해쉬 테이블(Hash Table)

해쉬 테이블(Hash Table)

2023. 1. 21. 15:48ㆍDataStructure/HashTable

1. 해쉬 테이블

키(Key)에 데이터(Value)를 매핑할 수 있는 데이터 구조
해쉬 함수를 통해, 배열에 키에 대한 데이터를 저장할 수 있는 주소(인덱스 번호)를 계산
Key를 통해 바로 데이터가 저장되어 있는 주소를 알 수 있으므로, 저장 밑 탐색 속도가 획기적으로 빨라짐
미리 해쉬 함수가 생성할 수 있는 주소(인덱스 번호)에 대한 공간을 배열로 할당한 후, 키에 따른 데이터 저장 및 탐색 지웑

2. 알아둘 용어

해쉬 함수(Hash Function) : 임의의 데이터를 고정된 길이의 값으로 리턴해주는 함수
- 해쉬(Hash), 해쉬 값(Hash Value), 또는 해쉬 주소(Hash Address) : 해싱 함수를 통해 리턴된 고정된 길이의 값
해쉬 테이블(Hash Table) : 키 값의 연산에 의해 직접 접근이 가능한 데이터 구조
- 슬론(Slot) : 해쉬 테이블에서 한개의 저장할 수 있는 공간

3. 간단한 해쉬 예

3-1. hash table 클래스 만들기

public class MyHash{
		public Slot[] hashTable;
		
		public MyHash(Integer size) {
			this.hashTable = new Slot[size];
		}
		
		public class Slot{
			String value;
			Slot(String value) {
				this.value = value;
			}
		}
		
		
	}

3-2. 초간단 해쉬 함수를 만들어봅니다.

Key가 문자열일 때, 문자열의 앞 글자를 숫자로 변환해서, Division 기법을 사용하여, Key에 대한 주소(인덱스 번호) 계산
- Division 기법 : 가장 간단한 해쉬 함수 중 하나로, 나누기를 통해 나머지 값을 사용하는 기법

public int hashFunc(String key) {
			return (int)(key.charAt(0)) % this.hashTable.length;
		}

3-3. 해쉬 테이블 클래스에 데이터 저장 메서드 추가

참고 : 객체 배열

객체 배열 선언시, 각 배열의 아이템은 각 객체를 참조할 수 있는 주소를 다음을 수 있는 공간만 할당
- 각 아이템 생성시, 별도로 각 객체를 생성해줘야 함
- 즉, 객체 배열 선언시, 각 생성할 객체를 가리킬 주소만 저장할 공간을 배열로 만드는 것임.

public boolean saveData(String key, String value) {
			Integer address = this.hashFunc(key);
			if(this.hashTable[address] != null) {
				this.hashTable[address].value = value;
			}else {
				this.hashTable[address] = new Slot(value);
			}
			return true;
		}
		
public String getData (String key) {
    Integer address = this.hashFunc(key);
    if(this.hashTable[address] != null) {
        return this.hashTable[address].value;
    }else {
        return null;
    }
}

4. 자료 구조 해쉬 테이블의 장단점과 주요 용도

장점
- 데이터 저장/ 읽기 속도가 빠르다 (검색 속도가 빠르다)
- 해쉬는 키에 대한 데이터가 있는지(중복) 확인이 쉬움
단점
- 일반적으로 저장공간이 좀 더 많이 필요하다
- 여러 키에 해당하는 주소가 동일할 경우 충돌을 해결하기 위한 별도 자료구조가 필요함
주요 용도
- 검색이 많이 필요한 경우
- 저장, 삭제, 읽기가 빈번한 경우
- 캐쉬 구현시 (중복 확인이 쉽기 때문)

5. 충돌(Collision) 해결 알고리즘 (좋은 해쉬 함수 사용하기)

해쉬 테이블이 가장 큰 문제는 충돌(Collision)의 경우입니다. 이 문제를 충돌 또는 해쉬 충돌(Hash Collision)이라고 부릅니다.

