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第十一章 HashMap

原文:Chapter 11 HashMap

译者:飞龙

协议:CC BY-NC-SA 4.0

自豪地采用谷歌翻译

上一章中,我们写了一个使用哈希的Map接口的实现。我们期望这个版本更快,因为它搜索的列表较短,但增长顺序仍然是线性的。

如果存在n个条目和k个子映射,则子映射的大小平均为n/k,这仍然与n成正比。但是,如果我们与n一起增加k,我们可以限制n/k的大小。

例如,假设每次n超过k的时候,我们都使k加倍;在这种情况下,每个映射的条目的平均数量将小于1,并且几乎总是小于10,只要散列函数能够很好地展开键。

如果每个子映射的条目数是不变的,我们可以在常数时间内搜索一个子映射。并且计算散列函数通常是常数时间(它可能取决于键的大小,但不取决于键的数量)。这使得Map的核心方法, putget时间不变。

在下一个练习中,你将看到细节。

11.1 练习 9

MyHashMap.java中,我提供了哈希表的大纲,它会按需增长。这里是定义的起始:

public class MyHashMap<K, V> extends MyBetterMap<K, V> implements Map<K, V> {

    // average number of entries per sub-map before we rehash
    private static final double FACTOR = 1.0;

    @Override
    public V put(K key, V value) {
        V oldValue = super.put(key, value);

        // check if the number of elements per sub-map exceeds the threshold
        if (size() > maps.size() * FACTOR) {
            rehash();
        }
        return oldValue;
    }
}

MyHashMap扩展了MyBetterMap,所以它继承了那里定义的方法。它覆盖的唯一方法是put,它调用了超类中的put -- 也就是说,它调用了MyBetterMap中的put版本 -- 然后它检查它是否必须rehash。调用size返回总数量n。调用maps.size返回内嵌映射的数量k

常数FACTOR(称为负载因子)确定每个子映射的平均最大条目数。如果n > k * FACTOR,这意味着n/k > FACTOR,意味着每个子映射的条目数超过阈值,所以我们调用rehash

运行ant build来编译源文件。然后运行ant MyHashMapTest。它应该失败,因为执行rehash会抛出异常。你的工作是填充它。

填充rehash的主体,来收集表中的条目,调整表的大小,然后重新放入条目。我提供了两种可能会派上用场的方法:MyBetterMap.makeMapsMyLinearMap.getEntries。每次调用它时,你的解决方案应该使映射数量加倍。

11.2 分析MyHashMap

如果最大子映射中的条目数与n/k成正比,并且kn成正比,那么多个核心方法就是常数时间的:

    public boolean containsKey(Object target){ 
        MyLinearMap <K,V> map = chooseMap(target); 
        return map.containsKey(target); 
    } 

    public V get(Object key){ 
        MyLinearMap <K,V> map = chooseMap(key); return map.get(key); 
    } 
    public V remove(Object key){ 
        MyLinearMap <K,V> map = chooseMap(key); 
        return map.remove(key); 
    }

每个方法都计算键的哈希,这是常数时间,然后在一个子映射上调用一个方法,这个方法是常数时间的。

到现在为止还挺好。但另一个核心方法,put有点难分析。当我们不需要rehash时,它是不变的时间,但是当我们这样做时,它是线性的。这样,它与 3.2 节中我们分析的ArrayList.add类似。

出于同样的原因,如果我们平摊一系列的调用,结果是常数时间。同样,论证基于摊销分析(见 3.2 节)。

假设子映射的初始数量k2,负载因子为1。现在我们来看看put一系列的键需要多少工作量。作为基本的“工作单位”,我们将计算对密钥哈希,并将其添加到子映射中的次数。

我们第一次调用put时,它需要1个工作单位。第二次也需要1个单位。第三次我们需要rehash,所以需要2个单位重新填充现有的键,和1个单位来对新键哈希。

译者注:可以单独计算rehash中转移元素的数量,然后将元素转移的复杂度和计算哈希的复杂度相加。

现在哈希表的大小是4,所以下次调用put时 ,需要1个工作单位。但是下一次我们必须rehash,需要4个单位来rehash现有的键,和1个单位来对新键哈希。

图 11.1 展示了规律,对新键哈希的正常工作量在底部展示,额外工作量展示为塔楼。

图 11.1:向哈希表添加元素的工作量展示

如箭头所示,如果我们把塔楼推倒,每个积木都会在下一个塔楼之前填满空间。结果似乎2个单位的均匀高度,这表明put的平均工作量约为2个单位。这意味着put平均是常数时间。

这个图还显示了,当我们rehash的时候,为什么加倍子映射数量k很重要。如果我们只是加上k而不是加倍,那么这些塔楼会靠的太近,他们会开始堆积。这样就不会是常数时间了。

11.3 权衡

我们已经表明,containsKeygetremove是常数时间,put平均为常数时间。我们应该花一点时间来欣赏它有多么出色。无论哈希表有多大,这些操作的性能几乎相同。算是这样吧。

记住,我们的分析基于一个简单的计算模型,其中每个“工作单位”花费相同的时间量。真正的电脑比这更复杂。特别是,当处理足够小,适应高速缓存的数据结构时,它们通常最快;如果结构不适合高速缓存但仍适合内存,则稍慢一点;如果结构不适合在内存中,则非常慢。

这个实现的另一个限制是,如果我们得到了一个值而不是一个键时,那么散列是不会有帮助的:containsValue是线性的,因为它必须搜索所有的子映射。查找一个值并找到相应的键(或可能的键),没有特别有效的方式。

