《程序设计综合设计》课程设计--电话号码查询系统
2.问题描述
1、设每个记录有下列数据项：电话号码、用户名、地址；
2、从键盘输入各记录，分别以电话号码和用户名为关键字建立哈希表；
3、查找并显示给定电话号码的记录；
4、查找并显示给定用户名的记录。
5、在哈希函数确定的前提下，使用各种不同类型处理冲突的方法（开放定址法、 拉链法），讨论平均查找长度的变化。
3.需求分析
3.1 数据需求
电话号码查询系统需要存储的数据项有电话号码、用户名、地址三个字段。
3.2 基本功能需求
1.需要使用两个解决冲突的方式来进行hash存储
2.分别使用姓名和电话号两个属性进行hash存储。
3.可以插入新的用户记录，包括电话号码、用户名、地址三个字段。
4.可以查询用户记录: 可以通过电话号码或姓名来查询用户记录。
5.开放定址法: 使用数组存储数据，当发生冲突时，通过查找下一个空闲单元来解决冲突。
6.链地址法: 使用链表存储数据，当发生冲突时，将新数据插入链表中，通过链表来解决冲突。
3.3 非功能性需求
用户界面需求：简洁、易用、易懂、友好的用户界面。
硬件要求：装有Visual Studio 2019的计算机。
可靠性需求：保证用户在正常使用本系统时，用户的操作或误操作不会产生数据的丢失。
4.概要设计
4.1 数据结构
开放定址法: 使用 HashNode 类型的数组来存储数据，每个元素包含一个Record_1类型的data字段和一个int类型的is_empty字段。
- 链地址法: 使用结构体Record_2存储数据，每个结构体包含电话号码、用户名、地址三个字段和一个指向下一个结构体的指针next。
4.2 系统包含的函数
- hash_func_1: 使用简单的哈希函数计算给定字符串的哈希值
- search_by_phone_1: 通过电话号码在哈希表中搜索记录，并打印该记录的姓名和地址
- search_by_name_1: 通过姓名在哈希表中搜索记录，并打印该记录的电话号码和地址
- insert_data_by_phone_1: 在哈希表中插入一条新记录，根据电话号码计算哈希值
- print_avg_lengths_phone_1: 打印哈希表中每个桶的平均长度，根据电话号码计算哈希值
- print_avg_lengths_name_1: 打印哈希表中每个桶的平均长度，根据姓名计算哈希值
- insert_data_by_name_1: 在哈希表中插入一条新记录，根据姓名计算哈希值
- init_hash_table_2: 初始化哈希表，将所有元素的next指针设为NULL
- hash_by_phone_2: 计算电话号码的哈希值
- hash_by_name_2: 计算姓名的哈希值
- display_record_2: 打印一条记录的电话号码，姓名和地址
- insert_by_phone_2: 插入一条新记录，根据电话号码计算哈希值
- insert_by_name_2: 插入一条新记录，根据姓名计算哈希值
- search_by_phone_2: 通过电话号码在哈希表中搜索记录，并打印该记录的电话号码，姓名和地址
- search_by_name_2: 通过姓名在哈希表中搜索记录，并打印该记录的电话号码，姓名和地址
- print_avg_lengths_by_name_2: 打印哈希表中每个桶的平均长度，根据姓名计算哈希值
- print_avg_lengths_by_phone_2: 打印哈希表中每个桶的平均长度，根据电话号码计算哈希值
- main2(): 主函数，用于测试哈希表2
- main1(): 主函数，用于测试哈希表1
4.3 函数间的关系
- hash_func_1, hash_by_phone_2, hash_by_name_2 这三个函数都是用于计算哈希值的，hash_func_1是用来计算第一个哈希表中哈希值的，hash_by_phone_2和hash_by_name_2是用来计算第二个哈希表中哈希值的。
- insert_by_phone_2和insert_by_name_2这两个函数是用来在第二个哈希表中插入记录的，它们使用了hash_by_phone_2和hash_by_name_2函数来计算哈希值
- search_by_phone_1,search_by_name_1,search_by_phone_2, search_by_name_2这四个函数都是用来在哈希表中搜索记录的，它们分别对应第一个哈希表和第二个哈希表中搜索电话号码和姓名。
- display_record_2函数是用来打印第二个哈希表中搜索到的记录的电话号码，姓名和地址。
- init_hash_table_2函数是用来初始化第二个哈希表的，它会将所有的链表指针都设置为NULL。
- main2()和main1()是程序的主入口，它们分别调用了第一个哈希表和第二个哈希表的插入，查询和显示函数来测试哈希表的功能。
4.4 系统功能模块图
5.详细设计
5.1 结构体的详细定义
typedef struct {
char phone[20];//电话号码
