Джулиан Бакнелл - Фундаментальные алгоритмы и структуры данных в Delphi

Так как же преобразовать строку в целочисленное значение? Один из возможных способов предполагает использование длины строкового ключа. Преимущество применения этого метода состоит в простоте и высокой скорости выполнения. Однако его недостатком является генерирование множества конфликтов. На практике таких конфликтов возникает слишком много. Например, предположим, что нужно создать хеш-таблицу, которая должна содержать названия альбомов коллекции компакт-дисков. В частности, в принадлежащей автору коллекции компакт-дисков, насчитывающей несколько сот наименований, названия подавляющего большинства альбомов содержат от 2 до 20 символов. Использование длины названия альбома привело бы к возникновению множества конфликтов: альбом Bilingual в исполнении Pet Shop Boys конфликтовал бы с Technique в исполнении New Order и с Mind Bomb в исполнении The The. Таким образом, подобная функция хеширования совершенно неприемлема.

Более подходящей функцией хеширования было бы преобразование первых двух символов ключа в значение типа word. Затем для создания индекса можно было бы выполнить деление по модулю этого значения на длину хеш-таблицы. Такой подход вполне приемлем применительно к коллекции компакт-дисков рок- или поп-произведений, но не особенно подходит для коллекции компакт-дисков с классическими произведениями: все симфонии Бетховена преобразовывались бы в одно и то же хеш-значение, которое совпадало бы со значением для всех симфоний Рахманинова и для большинства симфоний Вогана-Вильямса.

Эту идею можно несколько развить и в качестве функции хеширования использовать деление по модулю суммы всех ASCII-значений символов в ключе на размер хеш-таблицы. Для коллекции компакт-дисков эта функция вполне подходит. К сожалению, во многих приложениях ключи могут быть анаграммами друг друга и, естественно, применение этой схемы приводило бы возникновению конфликтов.

Похоже, что приведенные в предыдущем разделе рассуждения наталкивают на мысль о необходимости использования весовых коэффициентов, соответствующих позиции каждого символа в строке во избежание конфликтов при использовании анаграмм в качестве ключей. Это приводит к следующей реализации (исходный код можно найти на Web-сайте издательства, в разделе материалов. После выгрузки материалов отыщите среди них файл TDHshBse.pas).

Листинг 7.1. Простая функция хеширования строковых ключей

function TDSimpleHash( const aKey : string;

aTableSize : integer): integer;

var

i : integer;

Hash : longint;

begin

Hash := 0;

for i := 1 to length (aKey) do

Hash := ((Hash * 17) + ord(aKey[i])) mod aTableSize;

Result := Hash;

if (Result < 0) then

inc(Result, aTableSize);

end;

Подпрограмма принимает два параметра. Первый из них - строка, хеш-значение которой требуется получить. Второй - размер хеш-таблицы (который, как мы приняли, должен быть простым числом). Алгоритм поддерживает постоянно изменяющееся хеш-значение, первоначально установленное равным нулю. Это хеш-значение изменяется для каждого символа в строке путем его умножения на небольшое простое число (17), добавления следующего символа и деления по модулю на размер хеш-таблицы.

Эта подпрограмма достаточно удачна. В ней для каждого символа выполняется всего несколько арифметических операций - к сожалению, в их числе и операция деления - и поэтому она достаточно эффективна. В реальных ситуациях строковые ключи оказываются в значительной степени подобными друг другу (вспомните, например, названия классических музыкальных произведений), а подпрограмма из похожих входных значений создает хеш-значения, которые выглядят случайными. Заключительный оператор if требуется потому, что промежуточное значение переменной Hash может быть отрицательным (такова неприятная "особенность" операции деления по модулю Delphi), а программа, вызывающая эту подпрограмму, будет ожидать результат, значение которого лежит в диапазоне от 0 до TableSize-1.

В разделе, посвященном хеш-таблицам, книги "Compilers: Principles, Techniques, and Tools" ("Компиляторы: принципы, технологии, инструменты"), Ахо (Aho) и других, которая была издана Addison-Wesley [2], описана функция хеширования, созданная П. Дж. Вайнбергером (P. J. Weinberger). Эту подпрограмму называют также хешем Executable and Linking Format (формат исполняемых и компонуемых модулей), или ELF-хешем. Используемый в ней алгоритм аналогичен тому, что применяется в подпрограмме листинга 7.1. Единственное исключение состоит в том, что в этом алгоритме реализован эффект рандомизации, когда операция XOR снова загружает старший полубайт действующей рабочей переменной хеша (полубайт, который должен исчезнуть в результате переполнения при выполнении следующей операции умножения), если он не равен нулю, в младшую часть переменной. Затем алгоритм устанавливает значение старшего полубайта равным нулю, в результате чего конечное хеш-значение всегда будет неотрицательным. (Исходный код функции можно найти на Web-сайте издательства, в разделе материалов. После выгрузки материалов отыщите среди них файл TDHshBse.pas.)

Листинг 7.2. Функция PJW хеширования строковых ключей

function TDPJWHash( const aKey : string;

aTableSize : integer): integer;

var

G : longint;

i : integer;

Hash : longint;

begin

Hash := 0;

for i := 1 to length (aKey) do

begin

Hash := (Hash shl 4) + ord(aKey[i]);

G := Hash and longint ($F0000000);

if (G <> 0) then

Hash := (Hash xor (G shr 24)) xor G;

end;

Result := Hash mod aTableSize;

end;

По ряду параметров эта функция превосходит простую функцию хеширования. Во-первых, благодаря описанному эффекту рандомизации. Во-вторых, для каждого символа выполняются только операции поразрядного сдвига и быстро выполняемые логические операции AND, OR, NOT и XOR (хотя функция и завершается операцией деления по модулю - похоже, что это неизбежно). Вероятно, в общем случае эта функция хеширования является наилучшей.

Мы не будем подробно останавливаться на других основных типах данных, поскольку в целом они успешно могут быть сведены к случаю целочисленных или строковых ключей. В качестве примера давайте рассмотрим хеширование дат, хранящихся в переменных TDateTime. В подавляющем большинстве приложений значения будут ограничиваться более поздними датами, чем заданная (например, 1 января 1975 года). В этом случае достаточно подходящей функцией хеширования была бы функция, выполняющая вычитание 1 января 1975 года из значения даты, для которого требуется получить хеш-значение, тем самым определяющая количество дней, истекших с момента начальной даты. Затем следует выполнить деление по модулю на размер хеш-таблицы.

Итак, мы подробно рассмотрели общие функции хеширования и выяснили, что иногда они будут генерировать одинаковые хеш-значения для различных ключей.

Но предположим, что у нас имеется известный список 100 строковых ключей. Существует ли какая-либо функция хеширования, которая будет генерировать уникальное хеш-значение для каждого из этих известных ключей, чтобы можно было разработать хеш-функцию, содержащую ровно 100 элементов? Функции хеширования такого типа называют совершенными. Безусловно, теоретически это возможно. Существует очень много таких функций (по существу, это равнозначно определению перестановок исходных ключей). Но как найти одну из таких функций? К сожалению, ответ на данный вопрос выходит за рамки этой книги. Даже Кнут (Knuth) [13] обходит эту тему. На практике совершенные функции хеширования представляют лишь теоретический интерес. Как только возникает потребность в другом ключе, совершенная функция хеширования разрушается и нам приходится разрабатывать следующую. Значительно удобнее считать, что никаких совершенных функций хеширования не существует, и иметь дело с неизбежными конфликтами, которые будут периодически возникать.