Implementação de Tabela Hash em Python Abordada de Forma Descomplicada

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Implementação de Tabela Hash em Python

As tabelas hash são uma estrutura de dados clássica que tem sido fundamental para a programação desde sua invenção há mais de meio século. Elas ajudam a resolver problemas do mundo real, como indexação de tabelas de banco de dados, cache de valores computados e implementação de conjuntos. As tabelas hash também são muito usadas em entrevistas de emprego e o Python utiliza amplamente tabelas hash para tornar as buscas de nomes quase instantâneas.

Embora o Python já possua sua própria implementação de tabela hash chamada dict, entender como as tabelas hash funcionam nos bastidores pode ser útil. Em algumas avaliações de programação, você pode ser desafiado a construir uma tabela hash do zero. Este tutorial irá guiá-lo passo a passo na implementação de uma tabela hash a partir do zero, como se não houvesse nenhuma implementação em Python. No caminho, você enfrentará alguns desafios que introduzirão conceitos importantes e darão uma ideia de por que as tabelas hash são tão rápidas.

Além disso, você terá um curso prático sobre desenvolvimento orientado a testes (TDD) e praticará ativamente enquanto constrói a sua tabela hash passo a passo. Você não precisa ter experiência prévia com TDD, mas também não ficará entediado se já tiver.

Neste tutorial, você aprenderá:

• Como uma tabela hash difere de um dicionário
• Como implementar uma tabela hash do zero em Python
• Como lidar com colisões de hash e outros desafios
• Quais são as propriedades desejáveis de uma função de hash
• Como funciona o hash() do Python nos bastidores

É útil se você já estiver familiarizado com dicionários em Python e tiver conhecimento básico de programação orientada a objetos.

Conhecendo a Estrutura de Dados Tabela Hash

Tabela Hash vs Dicionário

A tabela hash é semelhante a um dicionário em Python, mas existem algumas diferenças importantes. Enquanto um dicionário pode conter qualquer tipo de chave e valor, uma tabela hash geralmente é usada apenas para armazenar valores associados a chaves de pesquisa exclusivas. Uma tabela hash é um arranjo de elementos chamados “buckets”, onde cada chave é mapeada para um bucket usando uma função de hash. Essa função transforma a chave em um número inteiro, que é usado como índice para acessar o bucket correspondente na tabela hash.

Tabela Hash: Um Arranjo Com uma Função de Hash

Uma tabela hash consiste em um arranjo de buckets, onde cada bucket pode conter zero ou mais elementos. Para armazenar um par chave-valor na tabela hash, a chave é mapeada para um número inteiro usando uma função de hash. Esse número inteiro é usado como índice para acessar o bucket correspondente na tabela hash. Se houver colisão, ou seja, se duas chaves forem mapeadas para o mesmo índice, é necessário um mecanismo de resolução de colisões para lidar com esse problema.

Entendendo a Função de Hash

Examinando o hash() Incorporado no Python

Neste tópico, você examinará a função de hash incorporada no Python, chamada hash(). Essa função recebe um objeto como argumento e retorna um número inteiro que representa o valor de hash do objeto. O número retornado é calculado usando uma fórmula interna que depende do tipo de objeto.

Aprofundando-se no hash() do Python

O hash() do Python é um método especial que usa a implementação do objeto para calcular seu valor de hash. Embora a função hash() seja geralmente confiável e útil, alguns objetos podem ter um valor de hash alterado durante a execução do programa. Isso ocorre porque o valor de hash de um objeto é baseado em seu estado interno, e esse estado pode ser alterado.

Identificando as Propriedades da Função de Hash

Uma boa função de hash deve ter algumas propriedades importantes. Por exemplo, duas chaves diferentes devem ser muito improváveis de ter o mesmo valor de hash. Além disso, a função de hash deve ser rápida de calcular e produzir valores de hash distribuídos uniformemente.

Comparando a Identidade de Objeto com Seu Hash

Neste tópico, você aprenderá como comparar a identidade de um objeto com seu valor de hash. A identidade de um objeto é única para cada objeto específico, enquanto o valor de hash pode se repetir para várias instâncias de objetos diferentes.

