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二叉樹和哈希表的優缺點對比與選擇

尋址 rac 二叉樹 得出 數據結構 個數 ron 之前 理論

二叉樹(binary tree)和哈希表(hash table)都是很基本的數據結構,但是我們要怎麽從兩者之間進行選擇呢?他們的不同是什麽?優缺點分別是什麽?

回答這個問題不是一兩句話可以說清楚的,原因是在不同的情況下,選擇的依據肯定也不同。首先來回顧一下這兩個數據結構:

哈希表使用hash function來對輸入的數據分配index到哈希表對應的槽中。假設有一個哈希表的size是100,而我們輸入的數據是從0~99,我們要把輸入數據儲存到哈希表中。理論上來說,該哈希表插入和查找操作的時間復雜度都是O(1)。

二叉樹遵循右子樹大於根節點,左子樹小於根節點的原則進行數據的插入和保存。如果這個樹的平衡

的,那麽,對於每個元素的插入和查找操作的時間復雜度是O(log(n)),n是樹的節點個數,log(n)通常是樹的深度。當然,對於不平衡的情況,那就需要更復雜的數據結構的樹(紅黑樹等)進行處理。

上文似乎得出結論哈希表要好於二叉樹,但是it is not always the case。哈希表有以下幾個突出的缺點:

  1. 當更多的數插入時,哈希表沖突的可能性就更大。對於沖突,哈希表通常有兩種解決方案:第一種是線性探索,相當於在沖突的槽後建立一個單鏈表,這種情況下,插入和查找以及刪除操作消耗的時間會達到O(n),且該哈希表需要更多的空間進行儲存。第二種方法是開放尋址,他不需要更多的空間,但是在最壞的情況下(例如所有輸入數據都被map到了一個index上)的時間復雜度也會達到O(n)。

  2. 所以,在決定建立哈希表之前,最好可以估計輸入的數據的size。否則,resize哈希表的過程將會是一個非常消耗時間的過程。例如,如果現在你的哈希表的長度是100,但是現在有第101個數要插入。這時,不僅哈希表的長度可能要擴展到150,且擴展之後所有的數都需要重新rehash。

  3. 哈希表中的元素是沒有被排序的。然而,有些情況下,我們希望儲存的數據是有序的。

另一方面,我們討論二叉樹:

  1. 二叉樹不會有沖突(collision),這意味著我們能夠保證二叉樹的插入和查找操作一直都是O(log(n))的時間復雜度。

  2. 二叉樹的空間占用跟輸入的輸入數據一致。所以我們不需要為二叉樹預先分配固定的空間。所以,你也不需要預先知道輸入數據的size。

  3. 所有的元素在樹中是排序好的。

Summary

如果你預先知道輸入數據的大小,而且有足夠的空間儲存哈希表,且不需要對數據進行排序,那麽哈希表總是好的。因為哈希表在插入,查找和刪除操作中只需要常數時間。

另一方面,如果數據是持續的加入,你預先不知道數據的大小,那麽二叉樹是一個折中的選擇。

Reference:
Hash table vs Binary search tree

二叉樹和哈希表的優缺點對比與選擇