Implementação de hashtable em Python: Como usar e corrigir facilmente

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Implementação de Tabela de Hash em Python

Introdução

A tabela de hash é uma estrutura de dados clássica que tem sido fundamental para a programação há mais de meio século. Até hoje, ela ajuda a resolver muitos problemas da vida real, como indexar tabelas de banco de dados, armazenar valores calculados em cache ou implementar conjuntos. Frequentemente, ela é abordada em entrevistas de emprego, e o Python usa tabelas de hash em diversos momentos para tornar as consultas de nomes quase instantâneas.

Embora o Python tenha sua própria tabela de hash chamada dict, pode ser útil entender como as tabelas de hash funcionam por trás dos panos. Uma avaliação de programação pode até mesmo exigir que você construa uma do zero. Este tutorial irá guiá-lo pelos passos para implementar uma tabela de hash do zero, como se não houvesse uma no Python. Ao longo do caminho, você enfrentará alguns desafios que introduzirão conceitos importantes e lhe darão uma ideia de por que as tabelas de hash são tão rápidas.

Além disso, você terá um curso prático intensivo em desenvolvimento orientado a testes (TDD) e o praticará ativamente enquanto constrói sua tabela de hash passo a passo. Não é necessário ter experiência prévia em TDD, mas ao mesmo tempo, você não ficará entediado mesmo se já tiver conhecimento sobre o assunto!

Como uma tabela de hash difere de um dicionário?

No Python, o dicionário (dict) é uma implementação interna da tabela de hash. No entanto, é útil entender as diferenças fundamentais entre uma tabela de hash e um dicionário.

Uma tabela de hash é uma estrutura de dados que armazena pares chave-valor. Ela utiliza uma função hash para mapear chaves para posições de índice em uma estrutura de dados chamada tabela hash. Essa função hash é responsável por distribuir as chaves de forma eficiente e minimizar as colisões de hash.

A grande vantagem das tabelas de hash é que elas podem fornecer acesso rápido a valores usando uma chave. Por exemplo, se você tem uma tabela de hash com bilhões de pares chave-valor, você pode acessar um valor específico em tempo constante, independentemente do tamanho da tabela. Isso ocorre porque a função hash fornece a posição exata em que o valor está armazenado.

Os dicionários em Python funcionam de maneira semelhante às tabelas de hash, mas também possuem recursos adicionais, como iteração ordenada e manipulação de chaves ausentes por meio do método get(). No entanto, a estrutura subjacente é basicamente uma tabela de hash.

Implementando uma tabela de hash em Python

A implementação de uma tabela de hash envolve várias etapas. Neste tutorial, faremos passo a passo a criação de uma tabela de hash em Python com base no TDD (desenvolvimento orientado a testes). Explore cada seção a seguir para aprender sobre diferentes aspectos da implementação de uma tabela de hash.

Passo 1: Conhecendo a estrutura de dados da tabela de hash

Uma tabela de hash é essencialmente uma matriz que armazena pares chave-valor. Essa matriz é chamada de tabela hash e pode ser implementada em Python como uma lista de listas. Cada lista interna armazenará pares chave-valor que colidem nas mesmas posições de hash.

Passo 2: Compreendendo a função hash

Uma função hash é responsável por converter uma chave em um valor inteiro que representa a posição de índice na tabela hash. O Python possui uma função embutida chamada hash() que pode ser usada para gerar hashes de chaves. Nesta seção, exploraremos a função hash() e aprenderemos sobre as propriedades desejadas de uma função hash eficiente.

Passo 3: Implementando uma tabela de hash utilizando TDD

Nesta etapa, vamos utilizar o método de desenvolvimento orientado a testes (TDD) para construir uma tabela de hash. O TDD envolve escrever testes antes mesmo de começar a escrever o código, garantindo que cada funcionalidade seja implementada corretamente.

Aqui estão as etapas envolvidas na construção da tabela de hash usando TDD:

Aprender sobre o desenvolvimento orientado a testes (TDD)
Definir uma classe de tabela de hash personalizada
Inserir um par chave-valor na tabela
Encontrar um valor usando uma chave
Excluir um par chave-valor da tabela
Atualizar o valor de um par existente
Obter todos os pares de chave-valor
Utilizar cópia defensiva para evitar alterações acidentais
Obter as chaves e valores da tabela
Relatar o tamanho da tabela de hash
Tornar a tabela de hash iterável
Representar a tabela de hash em forma de texto
Testar a igualdade de duas tabelas de hash

Passo 4: Lidando com colisões de hash

Uma colisão de hash ocorre quando duas chaves diferentes resultam no mesmo valor hash. Nesta seção, vamos explorar duas estratégias comuns para lidar com colisões: sondagem linear e encadeamento separado.

Usando a sondagem linear, pesquisaremos por posições vazias subsequentes na tabela até encontrar uma posição disponível para inserir o par chave-valor. Já usando o encadeamento separado, cada posição da tabela hash conterá uma lista ligada de pares chave-valor que colidem na mesma posição de hash.

Passo 5: Mantendo a ordem de inserção em uma tabela de hash

Em Python, os dicionários nativos não mantêm a ordem de inserção dos elementos. No entanto, em alguns casos, é desejável manter a ordem dos pares chave-valor em uma tabela de hash. Nesta seção, você aprenderá como implementar uma tabela de hash que preserva a ordem de inserção dos elementos.

Passo 6: Utilizando chaves hasháveis

Em uma tabela de hash, as chaves são usadas para encontrar os valores correspondentes. É importante que as chaves sejam hasháveis para funcionarem corretamente. Nesta seção, exploraremos a diferença entre a hashabilidade e a imutabilidade das chaves e entenderemos o contrato entre hash e igualdade.

Conclusão

Neste tutorial, você aprendeu os conceitos fundamentais das tabelas de hash e como implementá-las do zero em Python. Exploramos a estrutura e a função hash de uma tabela de hash, e passo a passo construímos uma implementação utilizando o TDD. Também discutimos estratégias para lidar com colisões de hash, manter a ordem de inserção e usar chaves hasháveis.

As tabelas de hash são estruturas de dados poderosas e eficientes que podem facilitar muitas tarefas de programação. Com o conhecimento adquirido neste tutorial, você estará preparado para enfrentar desafios que envolvam tabelas de hash e poderá usá-las para resolver problemas complexos com facilidade.

Aproveite o aprendizado e continue explorando as possibilidades que a implementação de tabelas de hash pode oferecer em seus projetos de programação!