Criando Sua Própria Função de Hash

Neste tópico, você aprenderá a criar a sua própria função de hash em Python. Você usará a função hash() incorporada no Python como uma base para sua implementação personalizada. Sua nova função de hash deve retornar um número inteiro que represente o valor de hash do objeto, assim como a função hash() padrão.

Construindo um Protótipo de Tabela Hash em Python com TDD

Fazendo um Curso Rápido sobre Desenvolvimento Orientado a Testes

Antes de começar a construir a tabela hash, é importante entender o conceito de desenvolvimento orientado a testes (TDD). O TDD é uma abordagem de desenvolvimento de software que envolve escrever testes automatizados antes de escrever o código de produção.

Definindo uma Classe HashTable Personalizada

Você começará a construir sua tabela hash implementando uma classe personalizada chamada HashTable. Essa classe será responsável por armazenar os pares chave-valor em uma estrutura interna e fornecer métodos para manipulá-los.

Inserindo um Par Chave-Valor

O próximo passo é implementar o método insert() da classe HashTable, que permite inserir um par chave-valor na tabela hash. Esse método deve usar a função de hash para encontrar o bucket correspondente e adicionar o par chave-valor a esse bucket.

Encontrando um Valor pela Chave

Uma das principais funcionalidades de uma tabela hash é poder encontrar um valor correspondente a uma determinada chave. No método find() da classe HashTable, você irá implementar essa funcionalidade. O método receberá uma chave como argumento e retornará o valor correspondente se a chave for encontrada na tabela.

Deletando um Par Chave-Valor

Além de inserir e encontrar pares chave-valor, é importante poder remover um par da tabela hash quando necessário. No método delete() da classe HashTable, você implementará essa funcionalidade. O método receberá uma chave como argumento e removerá o par chave-valor correspondente da tabela, se a chave existir.

Atualizando o Valor de um Par Existente

Em alguns casos, você pode querer atualizar o valor de uma chave existente na tabela hash. Para isso, você implementará o método update() da classe HashTable. Esse método irá receber uma chave e um novo valor como argumentos e atualizará o valor correspondente à chave, se a chave existir na tabela.

Obtendo os Pares Chave-Valor

Para visualizar todos os pares chave-valor contidos na tabela hash, você implementará o método get_items() da classe HashTable. Esse método retornará uma lista contendo todos os pares chave-valor da tabela.

Usando Cópia Defensiva

Por padrão, as referências a objetos em Python são apenas cópias de ponteiros para o objeto original. Portanto, se você manipular um objeto retornado pela tabela hash, a tabela também será alterada. Para evitar isso, você implementará um mecanismo de cópia defensiva na classe HashTable.

Obtendo as Chaves e Valores

Além de obter todos os pares chave-valor, pode ser útil obter apenas as chaves ou apenas os valores da tabela hash. Para isso, você implementará os métodos get_keys() e get_values() na classe HashTable.

Relatando o Tamanho da Tabela Hash

Uma funcionalidade importante de qualquer estrutura de dados é poder saber quantos elementos ela contém. Para isso, você implementará o método get_length() da classe HashTable, que retornará o número de pares chave-valor na tabela hash.

Tornando a Tabela Hash Iterável

Tornar a tabela hash iterável significa poder iterar por todos os pares chave-valor contidos nela usando um loop for. Para isso, você implementará o método __iter__() e a classe auxiliar HashTableIterator na classe HashTable.

Representando a Tabela Hash em Texto

Para exibir a tabela hash de forma legível, você implementará o método __repr__() na classe HashTable. Esse método retornará uma representação em string da tabela hash contendo todos os pares chave-valor.

Testando a Igualdade de Tabelas Hash

As tabelas hash podem ser comparadas entre si quanto à igualdade. Para que a comparação funcione corretamente, você precisará implementar o método __eq__() na classe HashTable.

