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【數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)】萬字一文手把手解讀哈?!ㄩ_/閉散列)解決哈希沖突完整詳解(6)

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前言

大家好吖,歡迎來到 YY 滴 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 系列 ,熱烈歡迎! 本章主要內(nèi)容面向接觸過C++的老鐵
主要內(nèi)容含:
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一.哈希(散列)的基本概念

1.哈希(散列)的基本概念

  • 理想的搜索方法:不經(jīng)過任何比較, 一次 直接從表中得到要搜索的元素。

  • 如果構(gòu)造一種存儲結(jié)構(gòu), 通過某種函數(shù)(hashFunc)使元素的存儲位置與它的關(guān)鍵碼之間能夠建立一一映射的關(guān)系 ,那么在查找時通過該函數(shù)可以很快找到該元素

  • 該方式即為 哈希(散列)方法 ,哈希方法中使用的轉(zhuǎn)換函數(shù)稱為哈希(散列)函數(shù),構(gòu)造出來的結(jié)構(gòu)稱 為哈希表(Hash Table)(或者稱散列表)

2.哈希表的簡單基本例子

例如:數(shù)據(jù)集合{1,7,6,4,5,9}; 哈希函數(shù)設(shè)置為:hash(key) = key % capacity;

  • capacity為存儲元素底層空間總的大小
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  • 用該方法進行搜索不必進行多次關(guān)鍵碼的比較,因此搜索的速度比較快
  • 但是 當插入44時 ,就會出現(xiàn)問題: 不同值映射到相同位置 ,這就是第二部分要講的" 哈希沖突問題 "

二.哈希沖突(哈希碰撞)

  • 一句話理解哈希沖突: 不同值映射到相同位置
  • 官方解釋:對于兩個數(shù)據(jù)元素的關(guān)鍵字 k i k_i ki? k j k_j kj?(i != j),有 k i k_i ki? != k j k_j kj?,但有:Hash( k i k_i ki?) == Hash( k j k_j kj?),即:不同關(guān)鍵字通過相同哈希哈數(shù)計算出相同的哈希地址,該種現(xiàn)象稱為哈希沖突或哈希碰撞。
  • 把具有不同關(guān)鍵碼而具有相同哈希地址的數(shù)據(jù)元素稱為“同義詞”。
  • 引起哈希沖突的一個原因可能是: 哈希函數(shù)設(shè)計不夠合理 。這就是第二部分要講的"哈希函數(shù)"

三.哈希函數(shù)

  • 我們先要確定一點:哈希函數(shù)設(shè)計的越精妙,產(chǎn)生哈希沖突的可能性就越低,但是 無法避免哈希沖突

1.哈希函數(shù)設(shè)計原則

  • 哈希函數(shù)的定義域必須包括需要存儲的全部關(guān)鍵碼,而如果散列表允許有m個地址時,其值域必須在0到m-1之間
  • 哈希函數(shù)計算出來的地址能均勻分布在整個空間中
  • 哈希函數(shù)應(yīng)該比較簡單

2.常用的兩種哈希函數(shù)

【1】 直接定址法–(常用)

取關(guān)鍵字的某個線性函數(shù)為散列地址:Hash(Key)= A*Key + B

  • 優(yōu)點:簡單、均勻
  • 缺點:需要事先知道關(guān)鍵字的分布情況
  • 使用場景:適合查找比較小且連續(xù)的情況

【2】除留余數(shù)法–(常用)

設(shè)散列表中允許的地址數(shù)為m,取一個不大于m,但最接近或者等于m的質(zhì)數(shù)p作為除數(shù),
按照哈希函數(shù)Hash(key) = key% p(p<=m), 將關(guān)鍵碼轉(zhuǎn)換成哈希地址

【※】哈希表中的荷載因子

【數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)】萬字一文手把手解讀哈希————(開/閉散列)解決哈希沖突完整詳解(6),YY滴 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》,哈希算法,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),散列表

四.解決哈希沖突法一:閉散列-“開放地址法”

  • 一句話理解閉散列: 當前位置被占用了,按規(guī)則找到下一個位置(占用別人應(yīng)該在的位置)
  • 閉散列:也叫 開放定址法 ,當發(fā)生哈希沖突時,如果哈希表未被裝滿,說明在哈希表中必然還有
    空位置,那么可以把key存放到?jīng)_突位置中的 “下一個” 空位置中去 。
  • 那如何尋找下一個空位置呢?—— 線性探測+二次探測

