java中的雜湊演算法和hashcode深入講解

java中的雜湊演算法和hashcode深入講解

一，雜湊演算法的概念

在計算機領域，雜湊演算法具有非常廣泛的應用，比如快速查詢和加密。今天我們來討論一下雜湊演算法。我們先從理論知識開始。

1，什麼是雜湊演算法
百科中，從雜湊演算法的功能上，對雜湊演算法進行了定義。百科是這樣定義雜湊演算法的：雜湊演算法可以將任意長度的二進位制值對映
為較短的，固定長度的二進位制值。我們把這個二進位制值成為雜湊值。

2，雜湊值的特點
* 雜湊值是二進位制值；
* 雜湊值具有一定的唯一性；

* 雜湊值極其緊湊；
* 要找到生成同一個雜湊值的2個不同輸入，在一定時間範圍內，是不可能的。

正因為雜湊值的這些特點，使得雜湊演算法應用在加密領域成為可能。雜湊演算法在加密領域的應用，源於雜湊演算法的不可逆性，對於
使用者輸入的密碼，通過雜湊演算法可以得到一個雜湊值。並且，同一個密碼，生成的雜湊值總是相等的。這樣，伺服器就可以在不知道
使用者輸入的密碼的情況下，判斷使用者輸入的密碼是否正確。

3，雜湊表
雜湊表是一種資料機構。雜湊表根據關鍵字（key），生成關鍵字的雜湊值，然後通過雜湊值對映關鍵字對應的值。雜湊表儲存了多

餘的key（我們本可以只儲存值的），是一種用空間換時間的做法。在記憶體足夠的情況下，這種“空間換時間”的做法是值得的。雜湊表的
產生，靈感來源於陣列。我們知道，陣列號稱查詢效率最高的資料結構，因為不管陣列的容量多大，查詢的時間複雜度都是O(1)。如果
所有的key都是不重複的整數，那麼這就完美了，不需要新增一張雜湊表，來做關鍵字（key）到值（value）的對映。但是，如果key是
字串，情況就不一樣了。我們必須要來建一張雜湊表，進行對映。
資料庫索引的原理，其實和雜湊表是相同的。資料庫索引也是用空間換時間的做法。

二，雜湊演算法的具體實現

    雜湊演算法在不同的語言，具有不同的實現。這裡我們以java語言為例來進行說明。

1，雜湊演算法在HashMap類中的應用
    java中的集合，比如HashMap/Hashtable/HashSet等，在實現時，都用到了雜湊演算法。當我們向容器中新增元素時，我們有必要知道
這個元素是否已經存在。
    從實現上來說，java是藉助hashcode()方法和equals()方法來實現判斷元素是否已經存在的。當我們向HashMap中插入元素A時，首先，
呼叫hashcode()方法，判斷元素A在容器中是否已經存在。如果A元素的hashcode值在HashMap中不存在，則直接插入。否則，接著呼叫
equals()方法，判斷A元素在容器中是否已經存在。hashcode()的時間複雜度為O(1)，equals()方法的時間複雜度為O(m)，整體的時間複雜度
就是：O(1) + O(m)。其中，m是桶的深度。桶的深度是一個什麼概念呢，桶的深度是指具有相同hashcode值得元素的個數，也就是發生雜湊
碰撞的元素的個數。
    一個好的雜湊演算法應該儘量減少雜湊碰撞的次數。

2，雜湊演算法在String類中的應用

Sring類重寫了Object類的equals()方法和hashcode()方法。hashcode()方法的原始碼如下：

[java] view plain copy

public int hashCode() {
int h = hash;
if (h == 0) {
int off = offset;
char val[] = value;
int len = count;
for (int i = 0; i < len; i++) {
h = 31*h + val[off++];
}
hash = h;
}
return h;
}

原始碼寫的比較簡潔，閱讀起來也不是太方便，下面我詳細解讀一下：
// String類的hashcode值（雜湊值）是如何計算得到的？具體實現？為了方便閱讀，我們來進行分步說明