还有一个限制:MyLinearMap的一些常数时间的方法变成了线性的。例如:

    public void clear() {
        for (int i=0; i<maps.size(); i++) {
            maps.get(i).clear();
        }
    }

clear必须清除所有的子映射,子映射的数量与n成正比,所以它是线性的。幸运的是,这个操作并不常用,所以在大多数应用中,这种权衡是可以接受的。

11.4 分析MyHashMap

在我们继续之前,我们应该检查一下,MyHashMap.put是否真的是常数时间。

运行ant build来编译源文件。然后运行ant ProfileMapPut。它使用一系列问题规模,测量 HashMap.put(由 Java 提供)的运行时间,并在重对数比例尺上绘制运行时间与问题规模。如果这个操作是常数时间,n个操作的总时间应该是线性的,所以结果应该是斜率为1的直线。当我运行这个代码时,估计的斜率接近1,这与我们的分析一致。你应该得到类似的东西。

修改ProfileMapPut.java,来测量你的MyHashMap实现,而不是 Java 的HashMap。再次运行分析器,查看斜率是否接近1。你可能需要调整startNendMillis,来找到一系列问题规模,其中运行时间多于几毫秒,但不超过几秒。

当我运行这个代码时,我感到惊讶:斜率大约为1.7,这表明这个实现不是一直都是常数的。它包含一个“性能错误”。

在阅读下一节之前,你应该跟踪错误,修复错误,并确认现在put是常数时间,符合预期。

11.5 修复MyHashMap

MyHashMap的问题是size,它继承自MyBetterMap

    public int size() {
        int total = 0;
        for (MyLinearMap<K, V> map: maps) {
            total += map.size();
        }
        return total;
    }

为了累计整个大小,它必须迭代子映射。由于我们增加了子映射的数量k,随着条目数n增加,所以kn成正比,所以size是线性的。

put也是线性的,因为它使用size

    public V put(K key, V value) {
        V oldValue = super.put(key, value);

        if (size() > maps.size() * FACTOR) {
            rehash();
        }
        return oldValue;
    }

如果size是线性的,我们做的一切都浪费了。

幸运的是,有一个简单的解决方案,我们以前看过:我们必须维护实例变量中的条目数,并且每当我们调用一个改变它的方法时更新它。

你会在这本书的仓库中找到我的解决方案MyFixedHashMap.java。这是类定义的起始:

public class MyFixedHashMap<K, V> extends MyHashMap<K, V> implements Map<K, V> {

    private int size = 0;

    public void clear() {
        super.clear();
        size = 0;
    }

我们不修改MyHashMap,我定义一个扩展它的新类。它添加一个新的实例变量size,它被初始化为零。

更新clear很简单; 我们在超类中调用clear(清除子映射),然后更新size

更新removeput有点困难,因为当我们调用超类的该方法,我们不能得知子映射的大小是否改变。这是我的解决方式:

    public V remove(Object key) {
        MyLinearMap<K, V> map = chooseMap(key);
        size -= map.size();
        V oldValue = map.remove(key);
        size += map.size();
        return oldValue;
    }

remove使用chooseMap找到正确的子映射,然后减去子映射的大小。它会在子映射上调用remove,根据是否找到了键,它可以改变子映射的大小,也可能不会改变它的大小。但是无论哪种方式,我们将子映射的新大小加到size,所以最终的size值是正确的。

重写的put版本是类似的:

    public V put(K key, V value) {
        MyLinearMap<K, V> map = chooseMap(key);
        size -= map.size();
        V oldValue = map.put(key, value);
        size += map.size();

        if (size() > maps.size() * FACTOR) {
            size = 0;
            rehash();
        }
        return oldValue;
    }

我们在这里也有同样的问题:当我们在子地图上调用put时,我们不知道是否添加了一个新的条目。所以我们使用相同的解决方案,减去旧的大小,然后加上新的大小。

现在size方法的实现很简单了:

    public int size() {
        return size;
    }

并且正好是常数时间。

当我测量这个解决方案时,我发现放入n个键的总时间正比于n,也就是说,每个put是常数时间的,符合预期。

11.6 UML 类图

在本章中使用代码的一个挑战是,我们有几个互相依赖的类。以下是类之间的一些关系:

  • MyLinearMap包含一个LinkedList并实现了Map
  • MyBetterMap包含许多MyLinearMap对象并实现了Map
  • MyHashMap扩展了MyBetterMap,所以它也包含MyLinearMap对象,并实现了Map
  • MyFixedHashMap扩展了MyHashMap并实现了Map

为了有助于跟踪这些关系,软件工程师经常使用 UML 类图。UML 代表统一建模语言(见 http://thinkdast.com/uml )。“类图”是由 UML 定义的几种图形标准之一。

在类图中,每个类由一个框表示,类之间的关系由箭头表示。图 11.2 显示了使用在线工具 yUML(http://yuml.me/)生成的,上一个练习的 UML 类图。

图11.2:本章中的 UML 类图

不同的关系由不同的箭头表示:

  • 实心箭头表示 HAS-A 关系。例如,每个MyBetterMap实例包含多个MyLinearMap实例,因此它们通过实线箭头连接。
  • 空心和实线箭头表示 IS-A 关系。例如,MyHashMap扩展 了MyBetterMap,因此它们通过 IS-A 箭头连接。
  • 空心和虚线箭头表示一个类实现了一个接口;在这个图中,每个类都实现 Map

UML 类图提供了一种简洁的方式,来表示大量类集合的信息。在设计阶段中,它们用于交流备选设计,在实施阶段中,用于维护项目的共享思维导图,并在部署过程中记录设计。



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