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深入理解CityHash算法

news 2025/5/13 3:33:49

一、引言

在大数据和高性能计算领域，高效的哈希算法对于数据处理和检索至关重要。CityHash是由Google开发的一种高性能字符串哈希函数，专为处理任意长度的字节序列而设计。本文将深入探讨CityHash算法的核心原理，并通过C++示例代码解析其实现细节。

二、CityHash算法概述

作者：Geoff Pike 和 Jyrki Alakuijala
特点：
- 支持32位、64位和128位哈希值输出
- 针对不同长度的输入进行了高度优化
- 兼顾了哈希速度和质量，碰撞率低

三、算法设计思路

CityHash算法的设计目标是实现高速且高质量的哈希函数。为了达到这个目标，算法根据输入数据的长度，采用了不同的处理策略：

短字符串（长度 ≤ 16字节）：
- 使用一系列混合和位移操作，以充分混合输入数据。
中等长度字符串（17字节 ≤ 长度 ≤ 240字节）：
- 将输入分成16字节的块，逐块处理并累积哈希值。
长字符串（长度 > 240字节）：
- 使用定制的循环和尾部处理，确保哈希的分布均匀性。

四、关键技术细节

1. 混合函数

乘法哈希：利用大质数进行乘法，可以快速混合输入位。
旋转操作（Rotate）：循环位移增强了位的混合程度。
异或操作（XOR）：结合乘法和旋转操作，进一步混合数据。

2. 散列函数

HashLen16：用于处理长度为16字节的数据块，核心是两个64位整数的混合。
HashLen0to16：针对长度在0到16字节之间的字符串，进行特殊处理。

五、示例代码解析

以下是CityHash64算法的核心部分的C++示例代码，用于演示其实现思路。

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <cstdint>typedef uint64_t uint64;
typedef uint32_t uint32;// 旋转操作
inline uint64 Rotate(uint64 val, int shift) {return (val >> shift) | (val << (64 - shift));
}// 混合函数
inline uint64 Mix(uint64 a, uint64 b) {a ^= b;a *= 0x9ddfea08eb382d69ULL;a ^= (a >> 47);b ^= a;b *= 0x9ddfea08eb382d69ULL;b ^= (b >> 47);return b * 0x9ddfea08eb382d69ULL;
}// 处理长度为0到16的字符串
uint64 HashLen0to16(const char* s, size_t len) {if (len >= 8) {uint64 a = *(uint64*)s;uint64 b = *(uint64*)(s + len - 8);return Mix(a, Rotate(b + len, len)) ^ b;}if (len >= 4) {uint32 a = *(uint32*)s;uint32 b = *(uint32*)(s + len - 4);return Mix(len + (uint64)a << 3, b);}if (len > 0) {uint8_t a = s[0];uint8_t b = s[len >> 1];uint8_t c = s[len - 1];uint32 y = a + ((uint32)b << 8);uint32 z = len + ((uint32)c << 2);return Mix(y, z);}return 0x9ddfea08eb382d69ULL;
}// CityHash64主函数
uint64 CityHash64(const char* s, size_t len) {if (len <= 16) {return HashLen0to16(s, len);}// 以下是对长度大于16的字符串的处理逻辑// 为了演示，省略了完整的实现细节// 在实际的CityHash中，这部分包含了复杂的循环和混合操作uint64 h = len;uint64 g = 0x9ddfea08eb382d69ULL * len;uint64 f = g;size_t offset = 0;// 模拟的块处理循环while (len >= 16) {uint64 a = *(uint64*)(s + offset);uint64 b = *(uint64*)(s + offset + 8);h ^= Mix(a, b);h = Rotate(h, 27) * 0x9ddfea08eb382d69ULL + g;offset += 16;len -= 16;}// 处理剩余的尾部数据if (len > 0) {h ^= HashLen0to16(s + offset, len);h *= 0x9ddfea08eb382d69ULL;}// 最终混合h = Mix(h, g);return h;
}int main() {const char* input = "Hello, CityHash Algorithm!";size_t len = strlen(input);uint64 hash = CityHash64(input, len);std::cout << "Hash Value: " << hash << std::endl;return 0;
}