哈希函数是什么，在区块链中有什么用
 
哈希函数是什么？
 
哈希函数，又叫散列函数、散列算法，是一种从任何一种数据中创建小的数字“指纹”（也叫做摘要）的方法。什么意思呢？就是说，你输入任何长度、任何内容的数据，哈希函数输出固定长度、固定格式的结果，这个结果类似于你输入数据的指纹。只要输入发生变化，那么指纹一定会发生变化。不同的内容，通过哈希函数得到的指纹不一样。这就是哈希函数。
 
 
 
              
 
 
                                           图 1 不同的输入，通过sha256函数都生成相同格式、相同长度的指纹
 
那么，哈希函数在区块中有什么用？
 
答案有以下两点：
 
快速验证。哈希函数在区块链中，生成各种数据的摘要，当比较两个数据是否相等时，只需要比较他们的摘要就可以了。例如，比较两个交易是否相等，只需要比较两者的hash值，快捷又方便。
防止篡改。传递一个数据，要保证它在传递过程中不被篡改，只需要同时传递它的摘要即可。收到数据的人将这个数据重新生成摘要，然后比较传递的摘要和生成的摘要是否相等，如果相等，则说明数据在传递过程中没有被篡改。
用于POW共识算法工作量证明。这个主要是在pow的共识算法中使用。详细说来，就是给定一定的数据，然后让你寻找其他的数据，合并起来计算出来的hash值小于某个值。比特币、目前的以太坊，都是使用的POW共识。
                    
 
                                                                        图 2 pow算法中哈希函数的应用
 
 
 
Ok，看完上面部分的同学已经可以给人吹牛逼了，如果不想继续深究的话可以去做别的事情了。下面我们再延升一下哈希函数的特性及在区块链中的演进过程。
 
Hash函数的特性
 
不定长度输入，固定长度输出
所谓不定长度输入，固定长度输出，我们在前文中已经讲过了。就是不管输入的数据是多长，是多大，输出的数据长度、格式都是固定的。比如你选择sha256，那么你的输出就是256位。
 
抗碰撞性
如果x不等于y，但是H（x）等于H（y），那么我们就说H（）这个函数不具有抗碰撞性。反之，我们就认为其是具有抗碰撞性的。   
 
                        
 
                                                                                图 3 碰撞示意图
 
     总结一句话：如果X不等Y，那么H（x）也不等于H（y），那么我们就说H（）这个函数具有抗碰撞性。一个好的hash函数是一定要具有抗碰撞性的。
 
不可逆性（单项性）
给定哈希函数H（）和输入数据，可以很方便的求解出哈希值，但是给定哈希值和哈希函数几乎不能求解出输入数据是什么，这就是不可逆性，也叫做单向性。
 
 
 
一个好的哈希函数必然具备：不定长输入固定长输出、抗碰撞性、不可逆性这三个特点。
 
区块链中hash函数的演进
 
Sha256
Sha全称是Secure Hash Algorithm，是美国国家安全局（NSA）设计，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布的一系列密码散列函数。它经历了SHA-0、SHA-1、SHA-2、SHA-3系列的发展。比特币采用sha256算法属于SHA-2系列，在中本聪发明比特币时是最先进最安全的算法之一。
 
Scrypt
随着显卡挖矿和矿池的出现，社区担心算力的集中，违背去中心化的原则。于是，莱特币提出了Scrypt算法。莱特币除了此算法外，其它部分完全fork比特币。和sha256相比，此算法需要更多的内存和更长的计算时间，能够抵御矿机。但是此算法没有经过严格的安全审查和全面论证。
 
串联算法
所谓的串联算法，同我们初中物理里面所说的串联是同样的道理，就是使用很多种hash算法经过多轮运算，前一轮结果用于后一轮hash的输入。市面上的X11、X13、X15等就是这种算法。
 
并联算法
所谓的并联算法，也和物理中的并联差不多，即先将输入用不同的hash函数求解，然后将求解的结果混淆，形成最终的hash算法的结果。
 
ETHASH
Ethash是值得一提的hash算法。它是以太坊中使用的pow的hash算法。该算法能抵御矿机，基本上能做到ethash挖矿时和CPU性能无关，却和内存大小和内存带宽成正比。该算法的流程如下：
 
