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Go语言map的多键索引——多个数值条件可以同时查询

在大多数的编程语言中,映射容器的键必须以单一值存在。这种映射方法经常被用在诸如信息检索上,如根据通讯簿的名字进行检索。但随着查询条件越来越复杂,检索也会变得越发困难。下面例子中涉及通讯簿的结构,结构如下:
// 人员档案
type Profile struct {
    Name    string   // 名字
    Age     int      // 年龄
    Married bool     // 已婚
}
并且准备好了一堆原始数据,需要算法实现构建索引和查询的过程,代码如下:
func main() {

    list := []*Profile{
        {Name: "张三", Age: 30, Married: true},
        {Name: "李四", Age: 21},
        {Name: "王麻子", Age: 21},
    }

    buildIndex(list)

    queryData("张三", 30)
}
需要用算法实现 buildIndex() 构建索引函数及 queryData() 查询数据函数,查询到结果后将数据打印出来。

下面,分别基于传统的基于哈希值的多键索引和利用 map 特性的多键索引进行查询。

基于哈希值的多键索引及查询

传统的数据索引过程是将输入的数据做特征值。这种特征值有几种常见做法:
数据都基于特征值构建好索引后,就可以进行查询。查询时,重复这个过程,将查询条件转为特征值,使用特征值进行查询得到结果。

基于哈希的传统多键索引和查询的完整代码位于./src/chapter12/classic/classic.go,下面是对各个部分的分析。
本套教程所有源码下载地址:https://pan.baidu.com/s/1ORFVTOLEYYqDhRzeq0zIiQ    提取密码:hfyf

1) 字符串转哈希值

本例中,查询键(classicQueryKey)的特征值需要将查询键中每一个字段转换为整型,字符串也需要转换为整型值,这里使用一种简单算法将字符串转换为需要的哈希值,代码如下:
func simpleHash(str string) (ret int) {

    // 遍历字符串中的每一个ASCII字符
    for i := 0; i < len(str); i++ {
        // 取出字符
        c := str[i]

        // 将字符的ASCII码相加
        ret += int(c)
    }

    return
}
代码说明如下:
哈希算法有很多,这里只是选用一种大家便于理解的算法。哈希算法的选用的标准是尽量减少重复键的发生,俗称“哈希冲撞”,即同样两个字符串的哈希值重复率降到最低。

2) 查询键

有了哈希算法函数后,将哈希函数用在查询键结构中。查询键结构如下:
// 查询键
type classicQueryKey struct {
    Name string  // 要查询的名字
    Age  int     // 要查询的年龄
}

// 计算查询键的哈希值
func (c *classicQueryKey) hash() int {
    // 将名字的Hash和年龄哈希合并
    return simpleHash(c.Name) + c.Age*1000000
}
代码说明如下:
哈希值构建过程如下图所示

3) 构建索引

本例需要快速查询,因此需要提前对已有的数据构建索引。前面已经准备好了数据查询键,使用查询键获得哈希即可对数据进行快速索引,参考下面的代码:
// 创建哈希值到数据的索引关系
var mapper = make(map[int][]*Profile)

// 构建数据索引
func buildIndex(list []*Profile) {

    // 遍历所有的数据
    for _, profile := range list {

        // 构建数据的查询索引
        key := classicQueryKey{profile.Name, profile.Age}

        // 计算数据的哈希值, 取出已经存在的记录
        existValue := mapper[key.hash()]

        // 将当前数据添加到已经存在的记录切片中
        existValue = append(existValue, profile)

        // 将切片重新设置到映射中
        mapper[key.hash()] = existValue
    }
}
代码说明如下:
具体哈希结构如下图所示。

图:哈希结构

这种多键的算法就是哈希算法。map 的多个元素对应哈希的“桶”。哈希函数的选择决定桶的映射好坏,如果哈希冲撞很厉害,那么就需要将发生冲撞的相同哈希值的元素使用切片保存起来。

4) 查询逻辑

从已经构建好索引的数据中查询需要的数据流程如下:
  1. 给定查询条件(名字、年龄)。
  2. 根据查询条件构建查询键。
  3. 查询键生成哈希值。
  4. 根据哈希值在索引中查找数据集合。
  5. 遍历数据集合逐个与条件比对。
  6. 获得结果。
func queryData(name string, age int) {

    // 根据给定查询条件构建查询键
    keyToQuery := classicQueryKey{name, age}

    // 计算查询键的哈希值并查询, 获得相同哈希值的所有结果集合
    resultList := mapper[keyToQuery.hash()]

    // 遍历结果集合
    for _, result := range resultList {

        // 与查询结果比对, 确认找到打印结果
        if result.Name == name && result.Age == age {
            fmt.Println(result)
            return
        }
    }

    // 没有查询到时, 打印结果
    fmt.Println("no found")

}
代码说明如下:

利用 map 特性的多键索引及查询

使用结构体进行多键索引和查询比传统的写法更为简单,最主要的区别是无须准备哈希函数及相应的字段无须做哈希合并。看下面的实现流程。

利用map特性的多键索引和查询的代码位于./src/chapter12/multikey/multikey.go,下面是对各个部分的分析。
本套教程所有源码下载地址:https://pan.baidu.com/s/1ORFVTOLEYYqDhRzeq0zIiQ    提取密码:hfyf

1) 构建索引

代码如下:
// 查询键
type queryKey struct {
    Name string
    Age  int
}

// 创建查询键到数据的映射
var mapper = make(map[queryKey]*Profile)

// 构建查询索引
func buildIndex(list []*Profile) {

    // 遍历所有数据
    for _, profile := range list {

        // 构建查询键
        key := queryKey{
            Name: profile.Name,
            Age:  profile.Age,
        }

        // 保存查询键
        mapper[key] = profile
    }
}
代码说明如下:

2) 查询逻辑

// 根据条件查询数据
func queryData(name string, age int) {

    // 根据查询条件构建查询键
    key := queryKey{name, age}

    // 根据键值查询数据
    result, ok := mapper[key]

    // 找到数据打印出来
    if ok {
        fmt.Println(result)
    } else {
        fmt.Println("no found")
    }
}
代码说明如下:

总结

基于哈希值的多键索引查询和利用 map 特性的多键索引查询的代码复杂程度显而易见。聪明的程序员都会利用 Go语言的特性进行快速的多键索引查询。

其实,利用 map 特性的例子中的 map 类型即便修改为下面的格式,也一样可以获得同样的结果:
var mapper = make(map[interface{}]*Profile)
代码量大大减少的关键是:Go语言的底层会为 map 的键自动构建哈希值。能够构建哈希值的类型必须是非动态类型、非指针、函数、闭包。

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