جدول التجزئة، المعروف أيضًا باسم خريطة التجزئة، عبارة عن بنية بيانات متطورة تسمح بتخزين البيانات واسترجاعها بسرعة. وهو يحقق ذلك عن طريق ربط المفاتيح بقيم محددة، باستخدام عملية فريدة تعرف باسم "التجزئة".
نشأة جداول التجزئة
نشأت جداول التجزئة من الحاجة إلى طرق أسرع لاسترجاع البيانات في علوم الكمبيوتر. تم وصفها لأول مرة في الأدبيات في عام 1953 في مذكرة كتبها HP Luhn، وهو باحث في شركة IBM. قدم Luhn وظيفة التجزئة وناقش إمكانية تنفيذ جدول التجزئة للوصول السريع إلى البيانات. ومع ذلك، فإن التنفيذ الفعلي لجداول التجزئة بدأ فقط في أواخر الستينيات وأوائل السبعينيات. ومنذ ذلك الحين، أصبحت عناصر أساسية في تطبيقات الكمبيوتر المختلفة نظرًا لتعقيدها الزمني الممتاز في عمليات البحث.
الغوص بشكل أعمق في جداول التجزئة
ينظم جدول التجزئة البيانات للبحث السريع عن القيم، مثل دليل الهاتف حيث يمكن للمرء البحث عن اسم الشخص ("المفتاح") للعثور على رقم هاتفه ("القيمة"). المبدأ الأساسي لجدول التجزئة هو وظيفة خاصة تعرف باسم "وظيفة التجزئة". تأخذ هذه الوظيفة مدخلاً (أو "مفتاحًا") وترجع عددًا صحيحًا، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك كمؤشر لتخزين القيمة المرتبطة.
تهدف وظائف التجزئة إلى توزيع المفاتيح بالتساوي عبر مجموعة محددة من المجموعات أو الفتحات، مما يقلل من فرصة الاصطدامات (حيث يتم ربط مفتاحين مختلفين بنفس الفتحة). ومع ذلك، عند حدوث تصادمات، يمكن التعامل معها بطرق مختلفة، مثل "التسلسل" (حيث يتم تخزين العناصر المتصادمة في قائمة مرتبطة) أو "العنونة المفتوحة" (حيث يتم البحث عن فتحات بديلة).
الهيكل الداخلي لجداول التجزئة وكيفية عملها
تتضمن المكونات الأساسية لجدول التجزئة ما يلي:
-
مفاتيح: هذه هي المعرفات الفريدة المستخدمة لتعيين القيم المرتبطة.
-
دالة تجزئة: هذه هي الوظيفة التي تحسب الفهرس بناءً على المفتاح والحجم الحالي لجدول التجزئة.
-
دلاء أو فتحات: هذه هي المواضع التي يتم فيها تخزين القيم المرتبطة بالمفاتيح.
-
قيم: هذه هي البيانات الفعلية التي يجب تخزينها واسترجاعها.
يتم إدخال المفتاح في دالة التجزئة، والتي تقوم بعد ذلك بإنشاء عدد صحيح. يتم استخدام هذا العدد الصحيح كمؤشر لتخزين القيمة في جدول التجزئة. عندما يلزم استرداد القيمة، تتم تجزئة نفس المفتاح مرة أخرى لإنشاء العدد الصحيح. ثم يتم استخدام هذا العدد الصحيح كفهرس لاسترداد القيمة. سرعة هذه العملية هي سبب كفاءة جداول التجزئة في عمليات البحث عن البيانات.
الميزات الرئيسية لجداول التجزئة
تعتبر جداول التجزئة هياكل بيانات فعالة ومرنة بشكل لا يصدق. فيما يلي بعض ميزاتهم الرئيسية:
-
سرعة: تحتوي جداول التجزئة على متوسط تعقيد زمني يبلغ O(1) لعمليات البحث والإدراج والحذف، مما يجعلها مثالية لاسترجاع البيانات بسرعة.
-
تخزين فعال: تستخدم جداول التجزئة بنية تشبه المصفوفة لتخزين البيانات، وهي فعالة جدًا في استخدام المساحة.