[java] view plain copy

static void hashcodeTest(){
String str = "yangcq";
// 第一步 = (int)'y'
// 第二步 = (31 * (int)'y') + (int)'a'
// 第三步 = 31 * ((31 * (int)'y') + (int)'a') + (int)'n'
// 第四步 = 31 * (31 * ((31 * (int)'y') + (int)'a') + (int)'n') + (int)'g'
// 第五步 = 31 * (31 * (31 * ((31 * (int)'y') + (int)'a') + (int)'n') + (int)'g') + (int)'c'
// 第六步 = 31 * (31 * (31 * (31 * ((31 * (int)'y') + (int)'a') + (int)'n') + (int)'g') + (int)'c') + (int)'q'
// 上面的過程，也可以用下面的方式表示
// 第一步 = (int)'y'
// 第二步 = 31 * (第一步的計算結果) + (int)'a'
// 第三步 = 31 * (第二步的計算結果) + (int)'n'
// 第四步 = 31 * (第三步的計算結果) + (int)'g'
// 第五步 = 31 * (第四步的計算結果) + (int)'c'
// 第六步 = 31 * (第五步的計算結果) + (int)'q'
int hashcode = 31 * (31 * (31 * (31 * ((31 * (int)'y') + (int)'a') + (int)'n') + (int)'g') + (int)'c') + (int)'q';
System.out.println("yangcq的hashcode = " + hashcode); // yangcq的hashcode = -737879313
System.out.println("yangcq的hashcode = " + str.hashCode()); // yangcq的hashcode = -737879313
}

通過上面的測試方法，我們可以很清晰的看到hashcode()方法具體的計算過程。下面再貼上2個類，一個是自己寫的測試類
MyHashcode.java，另一個是HashcodeOfString.java

[java] view plain copy

/**
* java中物件的hashcode值，是如何計算得到的。
*/
public class MyHashcode {
/** The value is used for character storage. */
static char value[];
/** The offset is the first index of the storage that is used. */
static int offset;
/** The count is the number of characters in the String. */
static int count;
/** Cache the hash code for the string */
static int hash; // Default to 0
/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
// TODO Auto-generated method stub
String str1 = new String("yangcq");
String str2 = new String("yangcq");
// 如果2個字串的內容相同，那麼這2個字串的hashcode必然相同
System.out.println(new String("yangcq").hashCode() == new String("yangcq").hashCode());
System.out.println(str1.hashCode() == str2.hashCode());
System.out.println(str1.hashCode());
System.out.println(hashCode1(str1));
// 測試自定義的hashcode方法
HashcodeOfString hashcodeOfString = new HashcodeOfString();
hashcodeOfString.hashCode(str1);
System.out.println("str1的hashcode = " + hashcodeOfString.hashCode(str1));
System.out.println("str1的hashcode = " + str1.hashCode());
}
// HashMap中實現的hash演算法(再hash演算法)
static int hash(int h) {
// This function ensures that hashCodes that differ only by
// constant multiples at each bit position have a bounded
// number of collisions (approximately 8 at default load factor).
h ^= (h >>> 20) ^ (h >>> 12);
return h ^ (h >>> 7) ^ (h >>> 4);
}
// String類實現的hashcode方法原始碼
static int hashCode1(String str) {
int h = hash;
if (h == 0) {
int off = 0;
char val[] = str.toCharArray();
int len = str.length();
for (int i = 0; i < len; i++) {
h = 31 * h + val[off++];
}
hash = h;
}
return h;
}
// String類的hashcode值（雜湊值）是如何計算得到的？具體實現？為了方便閱讀，我們來進行分步說明
static void hashcodeTest(){
String str = "yangcq";
// 第一步 = (int)'y'
// 第二步 = (31 * (int)'y') + (int)'a'
// 第三步 = 31 * ((31 * (int)'y') + (int)'a') + (int)'n'
// 第四步 = 31 * (31 * ((31 * (int)'y') + (int)'a') + (int)'n') + (int)'g'
// 第五步 = 31 * (31 * (31 * ((31 * (int)'y') + (int)'a') + (int)'n') + (int)'g') + (int)'c'
// 第六步 = 31 * (31 * (31 * (31 * ((31 * (int)'y') + (int)'a') + (int)'n') + (int)'g') + (int)'c') + (int)'q'
// 上面的過程，也可以用下面的方式表示
// 第一步 = (int)'y'
// 第二步 = 31 * (第一步的計算結果) + (int)'a'
// 第三步 = 31 * (第二步的計算結果) + (int)'n'
// 第四步 = 31 * (第三步的計算結果) + (int)'g'
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