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怎么在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你这俩;而在字典和散列表中数据是以[键,值]的形式保存的,键只能重复,亲戚亲戚朋友不仅关心键,也关心键所对应的值。

  亲戚亲戚朋友也还还要把字典称之为映射表。将会字典和集合很之类于,亲戚亲戚朋友还还要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类之类于,ES6的原生Map类将会实现了字典的全版功能,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) { // 向字典中再加或修改元素
        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) { // 判断给定的键值与否占据

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类很之类于,可是我我把其中value的累积替再加了key。亲戚亲戚朋友来看看一些测试用例:

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类稍微有一些不同,values()方法和keys()方法返回的都有另四个数组,可是我我Iterator迭代器。曾经可是我我这里的size是另四个属性而都有方法,否则 可是我我Map类越来越getItems()方法,取而代之的是entries()方法,它返回的也是另四个Iterator。有关Map类的全版全版介绍还还要查看这里。

  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数据特性——栈的实现与应用》一文中将会见过WeakMap的使用了。Map和Set与它们每个人所有的弱化版本之间的主要区别是:

  • WeakSet或WeakMap类越来越entries、keys和values等迭代器方法,只能通过get和set方法访问和设置其中的值。这也是为那此亲戚亲戚朋友在《JavaScript数据特性——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。
  • 只能用对应作为键值,将会说其中的内容只能是对象,而只能是数字、字符串、布尔值等基本数据类型。

  弱化的Map和Set类主可是我我为了提供JavaScript代码的性能。

散列表

  散列表(将会叫哈希表),是你这俩改进的dictionary,它将key通过另四个固定的算法(散列函数或哈希函数)得出另四个数字,否则 将dictionary中key所对应的value存里装 你这俩数字所对应的数组下标所饱含的存储空间中。在原始的dictionary中,将会要查找某个key所对应的value,亲戚亲戚朋友还要遍历整个字典。为了提高查询的波特率单位,亲戚亲戚朋友将key对应的value保存到数组里,否则key不变,使用相同的散列函数计算出来的数字可是我我固定的,于是就还还要放慢地在数组中找到你让你查找的value。下面是散列表的数据特性示意图:

  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;
}

  你这俩散列函数的实现很简单,亲戚亲戚朋友将传入的key中的每另四个字符使用charCodeAt()函数(有关该函数的全版内容还还要查看这里)将其转再加ASCII码,否则 将那此ASCII码相加,最后用37求余,得到另四个数字,你这俩数字可是我我你这俩key所对应的hash值。接下来要做的可是我我将value存里装 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) { // 将键值对存里装

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 () { // 判断哈希表与否为空
        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 = [];
    }
}

  测试一下后面 的那此方法:

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()方法中加入了一行console.log(),用来打印key的hash值和value之间的对应关系。还还要都看,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之类于,只不过在散列集合中不再使用键值对,可是我我只能值越来越键。你这俩亲戚亲戚朋友在前面介绍集合和字典的事先将会讲过了,这里不再赘述。

  细心的同学将会将会发现了,这里亲戚亲戚朋友提供的散列函数将会过于简单,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,亲戚亲戚朋友有将会会得到相同的hash值。尝试一下下面那此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');

  从结果中还还要都看,尽管一些keys不同,否则 通过亲戚亲戚朋友提供的散列函数居然得到了相同的hash值,这显然违背了亲戚亲戚朋友的设计原则。在哈希表中,你这俩叫做散列冲突,为了得到另四个可靠的哈希表,亲戚亲戚朋友还要尽将会地避免散列冲突。那怎么避免你这俩冲突呢?这里介绍你这俩避免冲突的方法:分离链接和线性探查。

分离链接

   所谓分离链接,可是我我将曾经存储在哈希表中的值改成链表,曾经在哈希表的同另四个位置上,就还还要存储多个不同的值。链表中的每另四个元素,同时存储了key和value。示意图如下:

  曾经,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找到数组中对应的位置,否则 往其中的链表再加新的节点即可,从而有效地避免了散列冲突。为了实现你这俩数据特性,亲戚亲戚朋友还要定义另四个新的辅助类ValuePair,它的内容如下:

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

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

  ValuePair类具另四个属性,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()方法在这里都有还要的,该方法是为了后面 亲戚亲戚朋友方便测试。

  新的采用了分离链接的HashTableSeparateChaining类还还要继承自前面的HashTable类,全版的代码如下:

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,具体内容还还要查看《JavaScript数据特性——链表的实现与应用》。注意,现在hash数组中的每另四个元素都有另四个单向链表,单向链表的所有操作亲戚亲戚朋友还还要借促使LinkedList类来完成。亲戚亲戚朋友重写了size()方法,将会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());

  还还要都看,结果和后面 示意图上给出的是一致的,size()、remove()和get()方法的执行结果也符合预期。

线性探查

  避免散列冲突的另你这俩方法是线性探查。当向哈希数组中再加某另四个新元素时,将会该位置上将会有数据了,就继续尝试下另四个位置,直到对应的位置上越来越数据时,就在该位置上再加数据。亲戚亲戚朋友将后面 的例子改成线性探查的方法,存储结果如下图所示:

  现在亲戚亲戚朋友不还要单向链表LinkedList类了,否则 ValuePair类仍然是还要的。同样的,亲戚亲戚朋友的HashTableLinearProbing类继承自HashTable类,全版的代码如下:

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;
    }
}

  使用后面 和HashTableSeparateChaining类相同的测试用例,亲戚亲戚朋友来看看测试结果:

  还还要和HashTableSeparateChaining类的测试结果比较一下,多出来的位置6、14、17、33,正是HashTableSeparateChaining类中每另四个链表的剩余累积。get()和remove()方法促使正常工作,亲戚亲戚朋友不还要重写size()方法,和基类HashTable中一样,hash数组中每另四个位置只保存了另四个元素。曾经要注意的地方是,将会JavaScript中定义数组时不还要提前给出数组的长度,否则 亲戚亲戚朋友还还要很容易地利用JavaScript语言的你这俩特性来实现线性探查。在一些编程语言中,数组的定义是还要明确给出长度的,这时亲戚亲戚朋友就还要重新考虑亲戚亲戚朋友的HashLinearProbing类的实现了。

  loseloseHashCode()散列函数不否则另四个表现良好的散列函数,正如你所都看的,它会很轻易地产生散列冲突。另四个表现良好的散列函数还促使够尽将会低地减少散列冲突,并提高性能。亲戚亲戚朋友还还要在网上找一些不同的散列函数的实现方法,下面是另四个比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:

  这次越来越冲突!然而这不否则最好的散列函数,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怎么用JavaScript来实现树。