如何从 Java 中的 HashMap 中选择一个随机键？

Question

我正在使用一个大的ArrayList<HashMap<A,B>>，我会反复需要从随机 HashMap 中选择一个随机键（并用它做一些事情）。选择随机 HashMap 很简单，但是我应该如何从这个 HashMap 中选择一个随机键呢？

速度很重要（因为我需要这样做 10000 次并且哈希图很大），所以只需在 [0,9999] 中选择一个随机数 k，然后在迭代器上执行 k 次 .next()，真的不是一个选项。 同样，在每次随机选择时将 HashMap 转换为数组或 ArrayList 确实不是一种选择。请在回复之前阅读此内容。

从技术上讲，我觉得这应该是可能的，因为 HashMap 在内部将其键存储在 Entry[] 中，并且从数组中随机选择很容易，但我不知道如何访问这个 Entry[]。因此，任何访问内部Entry[] 的想法都非常受欢迎。当然也欢迎其他解决方案（只要它们不消耗散列图大小的线性时间）。

注意：启发式方法很好，所以如果有一种方法可以排除 1% 的元素（例如，由于多个填充的桶），那根本没有问题。

Answer 1

从我的头顶

List<A> keysAsArray = new ArrayList<A>(map.keySet())
Random r = new Random()

那么就

map.get(keysAsArray.get(r.nextInt(keysAsArray.size()))

Answer 2

我设法找到了一个没有性能损失的解决方案。我会把它贴在这里，因为它可能会帮助其他人——并且可能会回答关于这个主题的几个未解决的问题（我稍后会搜索这些）。

您需要第二个自定义的Set 类数据结构来存储密钥——而不是这里建议的列表。类似列表的数据结构要从中删除项目的成本很高。所需的操作是在恒定时间内添加/删除元素（以使其与 HashMap 保持同步）以及选择随机元素的过程。以下类MySet 正是这样做的

class MySet<A> {
     ArrayList<A> contents = new ArrayList();
     HashMap<A,Integer> indices = new HashMap<A,Integer>();
     Random R = new Random();

     //selects random element in constant time
     A randomKey() {
         return contents.get(R.nextInt(contents.size()));
     }

     //adds new element in constant time
     void add(A a) {
         indices.put(a,contents.size());
         contents.add(a);
     }

     //removes element in constant time
     void remove(A a) {
        int index = indices.get(a);
        contents.set(index,contents.get(contents.size()-1));
        indices.put(contents.get(index),index);
        contents.remove((int)(contents.size()-1));
        indices.remove(a);
     }
}

Answer 3

您需要访问底层条目表。

// defined staticly
Field table = HashMap.class.getDeclaredField("table");
table.setAccessible(true);
Random rand = new Random();

public Entry randomEntry(HashMap map) {
    Entry[] entries = (Entry[]) table.get(map);
    int start = rand.nextInt(entries.length);
    for(int i=0;i<entries.length;i++) {
       int idx = (start + i) % entries.length;
       Entry entry = entries[idx];
       if (entry != null) return entry;
    }
    return null;
}

这仍然需要遍历条目以找到其中的条目，因此最坏的情况是 O(n)，但典型的行为是 O(1)。

Answer 4

听起来您应该考虑将辅助键列表或真实对象（而不是地图）存储在您的列表中。

Answer 5

正如@Alberto Di Gioacchino 所指出的，在已接受的解决方案中存在与删除操作相关的错误。我就是这样解决的。

class MySet<A> {
     ArrayList<A> contents = new ArrayList();
     HashMap<A,Integer> indices = new HashMap<A,Integer>();
     Random R = new Random();

     //selects random element in constant time
     A randomKey() {
         return contents.get(R.nextInt(contents.size()));
     }

     //adds new element in constant time
     void add(A item) {
         indices.put(item,contents.size());
         contents.add(item);
     }

     //removes element in constant time
     void remove(A item) {
        int index = indices.get(item);
        contents.set(index,contents.get(contents.size()-1));
        indices.put(contents.get(index),index);
        contents.remove(contents.size()-1);
        indices.remove(item);
     }
}

Answer 6

我假设您正在使用HashMap，因为您需要在以后查找某些内容？

如果不是这样，那么只需将您的 HashMap 更改为 Array/ArrayList。

如果是这种情况，为什么不将您的对象存储在 Map 和 ArrayList 中，以便您可以随机或按键查找。

或者，您可以使用TreeMap 代替HashMap 吗？我不知道您的密钥是什么类型，但您将TreeMap.floorKey() 与一些密钥随机器结合使用。

Answer 7

花了一些时间后，我得出的结论是，您需要创建一个可以由List<Map<A, B>> 和List<A> 支持的模型来维护您的密钥。您需要保留List<Map<A, B>> 和List<A> 的访问权限，只需将操作/方法提供给调用者即可。通过这种方式，您将拥有对实现的完全控制权，并且实际对象将不会受到外部更改的影响。

顺便说一句，你的问题引导我，

• Why does the java.util.Set<V> interface not provide a get(Object o) method?, 和
• Bimap：我试图变得聪明，但当然，它的values() 方法也返回Set。

这个例子，IndexedSet，可能会让你知道如何做。

[编辑]

如果您决定创建自己的模型，该课程SetUniqueList 可能会对您有所帮助。它明确声明它包装了list，而不是副本。所以，我认为，我们可以做类似的事情，

List<A> list = new ArrayList(map.keySet());
SetUniqueList unikList = new SetUniqueList(list, map.keySet);
// Now unikList should reflect all the changes to the map keys
...
// Then you can do
unikList.get(i);

注意： 我自己没有尝试过。稍后会这样做（赶回家）。

Answer 8

从 Java 8 开始，有一个 O(log(N)) 方法，增加 O(log(N)) 内存：通过 map.entrySet().spliterator() 创建一个 Spliterator，make log(map.size()) @987654323 @ 调用并随机选择前半部分或后半部分。当Spliterator 中剩余的元素少于 10 个时，将它们转储到一个列表中并随机选择。

Answer 9

如果你绝对需要访问HashMap中的Entry数组，你可以使用反射。但是你的程序将依赖于 HashMap 的具体实现。

按照建议，您可以为每个地图保留一个单独的键列表。您不会保留密钥的深层副本，因此实际的内存非规范化不会那么大。

第三种方法是实现您自己的 Map 实现，将键保存在列表中而不是集合中。

Answer 10

在 Map 的另一个实现中包装 HashMap 怎么样？另一张地图维护一个列表，并在 put() 上进行维护：

if (inner.put(key, value) == null) listOfKeys.add(key);

（我假设值的空值是不允许的，如果它们使用 containsKey，但这会更慢）