在.NET中,GetHashCode方法在整个.NET基类库的许多地方都使用。正确执行它对于在集合中或确定相等时快速查找项目尤为重要。

对于如何为自定义类实现GetHashCode,是否有标准算法或最佳实践,以便不会降低性能?


当前回答

这是一个很好的例子:

/// <summary>
/// Helper class for generating hash codes suitable 
/// for use in hashing algorithms and data structures like a hash table. 
/// </summary>
public static class HashCodeHelper
{
    private static int GetHashCodeInternal(int key1, int key2)
    {
        unchecked
        {
           var num = 0x7e53a269;
           num = (-1521134295 * num) + key1;
           num += (num << 10);
           num ^= (num >> 6);

           num = ((-1521134295 * num) + key2);
           num += (num << 10);
           num ^= (num >> 6);

           return num;
        }
    }

    /// <summary>
    /// Returns a hash code for the specified objects
    /// </summary>
    /// <param name="arr">An array of objects used for generating the 
    /// hash code.</param>
    /// <returns>
    /// A hash code, suitable for use in hashing algorithms and data 
    /// structures like a hash table. 
    /// </returns>
    public static int GetHashCode(params object[] arr)
    {
        int hash = 0;
        foreach (var item in arr)
            hash = GetHashCodeInternal(hash, item.GetHashCode());
        return hash;
    }

    /// <summary>
    /// Returns a hash code for the specified objects
    /// </summary>
    /// <param name="obj1">The first object.</param>
    /// <param name="obj2">The second object.</param>
    /// <param name="obj3">The third object.</param>
    /// <param name="obj4">The fourth object.</param>
    /// <returns>
    /// A hash code, suitable for use in hashing algorithms and
    /// data structures like a hash table.
    /// </returns>
    public static int GetHashCode<T1, T2, T3, T4>(T1 obj1, T2 obj2, T3 obj3,
        T4 obj4)
    {
        return GetHashCode(obj1, GetHashCode(obj2, obj3, obj4));
    }

    /// <summary>
    /// Returns a hash code for the specified objects
    /// </summary>
    /// <param name="obj1">The first object.</param>
    /// <param name="obj2">The second object.</param>
    /// <param name="obj3">The third object.</param>
    /// <returns>
    /// A hash code, suitable for use in hashing algorithms and data 
    /// structures like a hash table. 
    /// </returns>
    public static int GetHashCode<T1, T2, T3>(T1 obj1, T2 obj2, T3 obj3)
    {
        return GetHashCode(obj1, GetHashCode(obj2, obj3));
    }

    /// <summary>
    /// Returns a hash code for the specified objects
    /// </summary>
    /// <param name="obj1">The first object.</param>
    /// <param name="obj2">The second object.</param>
    /// <returns>
    /// A hash code, suitable for use in hashing algorithms and data 
    /// structures like a hash table. 
    /// </returns>
    public static int GetHashCode<T1, T2>(T1 obj1, T2 obj2)
    {
        return GetHashCodeInternal(obj1.GetHashCode(), obj2.GetHashCode());
    }
}

下面是如何使用它:

private struct Key
{
    private Type _type;
    private string _field;

    public Type Type { get { return _type; } }
    public string Field { get { return _field; } }

    public Key(Type type, string field)
    {
        _type = type;
        _field = field;
    }

    public override int GetHashCode()
    {
        return HashCodeHelper.GetHashCode(_field, _type);
    }

    public override bool Equals(object obj)
    {
        if (!(obj is Key))
            return false;
        var tf = (Key)obj;
        return tf._field.Equals(_field) && tf._type.Equals(_type);
    }
}

其他回答

这是Jon Skeet发布的上述算法的另一个流畅实现,但不包括分配或装箱操作:

public static class Hash
{
    public const int Base = 17;

    public static int HashObject(this int hash, object obj)
    {
        unchecked { return hash * 23 + (obj == null ? 0 : obj.GetHashCode()); }
    }

    public static int HashValue<T>(this int hash, T value)
        where T : struct
    {
        unchecked { return hash * 23 + value.GetHashCode(); }
    }
}

用法:

public class MyType<T>
{
    public string Name { get; set; }

    public string Description { get; set; }

    public int Value { get; set; }

    public IEnumerable<T> Children { get; set; }

    public override int GetHashCode()
    {
        return Hash.Base
            .HashObject(this.Name)
            .HashObject(this.Description)
            .HashValue(this.Value)
            .HashObject(this.Children);
    }
}

由于泛型类型约束,编译器将确保不使用类调用HashValue。但是没有编译器支持HashObject,因为添加泛型参数也会添加装箱操作。

这是我使用JonSkeet实现的助手类。

public static class HashCode
{
    public const int Start = 17;

    public static int Hash<T>(this int hash, T obj)
    {
        var h = EqualityComparer<T>.Default.GetHashCode(obj);
        return unchecked((hash * 31) + h);
    }
}

用法:

public override int GetHashCode()
{
    return HashCode.Start
        .Hash(_field1)
        .Hash(_field2)
        .Hash(_field3);
}

如果要避免为System.Int32编写扩展方法:

public readonly struct HashCode
{
    private readonly int _value;

    public HashCode(int value) => _value = value;

    public static HashCode Start { get; } = new HashCode(17);

    public static implicit operator int(HashCode hash) => hash._value;

    public HashCode Hash<T>(T obj)
    {
        var h = EqualityComparer<T>.Default.GetHashCode(obj);
        return unchecked(new HashCode((_value * 31) + h));
    }

    public override int GetHashCode() => _value;
}

它仍然避免了任何堆分配,使用方式完全相同:

public override int GetHashCode()
{
    // This time `HashCode.Start` is not an `Int32`, it's a `HashCode` instance.
    // And the result is implicitly converted to `Int32`.
    return HashCode.Start
        .Hash(_field1)
        .Hash(_field2)     
        .Hash(_field3);
}

编辑(2018年5月):EqualityComparer<T>。默认getter现在是JIT内在的-Stephen Toub在这篇博文中提到了pull请求。

ValueTuple-C#7更新

正如@cactuaroid在评论中提到的,可以使用值元组。这节省了一些击键,更重要的是纯粹在堆栈上执行(无垃圾):

(PropA, PropB, PropC, PropD).GetHashCode();

(注意:使用匿名类型的原始技术似乎在堆上创建了一个对象,即垃圾,因为匿名类型被实现为类,尽管编译器可能会对此进行优化。对这些选项进行基准测试会很有趣,但元组选项应该更优。)

匿名类型(原始答案)

Microsoft已经提供了一个很好的通用HashCode生成器:只需将属性/字段值复制到匿名类型并对其进行哈希:

new { PropA, PropB, PropC, PropD }.GetHashCode();

这适用于任何数量的财产。它不使用拳击。它只是使用了框架中已经实现的匿名类型的算法。

这是我的简单方法。我使用的是经典的生成器模式。它是类型安全的(无装箱/拆箱),并且与.NET 2.0兼容(无扩展方法等)。

它的用法如下:

public override int GetHashCode()
{
    HashBuilder b = new HashBuilder();
    b.AddItems(this.member1, this.member2, this.member3);
    return b.Result;
} 

这里是实际的生成器类:

internal class HashBuilder
{
    private const int Prime1 = 17;
    private const int Prime2 = 23;
    private int result = Prime1;

    public HashBuilder()
    {
    }

    public HashBuilder(int startHash)
    {
        this.result = startHash;
    }

    public int Result
    {
        get
        {
            return this.result;
        }
    }

    public void AddItem<T>(T item)
    {
        unchecked
        {
            this.result = this.result * Prime2 + item.GetHashCode();
        }
    }

    public void AddItems<T1, T2>(T1 item1, T2 item2)
    {
        this.AddItem(item1);
        this.AddItem(item2);
    }

    public void AddItems<T1, T2, T3>(T1 item1, T2 item2, T3 item3)
    {
        this.AddItem(item1);
        this.AddItem(item2);
        this.AddItem(item3);
    }

    public void AddItems<T1, T2, T3, T4>(T1 item1, T2 item2, T3 item3, 
        T4 item4)
    {
        this.AddItem(item1);
        this.AddItem(item2);
        this.AddItem(item3);
        this.AddItem(item4);
    }

    public void AddItems<T1, T2, T3, T4, T5>(T1 item1, T2 item2, T3 item3, 
        T4 item4, T5 item5)
    {
        this.AddItem(item1);
        this.AddItem(item2);
        this.AddItem(item3);
        this.AddItem(item4);
        this.AddItem(item5);
    }        

    public void AddItems<T>(params T[] items)
    {
        foreach (T item in items)
        {
            this.AddItem(item);
        }
    }
}

直到最近,我的回答都很接近乔恩·斯基特的回答。然而,我最近开始了一个使用两个哈希表的幂的项目,即内部表大小为8、16、32等的哈希表。

而且非常糟糕。因此,经过一点实验和研究后,我开始用以下方法重新散列我的散列:

public static int ReHash(int source)
{
  unchecked
  {
    ulong c = 0xDEADBEEFDEADBEEF + (ulong)source;
    ulong d = 0xE2ADBEEFDEADBEEF ^ c;
    ulong a = d += c = c << 15 | c >> -15;
    ulong b = a += d = d << 52 | d >> -52;
    c ^= b += a = a << 26 | a >> -26;
    d ^= c += b = b << 51 | b >> -51;
    a ^= d += c = c << 28 | c >> -28;
    b ^= a += d = d << 9 | d >> -9;
    c ^= b += a = a << 47 | a >> -47;
    d ^= c += b << 54 | b >> -54;
    a ^= d += c << 32 | c >> 32;
    a += d << 25 | d >> -25;
    return (int)(a >> 1);
  }
}

然后我的两个哈希表的能力就不再糟糕了。

但这让我很不安,因为上面的方法不应该奏效。或者更准确地说,除非原始的GetHashCode()以非常特殊的方式很差,否则它不应该工作。

重新混合哈希代码并不能改善一个好的哈希代码,因为唯一可能的效果是我们引入了更多的冲突。

重新混合哈希代码并不能改善糟糕的哈希代码,因为唯一可能的效果是我们将值53上的大量冲突更改为值183487291的大量冲突。

重新混合哈希代码只能改进哈希代码,该哈希代码至少在避免整个范围内的绝对冲突(232个可能值)方面做得相当好,但在为哈希表中的实际使用而进行模化时,在避免冲突方面做得很差。虽然二次幂表的简单模使这一点更加明显,但它对更常见的素数表也有负面影响,这并不是那么明显(重新散列的额外工作将超过好处,但好处仍然存在)。

编辑:我还使用了开放寻址,这也会增加对冲突的敏感度,也许比二的幂更敏感。

好吧,这令人不安的是,.NET(或这里的研究)中的string.GetHashCode()实现可以通过这种方式改进多少(由于较少的冲突,测试运行速度大约快20-30倍),更令人不安我自己的哈希代码可以改进多少(远远不止于此)。

我过去编写的所有GetHashCode()实现,实际上都是这个网站上答案的基础,比我想象的要糟糕得多。很多时候,它对于很多用途来说“足够好”,但我想要更好的东西。

所以我把这个项目放在一边(反正它是一个宠物项目),开始研究如何在.NET中快速生成一个好的、分布良好的哈希代码。

最后,我决定将SpookyHash移植到.NET。实际上,上面的代码是使用SpookyHash从32位输入生成32位输出的快速路径版本。

现在,SpookyHash不是一个好的快速记忆代码。我的端口就更少了,因为我手动内联了很多端口以提高速度*。但这就是代码重用的目的。

然后我把这个项目放在一边,因为正如最初的项目产生了如何产生更好的哈希代码的问题,所以这个项目产生了怎样产生更好的.NET memcpy的问题。

然后我回来了,并生成了大量重载,以便将几乎所有的原生类型(十进制†除外)轻松地输入到哈希代码中。

它速度很快,鲍勃·詹金斯(Bob Jenkins)值得称赞,因为我移植的原始代码速度更快,尤其是在64位机器上,算法经过了优化。

完整的代码可以在https://bitbucket.org/JonHanna/spookilysharp/src但是考虑到上面的代码是它的简化版本。

然而,由于它现在已经写好了,因此可以更容易地使用它:

public override int GetHashCode()
{
  var hash = new SpookyHash();
  hash.Update(field1);
  hash.Update(field2);
  hash.Update(field3);
  return hash.Final().GetHashCode();
}

它还需要种子值,因此,如果您需要处理不受信任的输入,并希望防止哈希DoS攻击,您可以根据正常运行时间或类似情况设置种子,并使攻击者无法预测结果:

private static long hashSeed0 = Environment.TickCount;
private static long hashSeed1 = DateTime.Now.Ticks;
public override int GetHashCode()
{
  //produce different hashes ever time this application is restarted
  //but remain consistent in each run, so attackers have a harder time
  //DoSing the hash tables.
  var hash = new SpookyHash(hashSeed0, hashSeed1);
  hash.Update(field1);
  hash.Update(field2);
  hash.Update(field3);
  return hash.Final().GetHashCode();
}

*这方面的一个大惊喜是,手动内联返回(x<<n)|(x>>-n)的旋转方法改进了性能。我本可以确定抖动会为我内联,但评测显示的情况并非如此。

†十进制虽然来自C#,但从.NET角度看不是本机。它的问题是,它自己的GetHashCode()将精度视为重要,而它自己的Equals()则没有。两者都是有效的选择,但不是那样混合。在实现自己的版本时,您需要选择执行一个或另一个,但我不知道您想要哪个。

‡通过比较。如果在字符串上使用,64位的SpookyHash要比32位的string.GetHashCode()快得多,这比64位的string.GetHashCode()要快得多。