对于每一个块，首先计算一个种子（seed），该种子只和当前块的信息有关；
然后根据种子生成一个32M的随机数据集（Cache）；
紧接着根据Cache生成一个1GB大小的数据集合（DAG），DAG可以理解为一个完整的搜索空间，挖矿的过程就是从DAG中随机选择元素（类似于比特币挖矿中查找合适Nonce）再进行哈希运算。

  
 
 
 
 

1、哈希、哈希表、哈希函数
 
https://blog.csdn.net/qq_34858648/article/details/79545622
 
2、哈希树
 
https://blog.csdn.net/chinaleesunnyboy/article/details/79689542

什么是hash函数
 
 
哈希函数（Hash Function），也称为散列函数，给定一个输入x，它会算出相应的输出H(x)。哈希函数的主要特征是：
 
 
 
输入x可以是任意长度的字符串
输出结果即H(x)的长度是固定的
计算 H(x) 的过程是高效的（对于长度为 n 的字符串 x ，计算出 H(x) 的时间复杂度应为 O(n) ）
 
另外哈希函数一般还要求以下两种特点：
 
1、免碰撞：即不会出现输入 x≠y ，但是H(x)=H(y) 的情况，其实这个特点在理论上并不成立，比如目前比特币使用的 SHA256 算法，会有 2^256 种输出，如果我们进行 2^256 + 1 次输入，那么必然会产生一次碰撞，事实上，通过 理论证明 ，通过 2^130 次输入就会有99%的可能性发生一次碰撞，不过即使如此，即便是人类制造的所有计算机自宇宙诞生开始一直运算到今天，发生一次碰撞的几率也是极其微小的。
 
2、隐匿性：也就是说，对于一个给定的输出结果 H(x) ，想要逆推出输入 x ，在计算上是不可能的。如果想要得到 H(x) 的可能的原输入，不存在比穷举更好的方法。
 
hash 算法的原理是试图将一个空间的数据集映射到另外一个空间（通常比原空间要小），并利用质数将数据集能够均匀的映射。目前主流的 hash 算法有：md4、md5、sha系列。
 
 
 
转载至：https://www.jianshu.com/p/bba9b61b80e7

 
什么是 Hash
 
Hash（哈希），又称“散列”。
 
散列（hash）英文原意是“混杂”、“拼凑”、“重新表述”的意思。
 
在某种程度上，散列是与排序相反的一种操作，排序是将集合中的元素按照某种方式比如字典顺序排列在一起，而散列通过计算哈希值，打破元素之间原有的关系，使集合中的元素按照散列函数的分类进行排列。
 
在介绍一些集合时，我们总强调需要重写某个类的 equlas() 方法和 hashCode() 方法，确保唯一性。这里的 hashCode() 表示的是对当前对象的唯一标示。计算 hashCode 的过程就称作 哈希。
 
为什么要有 Hash
 
我们通常使用数组或者链表来存储元素，一旦存储的内容数量特别多，需要占用很大的空间，而且在查找某个元素是否存在的过程中，数组和链表都需要挨个循环比较，而通过 哈希 计算，可以大大减少比较次数。
 

 
举个栗子：
 
现在有 4 个数 {2,5,9,13}，需要查找 13 是否存在。
 
1.使用数组存储，需要新建个数组 new int[]{2,5,9,13}，然后需要写个循环遍历查找：
 
    int[] numbers = new int[]{2,5,9,13};
    for (int i = 0; i < numbers.length; i++) {
        if (numbers[i] == 13){
            System.out.println("find it!");
            return;
        }
    }

 
1
2
3
4
5
6
7
8
 
这样需要遍历 4 次才能找到，时间复杂度为 O(n)。
 
2.而假如存储时先使用哈希函数进行计算，这里我随便用个函数：
 
 H[key] = key % 3;

 
1
2
 
四个数 {2,5,9,13} 对应的哈希值为：
 
 H[2] = 2 % 3 = 2;
 H[5] = 5 % 3 = 2;
 H[9] = 9 % 3 = 0;
 H[13] = 13 % 3 = 1;

