05. 해시맵 (HashMap)

📋 문제 정의

해시 함수를 사용하여 키-값 쌍을 저장하는 **해시맵(HashMap)**을 구현하세요.

평균 O(1) 시간에 삽입, 삭제, 검색이 가능한 핵심 자료구조입니다.

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🎯 학습 목표

• 해시 함수의 원리 이해
• 해시 충돌(Collision) 해결 방법
• 체이닝(Chaining) vs 개방 주소법(Open Addressing)
• 로드 팩터(Load Factor)와 리해싱(Rehashing)
• equals()와 hashCode() 계약 이해

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📝 요구사항

기본 연산

메서드	설명	평균 시간복잡도
put(key, value)	키-값 쌍 저장 (키 있으면 덮어쓰기)	O(1)
get(key)	키에 해당하는 값 반환	O(1)
remove(key)	키-값 쌍 삭제	O(1)
containsKey(key)	키 존재 여부 확인	O(1)
containsValue(value)	값 존재 여부 확인	O(n)
size()	저장된 키-값 쌍 개수	O(1)
isEmpty()	비어있는지 확인	O(1)
clear()	모든 요소 삭제	O(n)
keySet()	모든 키 집합 반환	O(n)
values()	모든 값 컬렉션 반환	O(n)
entrySet()	모든 키-값 쌍 집합 반환	O(n)

충돌 해결 방식

1. 체이닝 (Separate Chaining)

   • 각 버킷에 연결 리스트 저장
   • Java 8+에서는 트리화 (8개 이상 → Red-Black Tree)

2. 개방 주소법 (Open Addressing)

   • 선형 탐사 (Linear Probing)
   • 이차 탐사 (Quadratic Probing)
   • 이중 해싱 (Double Hashing)

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📊 입출력 예시

예제 1: 기본 사용

HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("apple", 100);
map.put("banana", 200);
map.put("cherry", 300);

System.out.println(map.get("apple"));     // 출력: 100
System.out.println(map.get("grape"));     // 출력: null
System.out.println(map.containsKey("banana")); // 출력: true

예제 2: 값 덮어쓰기

HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("key", 1);
map.put("key", 2);  // 기존 값 덮어쓰기

System.out.println(map.get("key"));  // 출력: 2
System.out.println(map.size());      // 출력: 1

예제 3: 삭제

HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put("a", 1);
map.put("b", 2);

Integer removed = map.remove("a");
System.out.println(removed);              // 출력: 1
System.out.println(map.containsKey("a")); // 출력: false

예제 4: null 키/값

HashMap<String, Integer> map = new HashMap<>();
map.put(null, 100);      // null 키 허용
map.put("key", null);    // null 값 허용

System.out.println(map.get(null));   // 출력: 100
System.out.println(map.get("key"));  // 출력: null

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🔍 제약 조건

• 초기 용량: 16 (2의 거듭제곱)
• 로드 팩터: 0.75 (75% 차면 리해싱)
• 리해싱: 용량 2배로 확장
• null 키/값 허용 (구현 방식에 따라)
• equals()와 hashCode() 일관성 필요

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💡 힌트

해시 함수

// 버킷 인덱스 계산
int hash = key.hashCode();
int index = hash & (capacity - 1);  // capacity가 2의 거듭제곱일 때

// 또는
int index = Math.abs(hash) % capacity;

체이닝 구현 힌트

class Entry<K, V> {
    K key;
    V value;
    Entry<K, V> next;  // 연결 리스트
}

Entry<K, V>[] buckets = new Entry[capacity];

개방 주소법 힌트

// 선형 탐사
int index = hash & (capacity - 1);
while (buckets[index] != null && !buckets[index].key.equals(key)) {
    index = (index + 1) & (capacity - 1);
}

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✅ 체크리스트

• 체이닝 방식 해시맵 구현
• 개방 주소법(선형 탐사) 해시맵 구현
• 로드 팩터 기반 리해싱
• null 키/값 처리
• equals/hashCode 올바른 사용
• keySet, values, entrySet 구현
• Iterator 구현

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📚 참고

• Java HashMap 소스코드
• hashCode()와 equals() 계약
• 해시 충돌 공격 (Hash DoS)