散列

散列一般也叫哈希。散列表也叫哈希表。本位将介绍散列表的基本知识、一致性哈希、哈希碰撞攻击及Java里的哈希实现。

介绍

散列表是普通数组概念的推广,在最坏情况下查找一个元素需要O(n),在一些合理假设下,查找一个元素的期望时间为O(1)。

在散列表中,不是直接把关键字用作数组下标,而是根据关键字计算出下标。

散列函数:作用就是根据关键字计算出数组下标。

碰撞(collision):多个关键字映射到同一个数组下标位置。

槽:一般把散列表的数组的一个存储单元(元素)叫做槽。

简单一致性散列:(Simple uniform hashing)假设任何元素散列到m个槽中的每一个的可能性是相同的,且与其他元素已被散列到什么位置上独立无关,这个假设称为简单一致性散列。

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非递归、固定量额外存储空间 遍历二叉树

非递归、固定量额外存储空间 遍历二叉树

写出一个O(n)时间的非递归过程,输出给定的含n个节点的二叉树中每个结点的关键字,要求只能使用除树本身以外固定量的额外存储空间,而且在过程中不能修改该树,哪怕只是暂时的。

树的遍历方式分类

从树的深度分类

树的遍历可以分为广度优先和深度优先两种形式。

  • 广度优先,就是先输出父结点,再输出子结点。一般借助于(FIFO)队列。
  • 深度优先,就是先输出子结点,再输出父结点。一般需要借助(LIFO)栈结构,如果不使用栈数据结构,一般就需要借用运行时的方法调用栈。

从树的节点的先后顺序分类

树的遍历可以分为先根遍历、中序遍历、后序遍历。前中后是以父节点在遍历中的顺序为根据的。

  • 先根遍历:先遍历根,再遍历左子树,最后遍历右子树。
  • 中序遍历:先遍历左子树,再遍历根,最后遍历右子树。
  • 后序遍历:先遍历左子树,再遍历右子树,最后遍历根。

分析

由于只能使用固定量的额外存储空间,所以,没法构建队列或栈来进行遍历 或 用变量标记哪些结点是已输出的。由于不能修改树,也没法在树上做标记。所以,结点是否已输出只能在遍历过程中判断,也就需要遍历的算法能够区分出已输出和未输出的。

如果采用广度优先的方式,先输出父结点后,由于没有足够的空间来存储对子树的引用,树可以说是变为两棵独立的树,这个方式应该是不可行的。

如果采用深度优先的方式,以中序遍历为例,总是按左子树、父结点、右子树的顺序遍历,那么当右子树遍历完后,说明父结点及其所有子树都遍历完成了,可以这样往上处理父结点的父结点。而判断右子树是否遍历完成可以通过:当前遍历完成的结点是否是父结点的右结点来完成。这种方法是可行的。

当结点p及其子树都遍历完成后,需要向上查找第一个未遍历的右子树(parent = p.parent):

  • p == parent.rChild,当前遍历是子树是右子树,需要继续往上查找;
  • 否则,p是parent的左孩子,先输出parent;如果parent有右孩子,需要进行遍历;如果parent没有右孩子,需要继续往上查找。

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堆排序

堆排序

这里的堆不是编程语言里的堆,是一种数据结构。

堆像一棵倒立的满二叉树,每个节点最多有两个直接子节点。最上面的节点称为根节点,没有子节点的节点称为叶子节点,有子节点的节点称为分支节点。

堆有大顶堆和小顶堆之分。大顶堆是指分支节点大于它的所有子节点,堆里最大元素是根节点;小顶堆是指分支节点小于它的所有子节点,堆里最小元素是根节点。

堆排序是借助堆数据结构进行排序的一种高效算法,它的平均时间复杂度是O(n*lg(n))。

实现

堆排序的核心是构建和维持堆。

实现时要注意的是:

  • 以数组第一个节点(序号为0)为根,方便计算叶子节点。

  • 大多数算法介绍都是以1为数组的起始下标的,左右叶子节点的计算分别为:lchild=2*parent; rchild =2*parent+1;而实际编程语言大多数都是以0为起始下标的,所以子节点计算需要调整为:lchild=2*parent+1; rchild=2*parent+2;因为根节点是0,导致根节点的左子树与根节点相同而出错。

  • 构建是从底向上逐层构建堆,从最后一层的分支节点( len(arr)/2 )开始构建堆。

  • 从堆顶取出最大元素与最后一个堆元素交互后,堆的大小减1。所以堆在排序过程中是逐渐缩小的,但根总是第一个元素,所以可以利用之前也构建好的堆,只需要调整一棵子树。
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快速排序

快速排序也是基于分治模式的,对于规模为n的数组,最坏情况运行时间是O(n^2),平均运行时间是O(lg(n))。

对数组A[p…r]排序的分治过程的三个步骤:

  • 分解:数组A[p…r]被划分成两个(可能空)子数组A[p…q-1]和A[q+1…r],使得A[p…q-1]中的每个元素都小于等于A[q],而且小于等于A[q+1…r]中的元素。下标q也在这个划分过程中计算。
  • 解决:通过递归调用快速排序,对子数组A[p…q-1]和A[q+1…r]排序。
  • 合并:因为两个子数组是就地排序,将他们合并不需要操作:整个数组A[p…r]已经排序。

从上面的步骤可以看到,快速排序的关键在划分子数组,且每次划分都产生一个元素,它所在的位置就是它最终的位置。
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合并排序

合并排序

合并排序是基于分治思想的:
1. 如果数组足够小,直接对数组进行排序。
2. 否则,把数组划分为两个子数组,分别进行合并排序,然后合并两个有序的子数组为有序数组。

进行合并操作的复杂度为O(n),由于每次把数组分为2个子数组,需要进行lg(n)次合并,所以时间复杂度为O(n*lg(n)),。

每次合并都需要与两个子数组长度和 大小的数组,所以空间复杂度为O(n)。

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