 
1
2
3
4
5
 
然后把它们存储到对应的位置。
 
当要查找 13 时，只要先使用哈希函数计算它的位置，然后去那个位置查看是否存在就好了，本例中只需查找一次，时间复杂度为 O(1)。
 
因此可以发现，哈希 其实是随机存储的一种优化，先进行分类，然后查找时按照这个对象的分类去找。
 
哈希通过一次计算大幅度缩小查找范围，自然比从全部数据里查找速度要快。
 
比如你和我一样是个剁手族买书狂，家里书一大堆，如果书存放时不分类直接摆到书架上（数组存储），找某本书时可能需要脑袋从左往右从上往下转好几圈才能发现；如果存放时按照类别分开放，技术书、小说、文学等等分开（按照某种哈希函数计算），找书时只要从它对应的分类里找，自然省事多了。
 
哈希函数
 
哈希的过程中需要使用哈希函数进行计算。
 
哈希函数是一种映射关系，根据数据的关键词 key ，通过一定的函数关系，计算出该元素存储位置的函数。
 
表示为：
 
address = H [key]
 
几种常见的哈希函数（散列函数）构造方法
 
直接定址法 

   
取关键字或关键字的某个线性函数值为散列地址。
即 H(key) = key 或 H(key) = a*key + b，其中a和b为常数。
比如
除留余数法 

   
取关键字被某个不大于散列表长度 m 的数 p 求余，得到的作为散列地址。
即 H(key) = key % p, p < m。 
比如
数字分析法 

   
当关键字的位数大于地址的位数，对关键字的各位分布进行分析，选出分布均匀的任意几位作为散列地址。
仅适用于所有关键字都已知的情况下，根据实际应用确定要选取的部分，尽量避免发生冲突。
比如 
平方取中法 

   
先计算出关键字值的平方，然后取平方值中间几位作为散列地址。
随机分布的关键字，得到的散列地址也是随机分布的。
比如 
折叠法（叠加法） 

   
将关键字分为位数相同的几部分，然后取这几部分的叠加和（舍去进位）作为散列地址。
用于关键字位数较多，并且关键字中每一位上数字分布大致均匀。 
比如 
随机数法 

   
选择一个随机函数，把关键字的随机函数值作为它的哈希值。
通常当关键字的长度不等时用这种方法。 
 
构造哈希函数的方法很多，实际工作中要根据不同的情况选择合适的方法，总的原则是尽可能少的产生冲突。
 
通常考虑的因素有关键字的长度和分布情况、哈希值的范围等。
 
如：当关键字是整数类型时就可以用除留余数法；如果关键字是小数类型，选择随机数法会比较好。
 
哈希冲突的解决
 
选用哈希函数计算哈希值时，可能不同的 key 会得到相同的结果，一个地址怎么存放多个数据呢？这就是冲突。
 
常用的主要有两种方法解决冲突：
 
1.链接法（拉链法）
 
拉链法解决冲突的做法是： 
将所有关键字为同义词的结点链接在同一个单链表中。
 
若选定的散列表长度为 m，则可将散列表定义为一个由 m 个头指针组成的指针数组 T[0..m-1] 。
 
凡是散列地址为 i 的结点，均插入到以 T[i] 为头指针的单链表中。 
T 中各分量的初值均应为空指针。
 
在拉链法中，装填因子 α 可以大于 1，但一般均取 α ≤ 1。
 

 
2.开放定址法
 
用开放定址法解决冲突的做法是：
 

  
用开放定址法解决冲突的做法是：当冲突发生时，使用某种探测技术在散列表中形成一个探测序列。沿此序列逐个单元地查找，直到找到给定的关键字，或者碰到一个开放的地址（即该地址单元为空）为止（若要插入，在探查到开放的地址，则可将待插入的新结点存人该地址单元）。查找时探测到开放的地址则表明表中无待查的关键字，即查找失败。
 
 
简单的说：当冲突发生时，使用某种探查(亦称探测)技术在散列表中寻找下一个空的散列地址，只要散列表足够大，空的散列地址总能找到。
 
按照形成探查序列的方法不同，可将开放定址法区分为线性探查法、二次探查法、双重散列法等。
 
a.线性探查法
 
hi=(h(key)+i) ％ m ，0 ≤ i ≤ m-1 
 
基本思想是： 
探查时从地址 d 开始，首先探查 T[d]，然后依次探查 T[d+1]，…，直到 T[m-1]，此后又循环到 T[0]，T[1]，…，直到探查到 有空余地址 或者到 T[d-1]为止。
 
b.二次探查法
 
hi=(h(key)+i*i) ％ m，0 ≤ i ≤ m-1 
 
基本思想是： 
探查时从地址 d 开始，首先探查 T[d]，然后依次探查 T[d+1^2]，T[d+2^2]，T[d+3^2],…，等，直到探查到 有空余地址 或者到 T[d-1]为止。
 
