手把手教你实现哈希表：从代码到原理的新手友好指南

一、简介和应用

哈希表（Hash Table）是一种高效的数据结构，通过哈希函数将键（Key）映射到存储位置，实现O(1)时间复杂度的查找、插入和删除操作。它广泛应用于缓存系统、数据库索引、字典查询等场景。例如，在编程中需要快速根据用户ID查找信息时，哈希表能显著提升效率。本文将通过手写的C++哈希表代码，带您从零开始理解其实现原理。

二、特点和注意事项

1. 特点：

    快速访问：通过哈希函数直接定位数据，避免线性查找。

    动态扩容：本例中默认大小为1000，可自定义大小（但需注意扩容策略未在代码中实现）。

    冲突解决：使用链地址法（即每个哈希桶存储链表），解决不同键映射到同一地址的问题。

2. 注意事项：

    哈希函数设计：需尽量均匀分布，减少冲突（本例用取模运算，简单但可能不均）。

    内存管理：代码中使用了new动态分配节点，但未显式释放，实际应用需考虑内存泄漏风险。

    链表长度：若冲突过多，链表过长可能导致性能下降，需优化哈希函数或改用其他策略。

三、实现步骤

1. 定义数据结构：

    使用pairs结构体存储键值对（key和val）。

    listnode节点包含值及指向下一个节点的指针，形成链表。

    hash_map类维护哈希表数组（存储链表头指针）和表大小。

2. 构造函数：

    默认或传入指定大小初始化数组，并全部置空。

3. 核心方法：

    ins()：计算键的哈希地址，新建节点插入链表末尾（处理头节点为空和冲突情况）。

    del()：定位键的哈希地址，遍历链表删除对应节点（需判断头节点是否为目标）。

    find()：查找并返回指定键的值，未找到则返回-1。

    print()：遍历整个哈希表输出所有键值对。

4. 冲突处理：通过链表串联同一地址下的多个元素，避免数据覆盖。

四、代码和注释

#include <iostream>
using namespace std;

// 键值对结构体
struct pairs {
    int key;      // 键
    int val;      // 值
};

// 链表节点（存储键值对）
template<typename T>
struct listnode {
    T val;        // 节点值
    listnode* next = nullptr;  // 指向下一个节点

    // 构造节点
    listnode() {}                // 空构造
    listnode(T v) { val = v; }    // 传入值构造
};

// 哈希表类
class hash_map {
private:
    listnode<pairs>** map;        // 存储链表头指针的数组
    int size;                    // 哈希表大小

public:
    // 默认构造函数（初始化大小为1000）
    hash_map() {
        size = 1000;
        map = new listnode<pairs>*[size];   // 动态分配数组
        for (int i = 0; i < size; i++) {   // 初始化所有位置为空
            map[i] = nullptr;
        }
    }

    // 指定大小构造函数
    hash_map(int size) {
        this->size = size;                // 使用传入的大小
        map = new listnode<pairs>*[size];
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            map[i] = nullptr;
        }
    }

    // 插入键值对
    void ins(pairs pair) {
        int address = pair.key % size;     // 哈希函数：取模定位地址
        listnode<pairs>* newnode = new listnode<pairs>(pair); // 创建新节点

        listnode<pairs>* tmp = map[address];  // 当前地址的链表头
        if (!tmp) {                          // 若头节点为空，直接插入
            map[address] = newnode;
            return;
        }
        while (tmp->next) {                  // 否则遍历到链表末尾
            tmp = tmp->next;
        }
        tmp->next = newnode;                 // 插入末尾
    }

    // 删除指定键
    void del(int key) {
        int address = key % size;            // 定位地址
        listnode<pairs>* tmp = map[address];
        if (tmp->val.key == key) {           // 若头节点就是目标
            map[address] = map[address]->next;  // 删除头节点
            return;
        }
        while (tmp->next->val.key!= key) {  // 遍历查找目标节点
            tmp = tmp->next;
        }
        tmp->next = tmp->next->next;        // 删除目标节点
    }

    // 查找指定键的值
    int find(int key) {
        int address = key % size;
        listnode<pairs>* tmp = map[address];
        while (tmp && tmp->val.key!= key) {  // 遍历查找
            tmp = tmp->next;
        }
        if (!tmp) return -1;                 // 未找到返回-1
        return tmp->val.val;                  // 返回值
    }

    // 打印所有键值对
    void print() {
        for (int i = 0; i < size; i++) {
            listnode<pairs>* tmp = map[i];
            while (tmp) {                    // 遍历当前地址的链表
                cout << tmp->val.key << ":" << tmp->val.val << " ";
                tmp = tmp->next;
            }
            cout << endl;                    // 换行分隔不同地址
        }
        cout << endl;
    }
};

五、总结

通过本文的代码与注释，您已初步掌握了哈希表的核心实现逻辑：利用哈希函数映射键到地址，通过链表解决冲突，从而实现高效的增删查操作。实际应用中，需进一步优化哈希函数（如使用更均匀的算法）和考虑内存管理。建议新手从简单示例入手，逐步实践，理解数据结构背后的设计思想，为后续学习更复杂算法打下基础。

链接：哈希表实现指南：从原理到C++实践