char name[20];//姓名
char address[100];//地址
} Record_1;
typedef struct {//结构体定义
Record_1 data;
int is_empty;
} HashNode;
struct Record_2 {
char phone[20];
char name[20];
char address[100];
struct Record_2* next;
}
5.2 系统函数详细介绍
- hash_func_1: 使用简单的哈希函数计算给定字符串的哈希值
- search_by_phone_1: 通过电话号码在哈希表中搜索记录，并打印该记录的姓名和地址
- search_by_name_1: 通过姓名在哈希表中搜索记录，并打印该记录的电话号码和地址
- insert_data_by_phone_1: 在哈希表中插入一条新记录，根据电话号码计算哈希值
- print_avg_lengths_phone_1: 打印哈希表中每个桶的平均长度，根据电话号码计算哈希值
- print_avg_lengths_name_1: 打印哈希表中每个桶的平均长度，根据姓名计算哈希值
- insert_data_by_name_1: 在哈希表中插入一条新记录，根据姓名计算哈希值
- init_hash_table_2: 初始化哈希表，将所有元素的next指针设为NULL
- hash_by_phone_2: 计算电话号码的哈希值
- hash_by_name_2: 计算姓名的哈希值
- display_record_2: 打印一条记录的电话号码，姓名和地址
- insert_by_phone_2: 插入一条新记录，根据电话号码计算哈希值
- insert_by_name_2: 插入一条新记录，根据姓名计算哈希值
- search_by_phone_2: 通过电话号码在哈希表中搜索记录，并打印该记录的电话号码，姓名和地址
- search_by_name_2: 通过姓名在哈希表中搜索记录，并打印该记录的电话号码，姓名和地址
- print_avg_lengths_by_name_2: 打印哈希表中每个桶的平均长度，根据姓名计算哈希值
- print_avg_lengths_by_phone_2: 打印哈希表中每个桶的平均长度，根据电话号码计算哈希值
- main2(): 主函数，用于测试哈希表2
- main1(): 主函数，用于测试哈希表1
5.3 系统功能模块介绍
本系统包括两个模块：
一个是线性探测模块（如图5-3-1），一个是拉链法模块（如图5-3-2）。
图5-3-1线性探测法模块流程图
图5-3-2 拉链法模块流程图
5.4 各相关数据结构、算法间的对比
- search_by_phone_1: 根据电话号码在第一个哈希表中查找记录。首先使用hash_func_1函数计算电话号码的哈希值，然后在哈希表中循环查找，直到找到对应的记录或者遍历完整个哈希表。如果找到，则输出记录的姓名和地址，如果没有找到，则输出没有找到该人员信息。
- search_by_name_1: 根据姓名在第一个哈希表中查找记录。首先使用hash_func_1函数计算姓名的哈希值，然后在哈希表中循环查找，直到找到对应的记录或者遍历完整个哈希表。如果找到，则输出记录的电话号码和地址，如果没有找到，则输出没有找到该人员信息。
- insert_data_by_phone_1: 根据电话号码在第一个哈希表中插入记录。首先使用hash_func_1函数计算电话号码的哈希值，然后在哈希表中循环查找空闲位置插入记录。如果遍历了整个哈希表都没有空闲位置，则输出错误信息。
- insert_data_by_name_1: 根据姓名在第一个哈希表中插入记录。首先使用hash_func_1函数计算姓名的哈希值，然后在哈希表中循环查找空闲位置插入记录。如果遍历了整个哈希表都没有空闲位置，则输出错误信息。
- print_avg_lengths_phone_1：计算第一个哈希表中电话号码的平均查找长度。这个函数会遍历整个哈希表，查找每个记录对应的电话号码的查找长度，然后计算总长度的平均值。
- print_avg_lengths_name_1: 与print_avg_lengths_phone_1类似，计算第一个哈希表中姓名的平均查找长度。
- insert_by_phone_2: 根据电话号码在第二个哈希表中插入记录。首先hash_by_phone_2函数计算电话号码的哈希值，然后在对应的哈希值位置插入新节点。
- search_by_phone_2根据电话号码在第二个哈希表中查找记录：首先使用hash_by_phone_2函数计算电话号码的哈希值。根据哈希值找到相应的链表在链表中遍历每一个节点，如果找到匹配的电话号码输出信息，否则输出没有找到。
- insert_by_name_2: 根据姓名在第二个哈希表中插入记录。首先hash_by_name_2函数计算姓名的哈希值，然后在对应的哈希值位置插入新节点。