5-1. Chaining 기법

개발 해슁 또는 Open Hashing 기법 중 하나 : 해쉬 테이블 저장공간 외의 공간을 활용하는 기법
충돌이 일어나면, 링크드 리스트라는 자료구조를 사용해서, 링크드 리스트로 데이터를 추가로 뒤에 연결시켜서 저장하는 기법

public class Slot{
			String key;
			String value;
			Slot next;
			Slot(String key, String value) {
				this.key = key;
				this.value = value;
				this.next = next;
			}
		}
        
public int hashFunc(String key) {
    return (int)(key.charAt(0)) % this.hashTable.length;
}

public boolean saveData(String key, String value) {
    Integer address = this.hashFunc(key);
    if(this.hashTable[address] != null) {
        Slot findSlot = this.hashTable[address];
        Slot prevSlot = this.hashTable[address];
        while(findSlot != null) {
            if(findSlot.key == key) {
                findSlot.value = value;
                return true;
            }else {
                prevSlot = findSlot;
                findSlot = findSlot.next;
            }
        }
        prevSlot.next = new Slot(key, value);
    }else {
        this.hashTable[address] = new Slot(key, value);
    }
    return true;
}

public String getData(String key) {
    Integer address = this.hashFunc(key);
    if(this.hashTable[address] != null) {
        Slot findSlot = this.hashTable[address];
        while(findSlot != null) {
            if(findSlot.key == key) {
                return findSlot.value;
            }else {
                findSlot = findSlot.next;
            }
        }
        return null;
    }else {
        return null;
    }
}

5-2. Linear Probing 기법

폐쇄 해슁 또는 Close Hashing 기법 중 하나 : 해쉬 테이블 저장공간 안에서 충돌 문제를 해결하는 기법
충돌이 일어나면, 해당 hash address의 다음 address부터 맨 처음 나오는 빈공간에 저장하는 기법
- 저장공간 활용도를 높이기 위한 기법

public static class MyHashProbing{
		public Slot[] hashTable;
		
		public MyHashProbing(Integer size) {
			this.hashTable = new Slot[size];
		}
		
		public class Slot{
			String key;
			String value;
			Slot(String key, String value) {
				this.key = key;
				this.value = value;
			}
		}
		
		public int hashFunc(String key) {
			return (int)(key.charAt(0)) % this.hashTable.length;
		}
		
		public boolean saveData(String key, String value) {
			Integer address = this.hashFunc(key);
			if(this.hashTable[address] != null) {
				if(this.hashTable[address].key == key) {
					this.hashTable[address].value = value;
				}else {
					Integer currAddress = address + 1;
					while(this.hashTable[currAddress] != null) {
						if(this.hashTable[currAddress].key == key) {
							this.hashTable[currAddress].value = value;
							return true;
						}else {
							currAddress++;
							if(currAddress >= this.hashTable.length) {
								return false;
							}
						}
					}
					this.hashTable[currAddress] = new Slot(key, value);
					return true;
				}
			}else {
				this.hashTable[address] = new Slot(key, value);
			}
			return true;
		}
		
		public String getData(String key) {
			Integer address = this.hashFunc(key);
			if(this.hashTable[address] != null) {
				if(this.hashTable[address].key == key) {
					return this.hashTable[address].value;
				}else {
					Integer currAddress = address + 1;
					while(this.hashTable[currAddress] != null) {
						if(this.hashTable[currAddress].key == key) {
							return this.hashTable[currAddress].value;
						}else {
							currAddress++;
							if(currAddress >= this.hashTable.length) {
								return null;
							}
						}
					}
					return null; 
				}
			}else {
				return null;
			}
		}
		
		
	}

5-3. 빈번한 충돌을 개선하는 기법

해쉬 테이블 저장공간을 확대 및 해쉬 함수 재정의

String name = "DaveLee";
int key = 0;
for(int i = 0; i < name.length(); i++) {
	key += name.charAt(i);
}

(int)(key) % 200;

6. 시간 복잡도

일반적인 경우(Collision이 없는 경우)는 O(1)
최악의 경우(Collision이 모두 발생하는 경우)는 O(n)
Linear Probing, Chaining 기법 둘 다 동일
- 해쉬 테이블의 경우는 일반적인 경우를 기대하고 작성함

검색에서 해쉬 테이블의 사용 예

배열에 데이터를 저장하고, 검샐할 때 O(n)
이상적인 해쉬 테이블 케이스에서 데이터를 검색할 때 O(1)

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