1. 線性探測&二次探測

  • 一句話理解 線性探測: 從發(fā)生沖突的位置開始,依次向后探測,直到尋找到下一個空位置為止 ,示例如下所示:
    【數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)】萬字一文手把手解讀哈?!ㄩ_/閉散列)解決哈希沖突完整詳解(6),YY滴 《數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)》,哈希算法,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),散列表
  • 線性探測缺點: 一旦發(fā)生 哈希沖突 ,所有的沖突連在一起,容易產(chǎn)生 數(shù)據(jù)“堆積”
  • 即:不同關(guān)鍵碼占據(jù)了可利用的空位置,使得尋找某關(guān)鍵碼的位置需要許多次比較,導(dǎo)致搜索效率降
    低。如何緩解呢?
  • 二次探測 是為了避免該問題而生;找下一個空位置的方法為: H i H_i Hi? = ( H 0 H_0 H0? + i 2 i^2 i2 )% m, 或者: H i H_i Hi? = ( H 0 H_0 H0? - i 2 i^2 i2 )% m。其中: i = 1,2,3…, H 0 H_0 H0?是通過散列函數(shù)Hash(x)對元素的關(guān)鍵碼 key 進行計算得到的位置,m是表的大小。示例如下所示:
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2.閉散列哈希中的基本狀態(tài)

每一個元素格子可以分成三種狀態(tài):

  1. EXIST(存在)
  2. EMPTY(空)
  3. DELETE(已被刪除)
enum STATE
	{
		EXIST,
		EMPTY,
		DELETE
	};

3.閉散列哈希的基本結(jié)構(gòu)

    template<class K, class V>
	struct HashData
	{
		pair<K, V> _kv;
		STATE _state = EMPTY;
	};

   vector<HashData<K, V>> _table;
   size_t _n = 0; // 存儲有效數(shù)據(jù)的個數(shù)————可用于識別荷載因子

4.線性探測中處理"查找"

代碼如下所示:

HashData<const K, V>* Find(const K& key)
		{
			// 線性探測
			HashFunc hf;
			size_t hashi = hf(key) % _table.size();
			while (_table[hashi]._state != EMPTY)
			{
				if (_table[hashi]._state == EXIST
					&& _table[hashi]._kv.first == key)
				{
					return (HashData<const K, V>*) & _table[hashi];
				}

				++hashi;
				hashi %= _table.size();
			}

5.線性探測中處理"插入"

【1】注意閉散列擴容問題

插入過程基本程序設(shè)計思路:

  • 當荷載因子達到某個臨界值_n * 10 / _table.size() >= 7,進入擴容
  • 擴容過程: 1.設(shè)置新表大小 2.創(chuàng)建新表 3.遍歷舊表的數(shù)據(jù)插入到新表即可 4.交換新表舊表首元素地址
  • 正常插入過程遵循線性探測:
    1.通過哈希函數(shù)找到相應(yīng)映射的下表(hashi)
    2.但遇到當前hashi已經(jīng)被占據(jù)時_table[hashi]._state == EXIST,
    進行 二次探測 hashi %= _table.size();重新尋找新hashi
    3.找到狀態(tài)為EMPTY的hashi時,存入數(shù)據(jù),調(diào)整狀態(tài)
    _table[hashi]._kv = kv; _table[hashi]._state = EXIST; ++_n;
bool Insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			if (Find(kv.first))
			{
				return false;
			}

			// 擴容
			//if ((double)_n / (double)_table.size() >= 0.7)
			if (_n * 10 / _table.size() >= 7) //荷載因子
			{
				size_t newSize = _table.size() * 2;
				// 遍歷舊表,重新映射到新表
				HashTable<K, V, HashFunc> newHT;
				newHT._table.resize(newSize);

				// 遍歷舊表的數(shù)據(jù)插入到新表即可
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
				{
					if (_table[i]._state == EXIST)
					{
						newHT.Insert(_table[i]._kv);
					}
				}

				_table.swap(newHT._table);
			}

			// 線性探測
			HashFunc hf;
			size_t hashi = hf(kv.first) % _table.size();
			while (_table[hashi]._state == EXIST)
			{
				++hashi;
				hashi %= _table.size();
			}

			_table[hashi]._kv = kv;
			_table[hashi]._state = EXIST;
			++_n;

			return true;
		}

6.線性探測中處理"刪除"

刪除過程基本程序設(shè)計思路:

  • 利用查找函數(shù)find接收返回值
  • 將該hashi下表對應(yīng)的狀態(tài)設(shè)置成DELETE即可
// 按需編譯
		bool Erase(const K& key)
		{
			HashData<const K, V>* ret = Find(key);
			if (ret)
			{
				ret->_state = DELETE;
				--_n;

				return true;
			}

			return false;
		}

7. 閉散列適應(yīng)多種類型轉(zhuǎn)換————“仿函數(shù)”&“類模板特化”&“仿函數(shù)在類模板中充當默認模板實參的應(yīng)用”