- search_by_name_2根据姓名在第二个哈希表中查找记录：首先使用hash_by_name_2函数计算姓名的哈希值。根据哈希值找到相应的链表在链表中遍历每一个节点，如果找到匹配的姓名输出信息，否则输出没有找到。
数据结构对比:
线性探测法（Open Addressing）：当发生冲突时，在哈希表中往后探测一个单位（如+1或+2），直到找到一个空位置。优点是在哈希表中使用空间更紧凑，缺点是当哈希表较满时，查询性能会受到影响。
- 拉链法（Chaining）：当发生冲突时，将哈希值相同的记录放入一个链表中。优点是当哈希表较满时，查询性能依然较好，缺点是需要额外的空间来存储
改进思路：开放定址法中可以使用双重散列函数，以减少冲突的可能。界面应该设计更加人性化，方便非专业人员使用，以及提高代码的健壮性，对程序进行不断的测试，测试出程序中，不严谨问题。
6.调试分析
本软件是基于Windows的编程开发，所以，软件调试必须在Windows环境下进行。调试前须做好准备工作：
1.需要安装Visual Studio 2019的计算机一台；
配置好之后，在Visual Studio 2019环境下进行软件的调试。
2.测试数据：
冲突选择输入：
在“main”模块中，根据控制台主界面提示，选择解决冲突的方式，键入数字1，会选择线性探测法（开放定址法），键入2会选择拉链法。
在“查询数据”模块中，根据主界面提示，键入数字2，确定，再按提示进行操作测试，键入姓名如小黑，确定，程序显示该姓名相关记录的所有信息，如果没有找到该姓名的记录，程序提示“该人员没有找到”。
3.算法改进设想：
开放定址法中可以使用双重散列函数，以减少冲突的可能。界面应该设计更加人性化，方便非专业人员使用，以及提高代码的健壮性，对程序进行不断的测试，测试出程序中，不严谨问题。
4.使用说明
1.电话号码为关键字建立的哈希表，按电话号码查询，线性探测法解决冲突，成功找到该人员并打印该人员信息和平均查找成功和失败长度。（如图7-1）
图7-1
2.电话号码为关键字建立的哈希表，按电话号码查询，拉链法解决冲突，成功找到该人员并打印该人员信息和平均查找成功和失败长度。（如图7-2）
如图7-2
3.姓名为关键字建立的哈希表，按姓名查询，线性探测法解决冲突，成功找到该人员并打印该人员信息和平均查找成功和失败长度。（如图7-3）
如图7-3
4.姓名为关键字建立的哈希表，按姓名查询，拉链法解决冲突，成功找到该人员并打印该人员信息和平均查找成功和失败长度。（如图7-4）
如图7-4
5.电话号码为关键字建立的哈希表，按电话号码查询，线性探测法解决冲突，没有找到该人员，打印平均查找成功和失败长度。（如图7-5）
（如图7-5）
6.电话号码为关键字建立的哈希表，按电话号码查询，拉链法解决冲突，没有找到该人员，打印平均查找成功和失败长度（如图7-6）
（如图7-6）
7.源代码（首尾一小部分，中间部分略）
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#define SIZE 7
typedef struct {
char phone[20];//电话号码
char name[20];//姓名
char address[100];//地址
} Record_1;
typedef struct {//结构体定义
Record_1 data;
int is_empty;
} HashNode;
struct Record_2 {
char phone[20];
char name[20];
char address[100];
struct Record_2* next;
};
unsigned int hash_func_1(const char* str) {//使用简单的哈希函数计算给定字符串的哈希值
unsigned int hash = 0;
while (*str) {
hash = hash * 31 + *str++;
}
return hash % SIZE;
}
void insert_data_by_phone_1(HashNode table[], Record_1 record_1) {//在哈希表中插入一条新记录，根据电话号码计算哈希值（第一个哈希表）
unsigned int index = hash_func_1(record_1.phone);
int cnt = 1;
while (1) {
if (table[index].is_empty == 0) {
table[index].data = record_1;
table[index].is_empty = 1;
return;
}
if (strcmp(table[index].data.phone, record_1.phone) == 0) {
printf("该电话 %s 已经存在\n", record_1.phone);
return;
}
index = (index + 1) % SIZE;
cnt++;
if (cnt == SIZE) {
printf("hash表已满！\n");
return;
}
}
}
