所谓分离链接,本来我将那么 存储在哈希表中的值改成链表,那么 在哈希表的同4个 位置上,就还要能存储多个不同的值。链表中的每4个 元素,一并存储了key和value。示意图如下:

  那么 ,当不同的key通过散列函数计算出相同的hash值时,亲戚亲戚朋友只还要能找到数组中对应的位置,本来我 往其中的链表加在新的节点即可,从而有效地出理 了散列冲突。为了实现这名数据社会形态,亲戚亲戚朋友还要能定义4个 新的辅助类ValuePair,它的内容如下:

let ValuePair = function (key, value) {
  this.key = key;
  this.value = value;

  this.toString = function () { // 提供toString()最好的妙招以方便亲戚亲戚朋友测试
      return `[${this.key} - ${this.value}]`;
  }
};

  ValuePair类具4个 属性,key和value,用来保存亲戚亲戚朋友要存入到散列表中的元素的键值对。toString()最好的妙招在这里就有还要能的,该最好的妙招是为了顶端亲戚亲戚朋友方便测试。

  新的采用了分离链接的HashTableSeparateChaining类还要能继承自前面的HashTable类,详细的代码如下:

class HashTableSeparateChaining extends HashTable {
    constructor () {
        super();
    }

    put (key, value) {
        let position = this.loseloseHashCode(key);

        if (this.table[position] === undefined) {
            this.table[position] = new LinkedList(); // 单向链表,还要能引入LinkedList类
        }
        this.table[position].append(new ValuePair(key, value));
    }

    get (key) {
        let position = this.loseloseHashCode(key);

        if (this.table[position] !== undefined) {
            let current = this.table[position].getHead();
            while (current) {
                if (current.element.key === key) return current.element.value;
                current = current.next;
            }
        }
        return undefined;
    }

    remove (key) {
        let position = this.loseloseHashCode(key);
        let hash = this.table[position];

        if (hash !== undefined) {
            let current = hash.getHead();
            while (current) {
                if (current.element.key === key) {
                    hash.remove(current.element);
                    if (hash.isEmpty()) this.table[position] = undefined;
                    return true;
                }
                current = current.next;
            }
        }

        return false;
    }

    size () {
        let count = 0;
        this.table.forEach(item => {
            if (item !== undefined) count += item.size();
        });
        return count;
    }

    toString() {
        let objString = "";
        for (let i = 0; i < this.table.length; i++) {
            let ci = this.table[i];
            if (ci === undefined) continue;

            objString += `${i}: `;
            let current = ci.getHead();
            while (current) {
                objString += current.element.toString();
                current = current.next;
                if (current) objString += ', ';
            }
            objString += '\r\n';
        }
        return objString;
    }
}

  其中的LinkedList类为单向链表,具体内容还要能查看《JavaScript数据社会形态——链表的实现与应用》。注意,现在hash数组中的每4个 元素都4个 单向链表,单向链表的所有操作亲戚亲戚朋友还要能借有助LinkedList类来完成。亲戚亲戚朋友重写了size()最好的妙招,本来我 现在要计算的是数组中所有链表的长度总和。

  下面是HashTableSeparateChaining类的测试用例及结果:

let hash = new HashTableSeparateChaining();

hash.put('Gandalf', 'gandalf@email.com');
hash.put('John', 'john@email.com');
hash.put('Tyrion', 'tyrion@email.com');
hash.put('Aaron', 'aaron@email.com');
hash.put('Donnie', 'donnie@email.com');
hash.put('Ana', 'ana@email.com');
hash.put('Jamie', 'jamie@email.com');
hash.put('Sue', 'sue@email.com');
hash.put('Mindy', 'mindy@email.com');
hash.put('Paul', 'paul@email.com');
hash.put('Nathan', 'nathan@email.com');

console.log(hash.toString());
console.log(`size: ${hash.size()}`);
console.log(hash.get('John'));

console.log(hash.remove('Ana'));
console.log(hash.remove('John'));
console.log(hash.toString());

