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Python底层技术揭秘：如何实现哈希表

2023-11-08 11:11

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Python底层技术揭秘：如何实现哈希表

哈希表是在计算机领域中十分常见且重要的数据结构，它可以高效地存储和查找大量的键值对。在Python中，我们可以使用字典来使用哈希表，但是很少有人深入了解它的实现细节。本文将揭秘Python中哈希表的底层实现技术，并给出具体的代码示例。

哈希表的核心思想是将键通过哈希函数映射到一个固定大小的数组中，而不是简单地按顺序存储。这样可以大大加快查找速度。下面我们将逐步介绍哈希表的实现。

哈希函数
哈希函数是哈希表非常关键的一部分，它将键映射到数组中的索引位置。一个好的哈希函数应该能够将键均匀地映射到数组中的不同位置，以减少冲突的概率。在Python中，我们可以使用hash()函数来生成哈希值，但是由于其生成的值过长，因此我们一般需要对其进行取模运算，使其适应数组的大小。

下面是一个简单的哈希函数的示例：

def hash_func(key, size):
    return hash(key) % size

哈希表的实现
在Python中，哈希表是通过字典（dict）对象来实现的。字典对象内部使用了一个哈希表来存储键值对。一个最简单的哈希表可以使用数组和链表来实现。

首先我们定义一个哈希表对象，其中包含一个数组和一个链表：

class HashTable:
    def __init__(self, size):
        self.size = size
        self.table = [[] for _ in range(size)]

然后我们定义插入和查找的方法：

    def insert(self, key, value):
        index = hash_func(key, self.size)
        for item in self.table[index]:
            if item[0] == key:
                item[1] = value
                return
        self.table[index].append([key, value])

    def get(self, key):
        index = hash_func(key, self.size)
        for item in self.table[index]:
            if item[0] == key:
                return item[1]
        raise KeyError(key)

在插入时，我们首先通过哈希函数获取到键的索引，然后在该索引位置的链表中查找键是否已经存在。如果存在，则更新值；否则，在链表的末尾插入新的键值对。

在查找时，我们也是通过哈希函数获取到键的索引，然后在该索引位置的链表中进行线性查找。如果找到了对应的键值对，则返回值；否则，抛出KeyError异常。

使用哈希表
现在我们可以使用自己实现的哈希表了。下面是一个简单的示例：

hash_table = HashTable(10)
hash_table.insert("name", "Tom")
hash_table.insert("age", 20)
hash_table.insert("gender", "male")

print(hash_table.get("name"))  # 输出：Tom
print(hash_table.get("age"))  # 输出：20
print(hash_table.get("gender"))  # 输出：male