Resolvendo Colisões de Código de Hash

Encontrando Chaves em Colisão por Linear Probing

Em uma tabela hash, é possível ocorrer colisões de código de hash quando duas chaves diferentes são mapeadas para o mesmo índice. Nesses casos, é necessário um mecanismo de resolução de colisões. Uma das técnicas mais populares para resolver colisões é conhecida como Linear Probing. Nesse método, quando ocorre uma colisão, você tenta encontrar o próximo bucket vazio no arranjo para armazenar a chave em conflito.

Usando Linear Probing na Classe HashTable

Agora que você entende como o Linear Probing funciona, é hora de implementá-lo na classe HashTable. Você precisará modificar os métodos existentes para lidar com as colisões e garantir que as chaves em colisão sejam tratadas corretamente.

Permitindo o Redimensionamento Automático da Tabela Hash

À medida que você insere mais pares chave-valor na tabela hash, pode chegar o momento em que o tamanho da tabela não é suficiente para acomodar todos os elementos sem colisões. Nesse caso, é necessário aumentar o tamanho da tabela automaticamente. Você implementará esse mecanismo de redimensionamento automático na classe HashTable.

Calculando o Fator de Carga

O fator de carga de uma tabela hash é a proporção entre o número de elementos na tabela e o tamanho da tabela. Um fator de carga alto indica que a tabela está ficando cheia e pode precisar ser redimensionada. Você implementará o cálculo do fator de carga na classe HashTable para monitorar o desempenho da tabela.

Isolando as Chaves em Colisão com Chaining Separado

Outra técnica popular para resolver colisões é conhecida como Chaining Separado. Nesse método, em vez de inserir a chave em conflito no próximo bucket vazio, você cria uma lista encadeada dentro do bucket para armazenar todas as chaves em conflito. Cada chave é adicionada à lista encadeada, em vez de substituir a chave existente. Você implementará o Chaining Separado na classe HashTable para lidar com as colisões.

Mantendo a Ordem de Inserção em uma Tabela Hash

Por padrão, os elementos de uma tabela hash não são armazenados na ordem em que foram inseridos. No entanto, em algumas situações, é importante manter a ordem de inserção dos elementos. Para isso, você implementará uma funcionalidade na classe HashTable que retém a ordem de inserção dos pares chave-valor.

Usando Chaves Hasháveis

Uma tabela hash requer que suas chaves sejam hasháveis, o que significa que elas devem ser capazes de gerar um valor de hash único e imutável. Nem todos os tipos de dados em Python são automaticamente hasháveis. Você aprenderá a diferença entre hashabilidade e imutabilidade e verá como garantir que as chaves sejam hasháveis na classe HashTable.

Diferença entre Hashabilidade e Imutabilidade

Os objetos hasháveis em Python devem ser tanto imutáveis quanto hashables. Isso ocorre porque um objeto hashável precisa ter um valor de hash que não mude ao longo do tempo. Nos bastidores, Python usa o valor de hash para determinar a localização de um objeto em uma tabela hash. Se o valor de hash de um objeto mudar, ele não poderá mais ser encontrado na tabela hash.

O Contrato Hash-Equal

Quando uma classe define um método __eq__() para comparar a igualdade de seus objetos, ela também deve definir um método __hash__() para gerar o valor de hash correspondente. Existe um contrato importante entre esses dois métodos chamado contrato hash-equal. O contrato estabelece que, para dois objetos que são considerados iguais (retornam True quando comparados com o operador ==), seus valores de hash devem ser iguais também.

Conclusão

As tabelas hash são uma estrutura de dados poderosa e amplamente utilizada na programação. Elas permitem o armazenamento eficiente de pares chave-valor e permitem acesso rápido aos valores com base nas chaves. Construir sua própria tabela hash em Python pode ser um desafio divertido e educacional. Ao longo desse tutorial, você aprendeu sobre a implementação de uma tabela hash passo a passo, incluindo o uso de TDD, resolução de colisões e retenção da ordem de inserção.

Esperamos que este tutorial tenha fornecido uma compreensão sólida de como as tabelas hash funcionam e como implementá-las em Python. Agora você está pronto para aproveitar ao máximo essa estrutura de dados poderosa em seus próprios projetos!