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javascript 哈希樹

張春雷 / 2781人閱讀

摘要:選擇從開始的連續質數來建立一個十層的哈希樹。哈希樹主要有三個方法與,它們的結構都差不多。哈希樹也沒有必要為不存在的關鍵字提前分配空間。即使數據量減少到原來的數量,但是哈希樹的總節點數不會減少。而哈希樹的查找次數和元素個數沒有關系。

哈希樹的理論基礎

質數分辨定理

n個不同的質數可以“分辨”的連續整數的個數和他們的乘積相等。“分辨”就是指這些連續的整數不可能有完全相同的余數序列。
(這個定理的證明詳見:http://wenku.baidu.com/view/1...)

例如:
從2起的連續質數,連續10個質數就可以分辨大約M(10) =23571113171923*29= 6464693230 個數,已經超過計算機中常用整數(32bit)的表達范圍。連續100個質數就可以分辨大約M(100) = 4.711930 乘以10的219次方。

而按照目前的CPU水平,100次取余的整數除法操作幾乎不算什么難事。在實際應用中,整體的操作速度往往取決于節點將關鍵字裝載內存的次數和時間。一般來說,裝載的時間是由關鍵字的大小和硬件來決定的;在相同類型關鍵字和相同硬件條件下,實際的整體操作時間就主要取決于裝載的次數。他們之間是一個成正比的關系。

程序實現

我們選擇質數分辨算法來建立一棵哈希樹。
選擇從2開始的連續質數來建立一個十層的哈希樹。第一層結點為根結點,根結點下有2個結點;第二層的每個結點下有3個結點;依此類推,即每層結點的子節點數目為連續的質數。到第十層,每個結點下有29個結點。

除了根結點,不放東西,其他都動態生成一個對象,添加上key, value, occupied三個屬性。occupied是用于表示這個結點是否已經被刪除,因為我并不真正刪除節點,避免遞歸處理下面的子節點。在插入過程,已經發現有對象點著,并且occupied不為false,那么就取下一個質數重新計算,以當前對象為起點進行插入操作。

哈希樹主要有三個方法 insert, search與remove,它們的結構都差不多。

class HashTree{
  constructor(){
      this.root = {}
  }
  insert(key, value){
       var primes = [2,3,5,7,11,13,17,19,23,29], cur = this.root
       for(var i = 0; i < 10; i++){
          var prime = primes[i]
          var a = key % prime
          var obj = cur[a]
          if(!obj){ //插入成功
              cur[a] = {
                  key : key,
                  value: value,
                  occupied: true
              }
              break
          }else if(!obj.occupied){
              obj.key = key
              obj.value = value
              obj.occupied = true
              break
          }else{
              cur = obj
          }
       }
  }
  search(key){
       var primes = [2,3,5,7,11,13,17,19,23,29], cur = this.root
       for(var i = 0; i < 10; i++){
          var prime = primes[i]
          var a = key % prime
          var obj = cur[a]
          if(obj){
              if(obj.key === key){
                  console.log(key)
                  return obj.value
              }else{
                  cur = obj
              }
          }else{
              return null
          }
       }
  }
  remove(key){
       var primes = [2,3,5,7,11,13,17,19,23,29], cur = this.root
       for(var i = 0; i < 10; i++){
          var prime = primes[i]
          var a = key % prime
          var obj = cur[a]
          if(obj){
              if(obj.key === key){
                  obj.occupied = false
                  break
              }else{
                  cur = obj
              }
          }else{
              break
          }
       }
  }
}
//自己在chrome控制臺下查看
var tree = new HashTree
tree.insert(7807, "a")
tree.insert(249, "b")
tree.insert(1073, "c")
tree.insert(658, "d")
tree.insert(930, "e")
tree.insert(2272, "f")
tree.insert(8544, "g")
tree.insert(1878, "h")
tree.insert(8923, "i")
tree.insert(8709, "j")
console.log(tree)
console.log(tree.search(1878))
優點

1、結構簡單

從哈希樹的結構來說,非常的簡單。每層節點的子節點個數為連續的質數。子節點可以隨時創建。因此哈希樹的結構是動態的,也不像某些哈希算法那樣需要長時間的初始化過程。哈希樹也沒有必要為不存在的關鍵字提前分配空間。
需要注意的是哈希樹是一個單向增加的結構,即隨著所需要存儲的數據量增加而增大。即使數據量減少到原來的數量,但是哈希樹的總節點數不會減少。這樣做的目的是為了避免結構的調整帶來的額外消耗。

2、查找迅速

從算法過程我們可以看出,對于整數,哈希樹層級最多能增加到10。因此最多只需要十次取余和比較操作,就可以知道這個對象是否存在。這個在算法邏輯上決定了哈希樹的優越性。
一般的樹狀結構,往往隨著層次和層次中節點數的增加而導致更多的比較操作。操作次數可以說無法準確確定上限。而哈希樹的查找次數和元素個數沒有關系。如果元素的連續關鍵字總個數在計算機的整數(32bit)所能表達的最大范圍內,那么比較次數就最多不會超過10次,通常低于這個數值。

3、結構不變

從刪除算法中可以看出,哈希樹在刪除的時候,并不做任何結構調整。這個也是它的一個非常好的優點。常規樹結構在增加元素和刪除元素的時候都要做一定的結構調整,否則他們將可能退化為鏈表結構,而導致查找效率的降低。哈希樹采取的是一種“見縫插針”的算法,從來不用擔心退化的問題,也不必為優化結構而采取額外的操作,因此大大節約了操作時間。

缺點

1、非排序性

哈希樹不支持排序,沒有順序特性。如果在此基礎上不做任何改進的話并試圖通過遍歷來實現排序,那么操作效率將遠遠低于其他類型的數據結構。

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