  还要能看多,结果和顶端示意图上给出的是一致的,size()、remove()和get()最好的妙招的执行结果也符合预期。

线性探查

  出理 散列冲突的另三种最好的妙招是线性探查。当向哈希数组中加在某4个 新元素时,本来我 该位置上本来我 有数据了,就继续尝试下4个 位置,直到对应的位置上那么数据时,就在该位置加在在数据。亲戚亲戚朋友将顶端的例子改成线性探查的最好的妙招,存储结果如下图所示:

  现在亲戚亲戚朋友不到单向链表LinkedList类了,本来我 ValuePair类仍然是还要能的。同样的,亲戚亲戚朋友的HashTableLinearProbing类继承自HashTable类,详细的代码如下:

class HashTableLinearProbing extends HashTable {
    constructor () {
        super();
    }

    put (key, value) {
        let position = this.loseloseHashCode(key);

        if (this.table[position] === undefined) {
            this.table[position] = new ValuePair(key, value);
        }
        else {
            let index = position + 1;
            while (this.table[index] !== undefined) {
                index ++;
            }
            this.table[index] = new ValuePair(key, value);
        }
    }

    get (key) {
        let position = this.loseloseHashCode(key);

        if (this.table[position] !== undefined) {
            if (this.table[position].key === key) return this.table[position].value;
            let index = position + 1;
            while (this.table[index] !== undefined && this.table[index].key === key) {
                index ++;
            }
            return this.table[index].value;
        }
        return undefined;
    }

    remove (key) {
        let position = this.loseloseHashCode(key);

        if (this.table[position] !== undefined) {
            if (this.table[position].key === key) {
                this.table[position] = undefined;
                return true;
            }
            let index = position + 1;
            while (this.table[index] !== undefined && this.table[index].key !== key) {
                index ++;
            }
            this.table[index] = undefined;
            return true;
        }
        return false;
    }

    toString() {
        let objString = "";
        for (let i = 0; i < this.table.length; i++) {
            let ci = this.table[i];
            if (ci === undefined) continue;

            objString += `${i}: ${ci}\r\n`;
        }
        return objString;
    }
}

  使用顶端和HashTableSeparateChaining类相同的测试用例,亲戚亲戚朋友来看看测试结果:

  还要能和HashTableSeparateChaining类的测试结果比较一下,多出来的位置6、14、17、33,正是HashTableSeparateChaining类中每4个 链表的剩余每段。get()和remove()最好的妙招要能正常工作,亲戚亲戚朋友不到重写size()最好的妙招,和基类HashTable中一样,hash数组中每4个 位置只保存了4个 元素。那么 要注意的地方是,本来我 JavaScript中定义数组时不到提前给出数组的长度,本来我 亲戚亲戚朋友还要能很容易地利用JavaScript语言的这名社会形态来实现线性探查。在这名编程语言中,数组的定义是还要能明确给出长度的,这时亲戚亲戚朋友就还要能重新考虑亲戚亲戚朋友的HashLinearProbing类的实现了。

  loseloseHashCode()散列函数并都4个 表现良好的散列函数,正如你所看多的,它会很轻易地产生散列冲突。4个 表现良好的散列函数还要能要能尽本来我 低地减少散列冲突,并提高性能。亲戚亲戚朋友还要能在网上找这名不同的散列函数的实现最好的妙招,下面是4个 比loseloseHashCode()更好的散列函数djb2HashCode():

djb2HashCode (key) {
    let hash = 5381;
    for (let i = 0; i < key.length; i++) {
        hash = hash * 33 + key.charCodeAt(i);
    }
    return hash % 1013;
}

  亲戚亲戚朋友用相同的测试用例来测试dj2HashCode(),下面是测试结果:

  这次那么冲突!然而这并就有最好的散列函数,但它是社区最推崇的散列函数之一。

  下一章亲戚亲戚朋友将介绍如保用JavaScript来实现树。