【1】仿函數(shù)

  • 一句話解釋 仿函數(shù) 用一個類重載(),讓其實現(xiàn)函數(shù)的功能
  • 仿函數(shù)在類模板中的應(yīng)用傳送門:傳送門
  • 使用仿函數(shù)的基本操作:重載()——operator()
template<class K>
struct DefaultHashFunc
{
	size_t operator()(const K& key)
	{
		return (size_t)key;
	}
};

【2】類模板特化

  • 使用仿函數(shù)的進階操作:讓閉散列適應(yīng)多種類型轉(zhuǎn)換
  • 場景舉例:正常情況下,我們輸入int double,他都會通過仿函數(shù)重載的()轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的ASCLL碼值,但是當傳入的是字符串則會出現(xiàn)問題,因此我們需要把類模板 特化一下————struct DefaultHashFunc<string>
  • 特化在類模板中的應(yīng)用傳送門:傳送門
template<>
struct DefaultHashFunc<string>
{
	size_t operator()(const string& str)
	{
		// BKDR
		size_t hash = 0;
		for (auto ch : str)
		{
			hash *= 131;
			hash += ch;
		}

		return hash;
	}
};

【3】仿函數(shù)在類模板中充當默認實參的應(yīng)用

  • 仿函數(shù)在類模板中充當默認模板實參 傳送門:傳送門
template<class K, class V, class HashFunc = DefaultHashFunc<K>>
	class HashTable
	{
	//調(diào)用時
	HashFunc hf;
	size_t hashi = hf(kv.first) % _table.size();
	...};

8.閉散列哈希完整代碼展示

template<class K>
struct DefaultHashFunc
{
	size_t operator()(const K& key)
	{
		return (size_t)key;
	}
};

template<>
struct DefaultHashFunc<string>
{
	size_t operator()(const string& str)
	{
		// BKDR
		size_t hash = 0;
		for (auto ch : str)
		{
			hash *= 131;
			hash += ch;
		}

		return hash;
	}
};

namespace open_address
{
	enum STATE
	{
		EXIST,
		EMPTY,
		DELETE
	};

	template<class K, class V>
	struct HashData
	{
		pair<K, V> _kv;
		STATE _state = EMPTY;
	};

	template<class K, class V, class HashFunc = DefaultHashFunc<K>>
	class HashTable
	{
	public:
		HashTable()
		{
			_table.resize(10);
		}

		bool Insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			if (Find(kv.first))
			{
				return false;
			}

			// 擴容
			//if ((double)_n / (double)_table.size() >= 0.7)
			if (_n * 10 / _table.size() >= 7)
			{
				size_t newSize = _table.size() * 2;
				// 遍歷舊表,重新映射到新表
				HashTable<K, V, HashFunc> newHT;
				newHT._table.resize(newSize);

				// 遍歷舊表的數(shù)據(jù)插入到新表即可
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
				{
					if (_table[i]._state == EXIST)
					{
						newHT.Insert(_table[i]._kv);
					}
				}

				_table.swap(newHT._table);
			}

			// 線性探測
			HashFunc hf;
			size_t hashi = hf(kv.first) % _table.size();
			while (_table[hashi]._state == EXIST)
			{
				++hashi;
				hashi %= _table.size();
			}

			_table[hashi]._kv = kv;
			_table[hashi]._state = EXIST;
			++_n;

			return true;
		}

		HashData<const K, V>* Find(const K& key)
		{
			// 線性探測
			HashFunc hf;
			size_t hashi = hf(key) % _table.size();
			while (_table[hashi]._state != EMPTY)
			{
				if (_table[hashi]._state == EXIST
					&& _table[hashi]._kv.first == key)
				{
					return (HashData<const K, V>*) & _table[hashi];
				}

				++hashi;
				hashi %= _table.size();
			}

			return nullptr;
		}

		// 按需編譯
		bool Erase(const K& key)
		{
			HashData<const K, V>* ret = Find(key);
			if (ret)
			{
				ret->_state = DELETE;
				--_n;

				return true;
			}

			return false;
		}

	private:
		vector<HashData<K, V>> _table;
		size_t _n = 0; // 存儲有效數(shù)據(jù)的個數(shù)
	};
}

9.閉散列缺點

  • 發(fā)生哈希沖突后,幾個位置映射的值會 相互影響

五.解決哈希沖突法二:開散列-“鏈地址法(開鏈法)”-“哈希桶”

