散列表（三）- 为什么散列表和链表经常会一起使用？

前言

散列表虽然支持高效的数据插入、删除和查找操作，但是其中的数据都是通过散列函数打乱之后无规律的。也就是说，它无法按照某种顺序快速地遍历。如果想有序遍历散列表中的数据，那就需要将数据拷贝到数组中，然后排序再遍历。

散列表是动态的数据结构，不停地进行数据的插入、删除，当我们想按顺序遍历散列表时，都需要先排序，这样效率会很低。为了解决这个问题，就将散列表和链表（或者跳表）结合在一起使用。

常见的使用场景：

• LRU 缓存淘汰算法可以用链表和散列表实现；
• Redis 有序集合用到了跳表和散列表；
• Java 的 LinkedHashMap 也用到了散列表和链表。

1. LRU 缓存淘汰算法

实际上，一个缓存（cache）系统主要包含下面这几个操作：

• 往缓存中添加一个数据；
• 从缓存中删除一个数据；
• 在缓存中查找一个数据。

上面三个操作都涉及查找操作，如果单纯地用链表，查找的时间复杂度是 O(n)。如果用散列表和链表，时间复杂度变为 O(1)。

使用双向链表存储数据，链表中的每个结点除了存储数据（data）、前驱指针（prev）、后继指针（next）之外，还新增了一个特殊的字段 hnext。

prev|data|next|hnext

每个结点会在两条链中。一个链是双向链表，另一个链是散列表中的拉链。前驱和后继指针是为了将结点串在双向链表中，hnext 指针是为了将结点串在散列表的拉链中。

整个过程涉及的查找操作都可以通过散列表来完成。其他的操作，比如删除头结点、链表尾部插入数据等，都可以在 O(1) 的时间复杂度内完成。所以，这三个操作的时间复杂度都是 O(1)。

2. Redis 有序集合

实际上，在有序集合中，每个成员对象有两个重要的属性，key（键值）和score（分值）。不仅会通过 score 来查找数据，还会通过 key 来查找数据。

如果细化一下 Redis 有序集合的操作，那就是下面这样：

• 添加一个成员对象；
• 按照键值来删除一个成员对象；
• 按照键值来查找一个成员对象；
• 按照分值区间查找数据，比如查找积分在 [100, 356] 之间的成员对象；
• 按照分值从小到大排序成员变量；

如果仅仅按照分值将成员对象组织成跳表的结构，那么按照键值来删除、查询成员对象就会很慢。这时可以再按照键值构建一个散列表，按照 key 来删除、查找一个成员对象的时间复杂度就变成了 O(1)。

3. Java LinkedHashMap

LinkedHashMap 是通过双向链表和散列表这两种数据结构组合实现的。LinkedHashMap 中的“Linked”实际上是指的是双向链表，并非指用链表法解决散列冲突。

按照访问时间排序的 LinkedHashMap 本身就是一个支持 LRU 缓存淘汰策略的缓存系统。实际上，它们两个的实现原理也是一模一样。

思考

今天讲的几个散列表和链表结合使用的例子里，用的都是双向链表。如果把双向链表改成单链表，还能否正常工作呢？为什么呢？
其实，依然能够工作。但是，插入和删除的时候，需要查找前驱指针，时间复杂度 O(n)。

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