Удаление элементов из хеш‑таблицы с линейным зондированием

Прежде чем приступить к рассмотрению конкретного кода, рассмотрим удаление элементов из хеш‑таблицы. Эта задача кажется достаточно простой: необходимо выполнить хеширование ключа элемента, который нужно удалить, найти его (используя необходимое количество зондирований), а затем пометить ячейку как пустую. К сожалению, применение этого упрощенного метода приводит к возникновению ряда проблем.

Предположим, что функция хеширования для ключей Smith, Jones и Brown создает следующие хеш‑значения: 42, 42 и 43. Их добавление в хеш‑таблицу в указанном порядке приводит к возникновению ситуации, показанной ниже:

Элемент 41: <пусто>

Элемент 42: Smith

Элемент 43: Jones

Элемент 44: Brown

Элемент 45: <пусто>

Иначе говоря, элемент Smith вставляется непосредственно в ячейку 42, элемент Jones вступает в конфликт с элементом Smith и попадает в ячейку 43, а элемент Brown вступает в конфликт с элементом Jones и попадает в ячейку 44.

Удалим элемент Jones, используя предложенный алгоритм удаления. В результате возникнет следующая ситуация:

Элемент 41: <пусто>

Элемент 42: Smith

Элемент 43: <пусто>

Элемент 44: Brown

Элемент 45: <пусто>

Теперь возникает проблема: попытайтесь найти элемент Brown. Ему соответствует индекс 43. Однако при просмотре ячейки 43 она оказывается пустой и, в соответствии с применяемым алгоритмом поиска, это означает, что элемент Brown в хеш‑таблице отсутствует. Разумеется, это неверно.

Следовательно, при удалении элемента из хеш‑таблицы, в которой применяется линейное зондирование, ячейку нельзя помечать как пустую: она может быть частью последовательности линейного зондирования. Вместо этого ячейку необходимо пометить как "удаленную" и слегка изменить алгоритм поиска, чтобы поиск продолжался при обнаружении удаленной ячейки.

Необходимо также слегка изменить и алгоритм вставки. В настоящее время, чтобы вставить элемент, мы осуществляем его поиск (т.е. выполняем хеширование ключа элемента и зондируем результирующий индекс и, возможно, последующие ячейки) до тех пор, пока не найдем элемент или не наткнемся на первую пустую ячейку. Обнаружив пустую ячейку, мы вставляем в нее новый элемент. (при обнаружении элемента можно либо сгенерировать сообщение об ошибке, либо просто заменить существующий элемент.)

Теперь же, ради эффективности, необходимо пометить первую удаленную ячейку, встретившуюся в ходе выполнения последовательности зондирования. Наличие пустой ячейки свидетельствует об отсутствии элемента. Однако мы не вставляем элемент в нее. Вместо этого, мы возвращаемся назад и вставляем элемент в первую пропущенную удаленную ячейку.

Возможность удаления элементов имеет одно важное следствие: слишком частое выполнение этой операции приведет к тому, что хеш‑таблица будет заполнена ячейками, которые помечены как удаленные. Это, в свою очередь, увеличит среднее количество зондирований, требуемое для обнаружения попадания или промаха, тем самым снижая эффективность хеш‑таблицы. Если количество удаленных ячеек становится слишком большим, весьма желательно выделить новую хеш‑таблицу и скопировать все элементы в нее.

Итак, если принять, что удаление элементов приведет к снижению эффективности хеш‑таблицы, нельзя ли воспользоваться каким‑то другим алгоритмом? Ответ, как это ни удивительно, положителен. Таким алгоритмом может быть следующий. Удалим элемент в соответствии с упрощенной схемой удаления;

иначе говоря, пометим ячейку как пустую. Как только это выполнено, последующие элементы могут быть недоступны для этой операции, ‑ точнее говоря, не все последующие элементы, а только те, которые находятся в том же кластере, что и только что удаленный элемент. Таким образом, мы всего лишь временно удаляем все элементы кластера, которые располагаются за полностью удаленным элементом, и снова их вставляем. Понятно, что обработка этих элементов выполняется по одному. При создании кода программы, нужно было бы начать с ячейки, расположенной за той, которая только что была помечена как пустая, и выполнять цикл до тех пор, пока не встретится пустая ячейка (обратите внимание, что в данном случае не следует беспокоиться о возникновении бесконечного цикла ‑ известно, что с момента создания хеш‑таблицы в ней появилась, по меньшей мере, одна пустая ячейка). Мы помечаем ячейку каждого элемента как пустую, а затем повторяем его вставку.

В заключение рассмотрим возможность преобразования хеш‑таблицы в динамическую хеш‑таблицу. Эта задача достаточно проста, хотя и трудоемка. Если коэффициент загрузки становится слишком большим, мы выделяем новую хеш‑таблицу, которая больше старой (скажем, в два раза), переносим элементы исходной хеш‑таблицы в новую (обратите внимание, что хеш‑значения изменятся, поскольку новая хеш‑таблица больше) и, наконец, освобождаем старую хеш‑таблицу. Это все. Единственное небольшое "но" заключается в том, что в идеале желательно, чтобы размер новой хеш‑таблицы был простым числом, как и размер исходной таблицы.