1. 開散列概念

  • 開散列法又叫 鏈地址法(開鏈法) ,首先對關(guān)鍵碼集合用散列函數(shù)計算散列地址,具有相同地址的關(guān)鍵碼歸于同一子集合, 每一個子集合稱為一個桶 ,各個桶中的元素通過一個 單鏈表 鏈接起來,各鏈表的頭結(jié)點存儲在哈希表中。
  • 開散列中每個桶中放的都是發(fā)生 哈希沖突 的元素。

2.開散列哈?;拘问?/h3>
//哈希桶
namespace hash_bucket
{
HashTable...//哈希表
HashNode...//節(jié)點

vector<Node*> _table; // 指針數(shù)組
size_t _n = 0; // 存儲了多少個有效數(shù)據(jù)
}

//哈希表
template<class K, class V, class HashFunc = DefaultHashFunc<K>>
	class HashTable
	{
	typedef HashNode<K, V> Node;
	....};

//節(jié)點
template<class K, class V>
	struct HashNode
	{
		pair<K, V> _kv;
		HashNode<K, V>* _next;

		HashNode(const pair<K, V>& kv)
			:_kv(kv)
			,_next(nullptr)
		{}
	};

3.開散列插入

【1】哈希桶基本插入問題

  • 采取 頭插方式

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// 頭插
  Node* newnode = new Node(kv);
  newnode->_next = _table[hashi];
  _table[hashi] = newnode;

【2】注意閉散列擴容問題

引入:文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-756509.html

  • 如果不擴容,不斷插入某些桶越來越長效率得不到保障,負載因子適當放大一些,一般負載因子控制在1,平均下來就是每一個桶一個數(shù)據(jù)
// 負載因子到1就擴容
if (_n == _table.size())
{
	size_t newSize = _table.size()*2;
	vector<Node*> newTable;
	newTable.resize(newSize, nullptr);
	if(...)//剩余操作
}

【3】注意閉散列擴容后的操作

  • 注意:這里我們采用 遍歷舊表,順手牽羊,把節(jié)點牽下來掛到新表的方式
  • 原因:重新開空間開節(jié)點,消耗大,效率低
// 遍歷舊表,順手牽羊,把節(jié)點牽下來掛到新表
for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
{
	Node* cur = _table[i];//舊表
	while (cur)
	{
	    Node* next = cur->_next;//保存下一個地址
        //找到新的對應(yīng)位置
	    size_t hashi = hf(cur->_kv.first) % newSize; //hf為仿函數(shù),在開散列相關(guān)章可以查看
	     //頭插到新表
		cur->_next = newTable[hashi];
		newTable[hashi] = cur;
		cur = next;
	}
	 //把舊表置空
	_table[i] = nullptr;
}
//最后交換新舊表首元素地址
_table.swap(newTable);

【4】閉散列完整插入操作

bool Insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			if(Find(kv.first))
			{
				return false;
			}

			HashFunc hf;

			// 負載因子到1就擴容
			if (_n == _table.size())
			{
				size_t newSize = _table.size()*2;
				vector<Node*> newTable;
				newTable.resize(newSize, nullptr);

				// 遍歷舊表,順手牽羊,把節(jié)點牽下來掛到新表
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
				{
					Node* cur = _table[i];
					while (cur)
					{
						Node* next = cur->_next;

						// 頭插到新表
						size_t hashi = hf(cur->_kv.first) % newSize;
						cur->_next = newTable[hashi];
						newTable[hashi] = cur;

						cur = next;
					}

					_table[i] = nullptr;
				}

				_table.swap(newTable);
			}

			size_t hashi = hf(kv.first) % _table.size();
			// 頭插
			Node* newnode = new Node(kv);
			newnode->_next = _table[hashi];
			_table[hashi] = newnode;
			++_n;
			return true;
		}

4. 開散列查找操作

Node* Find(const K& key)
		{
			HashFunc hf;
			size_t hashi = hf(key) % _table.size();
			Node* cur = _table[hashi];
			while (cur)
			{
				if (cur->_kv.first == key)
				{
					return cur;
				}

				cur = cur->_next;
			}

			return nullptr;
		}

5. 開散列哈希完整代碼展示

namespace hash_bucket
{
	template<class K, class V>
	struct HashNode
	{
		pair<K, V> _kv;
		HashNode<K, V>* _next;

		HashNode(const pair<K, V>& kv)
			:_kv(kv)
			,_next(nullptr)
		{}
	};

	template<class K, class V, class HashFunc = DefaultHashFunc<K>>
	class HashTable
	{
		typedef HashNode<K, V> Node;
	public:
		HashTable()
		{
			_table.resize(10, nullptr);
		}

