用C语言实现哈希表HashMap

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1. 功能说明
  • 自定义初始容量和负载因子；
  • 当键值对的个数与容量比值超过负载因子时，自动扩容；
  • 借鉴Java8的HashMap部分扩容逻辑，定义了单独的桶结构体用于记录hash值，以及2倍扩容，减少了hash运算和移位的开销。
2. 实现原理

采用动态数组加链表的方式实现（之后撸完红黑树，增加动态数组+链表+红黑树的版本）。

在这里插入图片描述

3. 定义头文件
#ifndef HASH_MAP_H
#define HASH_MAP_H
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>
#include <time.h>
// 默认桶的个数(动态数组默认大小)
#define DEFAULT_CAPACITY 8
// 默认负载因子
#define DEFAULT_LOAD_FACTOR 0.75typedef char* K;    
typedef char* V;    // 定义hashmap的链表结点
typedef struct map_node {K key;  // 键V value;    // 值struct map_node *next; // 下一个结点
} MapNode;// 定义hashmap的桶结点
typedef struct {MapNode *head; // 桶中链表的第一个节点uint32_t hash_code; // 桶中键值对hash值
} Bucket;// 定义hashmap结构体
typedef struct {Bucket **buckets;  // 存键值对的桶（动态的Bucket指针数组）int size;   // map中键值对个数int capacity; // map的容量double load_factor; // map的负载因子uint32_t hash_seed; // hash函数的种子
} HashMap;// 创建HashMap（容量和负载因子填NULL则使用默认值）
HashMap* create_hashmap(const void* capacity_p, const void* load_factor_p);
// 销毁HashMap
void destroy_hashmap(HashMap *map);
// ---------------- 基本操作 ----------------
// 存入键值对
V put(HashMap *map, K key, V val);
// 查询键值对
V get(const HashMap *map, K key);
// 删除键值对
bool map_remove(HashMap *map, K key);
// 键key在表中是否有对应的值
bool contains(const HashMap *map, K key);
// 判断表是否为空
bool is_empty(const HashMap *map);// ---------------- 其他操作 ----------------
// 是否需要扩容
static bool is_need_resize(const HashMap *map);
// 扩容
static void resize(HashMap *map);
// murmur_hash2 哈希函数
static uint32_t hash(const void* key, int len, uint32_t seed);#endif
4. 具体实现

1. 创建HashMap

需要注意buckets是动态数组，需要手动初始化，并且calloc(capacity, sizeof(Bucket*)注意是Bucket* ，写成Bucket也不会报错，但是会造成更耗内存！

// 创建HashMap（容量和负载因子填NULL则使用默认值）
HashMap* create_hashmap(const void* capacity_p, const void* load_factor_p) {// 1. 创建hashmapHashMap *map = calloc (1, sizeof(HashMap));if (map == NULL) {puts("error：create_hashmap()内分配内存失败");return NULL;}//2. 初始化Bucket动态数组int capacity = capacity_p == NULL ? DEFAULT_CAPACITY : *(int*)capacity_p;Bucket **buckets = calloc(capacity, sizeof(Bucket*));if (map == NULL) {puts("error：create_hashmap()内分配内存失败");free(map);return NULL;}map->buckets = buckets;// 3. 初始化hashmap的其他属性map->capacity = capacity;double load_factor = load_factor_p == NULL ? DEFAULT_LOAD_FACTOR : *(double*)load_factor_p;map->load_factor = load_factor;map->hash_seed = time(NULL);return map;
}

2. 销毁HashMap

要注意销毁桶，避免造成内存泄漏！

void destroy_hashmap(HashMap *map) {if (map == NULL) {puts("error：destroy_hashmap()的参数map为NULL");exit(-1);}// 1. 销毁链表结点for (int i = 0; i < map->capacity; i++) {Bucket *cur_bucket = map->buckets[i];if (cur_bucket != NULL) {MapNode *cur = cur_bucket->head;while(cur != NULL) {MapNode *temp = cur->next;free(cur);cur = temp;}// 2. 销毁桶free(cur_bucket);}}// 3. 销毁mapfree(map);
}