-
مفاتيح مرنة: لا يلزم أن تكون المفاتيح الموجودة في جدول التجزئة أعدادًا صحيحة. يمكن أن تكون أنواع بيانات أخرى مثل السلاسل أو الكائنات.
-
التعامل مع الاصطدامات: تتعامل جداول التجزئة مع التصادمات من خلال عدة طرق مثل التسلسل أو العنونة المفتوحة.
أنواع جداول التجزئة
هناك عدة أنواع من جداول التجزئة، وتتميز في المقام الأول بكيفية تعاملها مع التصادمات:
-
جدول تجزئة تسلسل منفصل: يستخدم هذا قائمة مرتبطة لتخزين المفاتيح التي يتم تجزئةها إلى نفس الفهرس.
-
فتح جدول تجزئة العنونة (الفحص الخطي): في حالة حدوث تصادم، تقوم هذه الطريقة بالعثور على الفتحة التالية المتاحة أو إعادة صياغة الفتحة الحالية.
-
جدول التجزئة المزدوج: نموذج من العنونة المفتوحة يستخدم دالة تجزئة ثانية للعثور على فتحة متاحة في حالة حدوث تصادم.
-
تجزئة الوقواق: يستخدم وظيفتين للتجزئة بدلاً من واحدة. عندما يصطدم مفتاح جديد بمفتاح موجود، يتم نقل المفتاح القديم إلى موقع جديد.
-
الحجلة التجزئة: امتداد للفحص الخطي ويوفر طريقة فعالة للتعامل مع عامل التحميل العالي والأداء الجيد لذاكرة التخزين المؤقت.
تطبيقات جداول التجزئة والتحديات والحلول
تُستخدم جداول التجزئة على نطاق واسع في العديد من المجالات، بما في ذلك فهرسة قواعد البيانات والتخزين المؤقت وتخزين كلمات المرور لتطبيقات الويب والمزيد. على الرغم من فائدتها، يمكن أن تنشأ تحديات من استخدام جدول التجزئة. على سبيل المثال، يمكن أن يؤدي الاختيار السيئ لوظيفة التجزئة إلى التجميع، مما يقلل من كفاءة جدول التجزئة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون التعامل مع التصادمات أيضًا مكثفًا من الناحية الحسابية.
إن اختيار وظائف التجزئة الجيدة، التي توزع المفاتيح بشكل موحد عبر جدول التجزئة، يمكن أن يخفف من التجميع. للتعامل مع التصادمات، تعتبر أساليب مثل العنونة المفتوحة أو التسلسل فعالة. كما أن تغيير الحجم الديناميكي لجداول التجزئة يمكن أن يمنع تدهور الأداء بسبب عوامل التحميل العالية.
مقارنة مع هياكل البيانات الأخرى
| هيكل البيانات | متوسط التعقيد الزمني للبحث | تعقيد الفضاء |
|---|---|---|
| جدول التجزئة | يا(1) | على) |
| شجرة البحث الثنائية | يا(سجل ن) | على) |
| صفيف/قائمة | على) | على) |
الرؤى المستقبلية والتقنيات المتعلقة بجداول التجزئة
ستظل جداول التجزئة ضرورية في التقنيات المستقبلية نظرًا لكفاءتها التي لا مثيل لها. تشمل مجالات التطور المحتملة تحسين وظائف التجزئة باستخدام خوارزميات التعلم الآلي وتطوير تقنيات أكثر فعالية لحل التصادم. بالإضافة إلى ذلك، سيستمر تطبيق جداول التجزئة في الأنظمة الموزعة والحوسبة السحابية في النمو، حيث تتطلب هذه التقنيات أساليب فعالة للوصول إلى البيانات.
جداول التجزئة والخوادم الوكيلة
يمكن أن تستفيد الخوادم الوكيلة من جداول التجزئة في إدارة اتصالات خادم العميل. على سبيل المثال، قد يستخدم الخادم الوكيل جدول التجزئة لتتبع طلبات العميل، وتعيين عنوان IP الخاص بكل عميل (المفتاح) إلى الخادم المرتبط (القيمة). وهذا يضمن إعادة التوجيه السريع لطلبات العميل والتعامل الفعال مع الاتصالات المتزامنة المتعددة.
روابط ذات علاقة
لمزيد من المعلومات حول جداول التجزئة، راجع الموارد التالية:
