Хеш-таблица является специальной структурой данных наряду с массивами, деревьями и т. д., которая хранит пары ключей и значения:
ключ — уникальное число, которое применяется для инициализации значений;
значение — представляет собой некие данные, которые связаны с ключом.
Если другими словами, тогда хеш-таблицу можно представить неким табличным контейнером с ячейками, внутри которого хранятся некие данные, зачастую зашифрованные. «Обращаться» к данным этого массива можно через специальную хеш-функцию. Эта функция при помощи ключа преобразует любые данные в хеш и заносит их в хеш-таблицу. Процесс работы хеш-функции с хеш-таблицами называется хешированием.
Хеш-таблица и пароль
Хеш-таблица позволяет правильно структурировать данные внутри себя таким образом, чтобы с ними было удобно взаимодействовать. Очень частое применение хеш-таблиц — это криптографическое направление, например, хранение логинов и паролей пользователей в приложениях. Ведь все данные в хеш-таблице хранятся в зашифрованном виде, а не в открытом доступе. Если хакер получит доступ к хеш-таблице, он не сможет расшифровать данные без соответствующих ключей, а ключи для расшифровки он получить не сможет. При правильно реализованной хеш-таблице для хранения паролей даже сам ресурс не способен увидеть пароли пользователей в «чистом» виде, так как они хранятся в виде хеша и в виде структуры разнообразных символов. Когда пользователь вводит пароль для авторизации на ресурсе, то ресурс (хеш-функция) сравнивает не сам пароль, а идентичность хеша. То есть введенный пароль хешируется и сравнивается с записанными в хеш-таблице значениями. Если совпадения обнаруживаются, тогда пользователю разрешается авторизация на ресурсе, если нет — тогда нет.
Благодаря такому подходу в реализации хранения паролей в случаях утери пароля пользователем восстановить его нельзя, так как расшифровать сохраненный пароль не представляется возможным. Все, что можно сделать, — это «перезаписать» пароль пользователя в ячейки хеш-таблицы.
Хеш-таблица: особенности и применение
Объясняем простыми словами, как устроен принцип работы с хеш-таблицами. Программист определяет хеш-функцию, которая будет хешировать входящие данные и определять им место в хеш-таблице, присваивая индекс местоположения.
Определяя местоположения хеша или ячейку в таблице для хеша, функция иногда в одну ячейку ставит разные данные. Таким образом получается, что с одним индексом в одной ячейке может располагаться разный хеш. Такая ситуация называется коллизией и является известной проблемой и основной уязвимостью хеш-таблиц.
Цель любого алгоритма хеширования — уменьшить количество коллизий. Потому что именно коллизии являются целью хакеров. Например, с их помощью хакер может загрузить в таблицу вредоносный файл, который будет скрываться под правильным хешем.
Особенности хеш-таблиц
Хеш-таблица является контейнером для хранения данных, который «конкурирует» со списком, массивом или деревом. Она обладает следующими особенностями:
скорость обработки операций по поиску значений в таблице не зависит от количества ячеек и объема хранимой информации;
у хеш-таблиц наблюдается высокая эффективность в том случае, когда заранее известно максимальное количество сохраняемых элементов, потому что это уменьшает вероятность возникновения коллизий и проблем при повторном резервировании памяти;
хеш-таблица не предназначена для хранения сортированных данных, а также не является лучшим местом для осуществления самой сортировки;
хеш-таблица показывает низкую эффективность при взаимодействии с малым количеством элементов за счет высокой цены использования хеш-функции;
хеш-таблицы не пригодны в тех случаях, когда необходимо как-то обрабатывать строки, например, проверять их орфографию;
чем больше коллизий — тем менее эффективна хеш-таблица.
Где применяется хеш-таблица
Хеш-таблица применяется для хранения каких-либо данных. Очень часто ее можно встретить в криптографических операциях, когда необходимо сохранять какие-либо данные в зашифрованном виде. Причем применяться может как в веб-приложениях, так и в мобильных приложениях.
В большинстве ситуаций хеш-таблица показывает более высокую эффективность, если сравнивать ее работу с деревом поиска или любой другой табличной формой хранения данных.
Основные способы использовать хеш-таблицу:
Ассоциативный массив. Это самый распространенный способ применения хеш-таблиц, когда в качестве индексов таблицы выступают произвольные строки и другие сложные объекты.
Индексация баз данных. В этом случае хеш-таблица применяется в качестве места для хранения индексов базы данных. В таком способе применения более популярно В-дерево, однако хеш-таблица тоже частично занимает эту сферу.
Реализовать ускоренный кэш. В этом случае хеш-таблица используется как вспомогательная таблица, где сохраняется кэш приложений. Это ускоряет доступ к кэшу даже на медленных устройствах.
Реализовать наборы. При таком подходе хеш-таблица является местом хранения наборов ключей и служит только для определения принадлежности какого-либо ключа к записанному в ней набору.
И др.
Большинство языков программирования предлагают собственные инструменты для того, чтобы реализовать хеш-таблицы. Список таких языков: Java, Lisp, Perl, Python, JavaScript, Lua, Ruby, PHP и другие.
Заключение
Хеш-таблица является популярным способом взаимодействия с данными, поэтому часто применяется при разработке программных продуктов. За хешированием с применением хеш-таблиц будущее, это даже не обсуждается. Трудно не заметить, насколько популярными стали темы криптовалют и блокчейна в последнее время и как эти темы развиваются. А эти сферы тоже основаны на хешировании.
О том, как правильно реализовать хеш-функции для хеширования информации в собственном приложении с минимальным количеством коллизий в хеш-таблицах, мы расскажем в следующих статьях.
Другое