		~HashTable()
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				Node* cur = _table[i];
				while (cur)
				{
					Node* next = cur->_next;
					delete cur;
					cur = next;
				}

				_table[i] = nullptr;
			}
		}

		bool Insert(const pair<K, V>& kv)
		{
			if(Find(kv.first))
			{
				return false;
			}

			HashFunc hf;

			// 負載因子到1就擴容
			if (_n == _table.size())
			{
				size_t newSize = _table.size()*2;
				vector<Node*> newTable;
				newTable.resize(newSize, nullptr);

				// 遍歷舊表,順手牽羊,把節(jié)點牽下來掛到新表
				for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
				{
					Node* cur = _table[i];
					while (cur)
					{
						Node* next = cur->_next;

						// 頭插到新表
						size_t hashi = hf(cur->_kv.first) % newSize;
						cur->_next = newTable[hashi];
						newTable[hashi] = cur;

						cur = next;
					}

					_table[i] = nullptr;
				}

				_table.swap(newTable);
			}

			size_t hashi = hf(kv.first) % _table.size();
			// 頭插
			Node* newnode = new Node(kv);
			newnode->_next = _table[hashi];
			_table[hashi] = newnode;
			++_n;
			return true;
		}

		Node* Find(const K& key)
		{
			HashFunc hf;
			size_t hashi = hf(key) % _table.size();
			Node* cur = _table[hashi];
			while (cur)
			{
				if (cur->_kv.first == key)
				{
					return cur;
				}

				cur = cur->_next;
			}

			return nullptr;
		}

		bool Erase(const K& key)
		{
			HashFunc hf;
			size_t hashi = hf(key) % _table.size();
			Node* prev = nullptr;
			Node* cur = _table[hashi];
			while (cur)
			{
				if (cur->_kv.first == key)
				{
					if (prev == nullptr)
					{
						_table[hashi] = cur->_next;
					}
					else
					{
						prev->_next = cur->_next;
					}

					delete cur;	
					return true;
				}

				prev = cur;
				cur = cur->_next;
			}

			return false;
		}

		void Print()
		{
			for (size_t i = 0; i < _table.size(); i++)
			{
				printf("[%d]->", i);
				Node* cur = _table[i];
				while (cur)
				{
					cout << cur->_kv.first <<":"<< cur->_kv.second<< "->";
					cur = cur->_next;
				}
				printf("NULL\n");
			}
			cout << endl;
		}

	private:
		vector<Node*> _table; // 指針數(shù)組
		size_t _n = 0; // 存儲了多少個有效數(shù)據(jù)
	};
}

六.哈希表的使用

#include"HashTable.h"

int main()
{
	HashTable<int, int> ht;
	int a[] = { 1,111,4,7,15,25,44,9 };
	for (auto e : a)
	{
		ht.Insert(make_pair(e, e));
	}

	ht.Erase(15);

	auto ret = ht.Find(4);
	//ret->_kv.first = 41;
	ret->_kv.second = 400;

	//HashTable<string, string, StringHashFunc> dict;
	HashTable<string, string> dict;
	dict.Insert(make_pair("sort", "排序"));
	dict.Insert(make_pair("left", "xxx"));
	auto dret = dict.Find("left");
	//dret->_kv.first = "xx";//不可修改,const
	dret->_kv.second = "左邊";

	string s1("xxx");
	string s2("xxx");


	DefaultHashFunc<string> hf;
	cout << hf(s1) << endl;
	cout << hf(s2) << endl;
	cout << hf("bacd") << endl;
	cout << hf("abcd") << endl;
	cout << hf("abbe") << endl;
	cout << hf("https://www.baidu.com/s?ie=utf-8&f=8&rsv_bp=1&rsv_idx=1&tn=65081411_1_oem_dg&wd=STATE&fenlei=256&rsv_pq=0xdd48647300054f47&rsv_t=1cd5rO%2BE6TJzo6qf9QKcibznhQ9J3lFwGEzmkc0Goazr3HuQSIIc2zD78Pt0&rqlang=en&rsv_enter=1&rsv_dl=tb&rsv_sug3=2&rsv_n=2&rsv_sug1=1&rsv_sug7=100&rsv_sug2=0&rsv_btype=i&prefixsug=STAT%2526gt%253B&rsp=5&inputT=656&rsv_sug4=796") << endl;

	return 0;
}

到了這里,關(guān)于【數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)】萬字一文手把手解讀哈希————(開/閉散列)解決哈希沖突完整詳解(6)的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容,請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章,希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)!

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