3. 存入键值对

在存入时，可以先判断一下key值在桶中是否存在，然后再进行扩容，这样对与重复键值对的存储速度有一定的提升。

V put(HashMap *map, K key, V val) {if (map == NULL) {puts("error：put()的参数map为NULL");exit(-1);}// 1. 计算key的hash值以及桶的位置idxuint32_t hash_code = hash(key, strlen(key), map->hash_seed);int idx = hash_code % map->capacity;// 2. 判断idx位置的桶是否存在if (map->buckets[idx] != NULL) {// 2-1. idx位置的桶已存在，则判断idx桶中是否存在key值MapNode *cur = map->buckets[idx]->head;while (cur != NULL) {if (strcmp(cur->key, key) == 0) {// 2-1-1. 若idx桶中已存在key值则更新value值，并返回旧value值V old_val = cur->value;cur->value = val;return old_val;}cur = cur->next;}}// 3. 判断是否需要扩容if (is_need_resize(map)) {// 3-1. 若需扩容，则扩容，并重新计算key的hash值和桶位置idxresize(map);hash_code = hash(key, strlen(key), map->hash_seed);idx = hash_code % map->capacity;}// 4. 重新判断idx位置的桶是否存在（在‘2.’虽然判断了一次，但有可能新的idx位置桶还未创建过if (map->buckets[idx] == NULL) {// 4-1. idx位置的桶不存在，则在idx位置创建桶，并在桶中存入hash值Bucket *bucket = calloc(1, sizeof(Bucket));if (bucket == NULL) {puts("error：put()内分配内存失败");exit(-1);}bucket->hash_code = hash_code;map->buckets[idx] = bucket;}// 5. 在桶中插入这键值对（用头插 O(1)）MapNode *new_node = calloc(1, sizeof(MapNode));if (new_node == NULL) {puts("error：put()内分配内存失败");exit(-1);}new_node->key = key;new_node->value = val;new_node->next = map->buckets[idx]->head;map->buckets[idx]->head = new_node;// 6. 更新size map->size++;return NULL;
}

4. 查询键值对

注意要对桶进行判空，不能直接map->buckets[idx]->head。

V get(const HashMap *map, K key) {if (map == NULL) {puts("error：get()的参数map为NULL");exit(-1);}// 1. 计算key的hash值应存放的桶的位置idxint idx = hash(key, strlen(key), map->hash_seed) % map->capacity;// 2. 在idx位置的桶中搜索对应key值if (map->buckets[idx] != NULL) { // 先判断桶是否为空MapNode *cur = map->buckets[idx]->head;while(cur != NULL) {if (strcmp(cur->key, key) == 0) {return cur->value;}cur = cur->next;}}return NULL;
}

5. 删除键值对

注意删除的结点是否是第一个节点，要分情况处理。

bool map_remove(HashMap *map, K key) {if (map == NULL) {puts("error：map_remove()的参数map为NULL");exit(-1);}// 1. 计算key的hash值应存放的桶的位置idxint idx = hash(key, strlen(key), map->hash_seed) % map->capacity;// 2. 在idx位置的桶中搜索对应key值if (map->buckets[idx] != NULL) { // 先判断桶是否为空MapNode *pre = NULL;MapNode *cur = map->buckets[idx]->head;while(cur != NULL) {if (strcmp(cur->key, key) == 0) {// 3. 删除结点if (pre == NULL) { // 删除的是第一个结点map->buckets[idx]->head = cur->next;}else {pre->next = cur->next;}// 4. 释放内存free(cur);// 5. 更新size map->size--;return true;}pre = cur;cur = cur->next;}}return false;
}

6. 扩容

注意扩容机制是采用每次库容2倍，这样每次新下标就是old_idx或者为old_idx+(new_cap-old_cap)，不让会出现多个旧桶在新数组里下标冲突被覆盖抹除的问题！！！

static void resize(HashMap *map) {// 1. 创建新的桶数组int old_cap = map->capacity;// 每次扩容2倍，好处是，每次新下标就是old_idx或者为old_idx+(new_cap-old_cap)！！！（详见Java8hashmap扩容）int new_cap = old_cap << 1; Bucket **new_buckets = calloc(new_cap, sizeof(Bucket*));// 2. 挪动旧桶中的数据到新桶中Bucket **old_buckets = map->buckets;for (int idx = 0; idx < old_cap; idx++) {Bucket *cur = old_buckets[idx];if (cur != NULL) { // 只操作非空桶// 2-1. 计算新的位置idxint new_idx = cur->hash_code % new_cap;// 2-2. 挪动桶new_buckets[new_idx] = old_buckets[idx];} }// 3. 将新桶交给hashmapmap->buckets = new_buckets;// 4. 更新hashmap的容量map->capacity = new_cap;// 5. 将就旧桶销毁free(old_buckets);
}

7. 其他函数

剩下的几个函数简单不易出错，此处不再赘述，其中hash函数使用的开源的murmur_hush2详见开头处github代码仓库。

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