MurmurHash的綜合介紹

一、MurmurHash概述

MurmurHash是一種非加密型哈希函數，由Austin Appleby於2008年發明並開源。MurmurHash具有高效、均衡、分佈良好、低衝突等特點，在程序開發中有着廣泛的應用。

下面將從MurmurHash的基本原理、應用場景、算法實現、使用方法等多個方面進行分析。

二、MurmurHash的基本原理

MurmurHash的基本思想是利用兩個輸入參數：key和seed（隨機數種子），通過一個複雜的運算過程得到一個32位整數，作為哈希碼。其中，key是需要哈希的信息，seed是隨機數種子。

MurmurHash的核心算法是基於一種稱為Murmur3的算法，該算法採用了可分離的哈希策略，即先對輸入的數據進行分區，然後對每個分區進行哈希計算，最終將所有哈希值進行組合。MurmurHash可以將任意長的輸入字符串哈希為32位整數，哈希結果具有高度的離散性和均勻性。

三、MurmurHash的應用場景

MurmurHash主要應用於數據查找、數據校驗和索引構建等方面。具體應用場景包括：

1.緩存查找：在大規模數據的緩存查找中，通常需要使用哈希算法快速地進行數據定位。

2.數據校驗：MurmurHash可以對數據進行完整性校驗，防止數據的篡改和損壞。

3.分佈式系統：在分佈式系統中，MurmurHash可以作為節點選擇和負載均衡的基礎算法。

4.文件檢驗：MurmurHash可以對文件進行哈希值計算，以判斷文件內容是否一致。

5.散列集合：MurmurHash可以作為散列集合（Hashset）的基礎算法，用於快速地判斷元素是否存在。

四、MurmurHash的算法實現

MurmurHash算法的實現可以分為以下兩個步驟：

1.初始化：根據seed參數初始化哈希值h，通常使用一組預設值（例如MurmurHash3中使用的常量C1、C2、r1、r2等）。

2.哈希計算：按照MurmurHash的哈希策略，對輸入數據key進行分區，並對每個分區進行哈希計算。運算過程包括：

（1）在每個分區中，按照4位元組一組進行哈希計算，使用MurmurHash3中的G函數進行處理。

    inline void MurmurHash3_x86_32 ( const void * key, int len, uint32_t seed, void * out )
    {
        const uint8_t * data = (const uint8_t*)key;
        const int nblocks = len / 4;
    
        uint32_t h1 = seed;
    
        const uint32_t c1 = 0xcc9e2d51;
        const uint32_t c2 = 0x1b873593;
    
        //----------
        // body
    
        const uint32_t * blocks = (const uint32_t *)(data + nblocks*4);
    
        for(int i = -nblocks; i; i++)
        {
            uint32_t k1 = blocks[i];
    
            k1 *= c1;
            k1 = ROTL32(k1,15);
            k1 *= c2;
    
            h1 ^= k1;
            h1 = ROTL32(h1,13); 
            h1 = h1*5+0xe6546b64;
        }
    
        //----------
        // tail
    
        const uint8_t * tail = (const uint8_t*)(data + nblocks*4);
    
        uint32_t k1 = 0;
    
        switch(len & 3)
        {
            case 3: k1 ^= tail[2] << 16;    
            case 2: k1 ^= tail[1] << 8;
            case 1: k1 ^= tail[0];
                    k1 *= c1; k1 = ROTL32(k1,15); k1 *= c2; h1 ^= k1;
        };
    
        //----------
        // finalization
    
        h1 ^= len;
    
        h1 = fmix(h1);
    
        *(uint32_t*)out = h1;
    }

（2）最後將各分區的哈希值進行組合，得到最終哈希值。

    uint32_t MurmurHash3_x86_32(const void* key, int len, uint32_t seed) {

        const uint8_t* data = (const uint8_t*)key;
        const int nblocks = len / 4;

        uint32_t h1 = seed;

        const uint32_t c1 = 0xcc9e2d51;
        const uint32_t c2 = 0x1b873593;

        const uint32_t* blocks = (const uint32_t*)(data + nblocks * 4);

        for (int i = -nblocks; i; i++) {
            uint32_t k1 = blocks[i];

            k1 *= c1;
            k1 = ROTL32(k1, 15);
            k1 *= c2;

            h1 ^= k1;
            h1 = ROTL32(h1, 13);
            h1 = h1 * 5 + 0xe6546b64;
        }

        const uint8_t* tail = (const uint8_t*)(data + nblocks * 4);

        uint32_t k1 = 0;

        switch (len & 3) {
        case 3:
            k1 ^= tail[2] << 16;
        case 2:
            k1 ^= tail[1] << 8;
        case 1:
            k1 ^= tail[0];
            k1 *= c1;
            k1 = ROTL32(k1, 15);
            k1 *= c2;
            h1 ^= k1;
        }

        h1 ^= len;

        h1 = fmix(h1);

        return h1;
    }

五、MurmurHash的使用方法

MurmurHash在C++和Java等編程語言中均有相應的實現。下面以C++為例，介紹MurmurHash的使用方法。

首先需要引用MurmurHash的頭文件，並聲明需要哈希的key值和seed值：

    #include "MurmurHash.h"
    const char* key = "hello world";
    uint32_t seed = 0;

然後就可以調用MurmurHash的哈希函數進行計算，並將結果存儲在一個32位整數中：

    uint32_t result = MurmurHash3_x86_32(key, strlen(key), seed);

最後，可以將結果輸出或進行其他操作：

    cout << "MurmurHash value of '" << key << "' is " << result << endl;

六、總結

本文對MurmurHash進行了詳細的介紹，包括其基本原理、應用場景、算法實現和使用方法等方面。MurmurHash在程序開發中具有廣泛的應用，尤其在大規模數據處理和分佈式計算等領域中有着重要的地位。

除了MurmurHash，還有MD5、SHA-1等多種哈希算法可供選擇，需要根據具體應用場景進行選擇。