Когда выбирать хеш-таблицу (HT) и когда — сбалансированное дерево (BT). Кратко: HT — для быстрой неупорядоченной доступности; BT — когда нужен порядок, гарантии по худшему случаю или дополнительные операции над порядком.
1) Основные свойства (кратко)
- Хеш-таблица: доступ/вставка/удаление в среднем $O(1)$, худший случай при коллизиях $O(n)$. Итерирование беспорядочно; эффективна при локальности данных (open addressing). Память: массив + метаданные; chaining — дополнительные указатели.
- Сбалансированное дерево (AVL/Red‑Black): операции в худшем случае $O(\log n)$. Поддерживает упорядоченное итерирование, range‑запросы, предшественники/успешники; легко расширяется (order‑statistics).
2) Когда однозначно предпочесть хеш-таблицу
- Нужна максимальная производительность для точечных запросов/вставок/удалений, порядок не важен (кэш, подсчёт частот, множественные lookup).
- Большая доля операций поиска/вставки, малое число range‑запросов.
- Короткие ключи/хэши дешёвые, хорошая хеш‑функция, нет риска целевых коллизий.
- Память относительно не критична и можно использовать open addressing для лучшей плотности/локальности.
Примеры: кеш запросов, подсчёт слов, уникальность элементов.
3) Когда однозначно предпочесть сбалансированное дерево
- Нужен упорядоченный вывод, range‑запросы, lower_bound/upper_bound, итерация в порядке.
- Требуется детерминированная гарантированная сложность $O(\log n)$ в худшем случае (реал‑тайм, безопасные сервисы).
- Нужны операции типа selection/rank или удобная поддержка дополнительных атрибутов (интервальные деревья, order‑statistic).
- Ввод может быть адаптивно враждебным (подумать о худших случаях для хешей).
Примеры: планировщики задач, базы данных с диапазонными запросами, реал‑тайм системы.
4) Память, кэш и производительность
- Open addressing HT: лучше локальность, меньший overhead на элемент, лучшая throughput при малой нагрузке $\alpha$ (load factor).
- Chaining HT и BT: много указателей — хуже кэш. Для очень большого числа элементов указательные структуры (BT) потребляют больше памяти.
- При частых удалениях chaining проще; open addressing страдает от «мёток» (tombstones).
- Реальная скорость зависит от стоимости хэширования vs стоимости сравнения ключей: если хэширование дорогoе (большие ключи), то BT (с частичным сравнением/ранним выходом) может выигрывать.
5) Безопасность и параллелизм
- Если возможны атакующие ключи (коллизии), HT без защиты может деградировать; используются защищённые хеш‑функции или BT.
- Для высококонкурентных задач есть специализированные concurrent hash maps и concurrent trees; выбор зависит от модели блокировок и профиля чтений/записей.
6) Спорные/пограничные сценарии
- Небольшие n: простые вектор/линейный поиск часто быстрее обоих.
- Часто нужны и point‑lookup, и range‑запросы — приходится выбирать компромисс или держать две структуры.
- Очень высокая плотность данных и ограниченная память: open addressing HT предпочтительнее, но при частых удалениях и необходимости стабильных итераторов — BT может быть лучше.
Вывод (одно предложение): если вам нужны быстрые неупорядоченные операции и хорошая cache‑локальность — выбирайте хеш‑таблицу; если нужен порядок, диапазонные операции или жёсткие гарантии по худшему случаю — выбирайте сбалансированное дерево.