缺点是无法探查到整个散列空间。
 
c.双重散列法
 
hi=(h(key)+i*h1(key)) ％ m，0 ≤ i ≤ m-1 
 
基本思想是： 
探查时从地址 d 开始，首先探查 T[d]，然后依次探查 T[d+h1(d)], T[d + 2*h1(d)]，…，等。
 
该方法使用了两个散列函数 h(key) 和 h1(key)，故也称为双散列函数探查法。
 
定义 h1(key) 的方法较多，但无论采用什么方法定义，都必须使 h1(key) 的值和 m 互素，才能使发生冲突的同义词地址均匀地分布在整个表中，否则可能造成同义词地址的循环计算。
 
该方法是开放定址法中最好的方法之一。
 
哈希的应用
 
哈希表
分布式缓存
 
哈希表（散列表）
 
哈希表（hash table）是哈希函数最主要的应用。
 
哈希表是实现关联数组（associative array）的一种数据结构，广泛应用于实现数据的快速查找。
 

 
用哈希函数计算关键字的哈希值（hash value）,通过哈希值这个索引就可以找到关键字的存储位置，即桶（bucket）。哈希表不同于二叉树、栈、序列的数据结构一般情况下，在哈希表上的插入、查找、删除等操作的时间复杂度是 O(1)。
 
查找过程中，关键字的比较次数，取决于产生冲突的多少，产生的冲突少，查找效率就高，产生的冲突多，查找效率就低。因此，影响产生冲突多少的因素，也就是影响查找效率的因素。 
影响产生冲突多少有以下三个因素：
 
哈希函数是否均匀；
处理冲突的方法；
哈希表的加载因子。
 
哈希表的加载因子和容量决定了在什么时候桶数（存储位置）不够，需要重新哈希。
 
加载因子太大的话桶太多，遍历时效率变低；太大的话频繁 rehash，导致性能降低。所以加载因子的大小需要结合时间和空间效率考虑。
 
在 HashMap 中的加载因子为 0.75，即四分之三。
 
分布式缓存
 

  
网络环境下的分布式缓存系统一般基于一致性哈希（Consistent hashing）。简单的说，一致性哈希将哈希值取值空间组织成一个虚拟的环，各个服务器与数据关键字K使用相同的哈希函数映射到这个环上，数据会存储在它顺时针“游走”遇到的第一个服务器。可以使每个服务器节点的负载相对均衡，很大程度上避免资源的浪费。
  
在动态分布式缓存系统中，哈希算法的设计是关键点。使用分布更合理的算法可以使得多个服务节点间的负载相对均衡，可以很大程度上避免资源的浪费以及部分服务器过载。 使用带虚拟节点的一致性哈希算法，可以有效地降低服务硬件环境变化带来的数据迁移代价和风险，从而使分布式缓存系统更加高效稳定。
 
 
Thanks
 
http://www.nowamagic.net/librarys/veda/detail/1273
 
http://blog.csdn.net/cywosp/article/details/23397179/
 
http://www.cnblogs.com/qiaoshanzi/p/5295554.html
 
http://baike.baidu.com/view/549615.htm
 
https://books.google.co.jp/books?id=wCWmdhdX1AYC&pg=PA214&lpg=PA214&dq=%E6%95%B0%E5%AD%97%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95&source=bl&ots=5ieOT99Dob&sig=UcYbua2lwYocCQr32HF0XDF34h4&hl=zh-CN&sa=X&ved=0ahUKEwj104zw__fPAhUDw7wKHf3cAhIQ6AEISzAJ#v=onepage&q=%E6%95%B0%E5%AD%97%E5%88%86%E6%9E%90%E6%B3%95&f=false
 
http://sjjp.tjuci.edu.cn/sjjg/DataStructure/DS/web/chazhao/chazhao9.4.3.3.htm
 
http://www.cnblogs.com/qiaoshanzi/p/5295554.html


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