int search_by_phone_1(HashNode table[], const char* phone) {//通过电话号码在哈希表中搜索记录，并打印该记录的姓名和地址（第一个哈希表）
unsigned int index = hash_func_1(phone);
int cnt = 0;
while (1) {
if (table[index].is_empty == 0) {
printf("没有找到该人员信息！\n");
return cnt;
}
if (strcmp(table[index].data.phone, phone) == 0) {
printf("姓名: %s, 地址： %s\n", table[index].data.name, table[index].data.address);
return cnt;
}
index = (index + 1) % SIZE;
cnt++;
if (cnt == SIZE) {
printf("没有找到该人员信息！\n");
return cnt;
}
}
}
int search_by_phone_11(HashNode table[], const char* phone) {
unsigned int index = hash_func_1(phone);
int cnt = 0;
while (1) {
if (table[index].is_empty == 0) {
//printf("没有找到该人员信息！\n");
return cnt;
}
if (strcmp(table[index].data.phone, phone) == 0) {
//printf("姓名: %s, 地址： %s\n", table[index].data.name, table[index].data.address);
return cnt;
}
index = (index + 1) % SIZE;
cnt++;
if (cnt == SIZE) {
//printf("没有找到该人员信息！\n");
return cnt;
}
}
}
void print_avg_lengths_phone_1(HashNode table[]) {//打印哈希表中每个桶的平均长度，根据电话号码计算哈希值（第一个哈希表）
char phone[20] = "qwer";
int total_count = 0;
int total_length = 0;
int fail_count = 0;
int fail_length = 0;
for (int i = 0; i < SIZE; i++) {
if (table[i].is_empty == 1) {
total_count++;
total_length += search_by_phone_11(table, table[i].data.phone);
fail_length += search_by_phone_11(table, phone);
}
}
printf("平均查找成功长度: %f\n", (float)total_length / total_count);//计算第一个哈希表中电话号码的平均查找长度（第一个哈希表）
printf("平均查找失败长度: %f\n", (float)fail_length / SIZE);
}
（中间部分略）。。。。。。
int main() {
int choice;
while (1) {
printf("\n-------------------------------------------------------------\n");
printf("*****************欢迎使用电话号码查询系统********************\n");
printf("-------------------------------------------------------------\n");
printf("请选择解决冲突的方法:\n");
printf("\t\t\t\t\t\t1.开放定址法\n");
printf("\t\t\t\t\t\t2.拉链法\n");
printf("\t\t\t\t\t\t请选择！\n");
printf("请输入：");
scanf("%d", &choice);
if (choice == 1) {
main1();
}
else if (choice = 2) {
main2();
}
else {
printf("输入错误！");
}
}
}
8.设计总结
在进行本次实验时，我学会了使用哈希表的相关算法，包括线性探测法和拉链法，并对比了这两种算法在实现上的不同。我还学会了在 C 语言中使用结构体来存储数据，以及如何使用链表来实现拉链法。
在实验过程中，我首先使用了线性探测法实现哈希表，并在该算法的基础上改进了拉链法的实现。通过对比两种算法的实现，我发现拉链法更加灵活，能够解决线性探测法中的冲突问题。
在实验中我还学会了如何对哈希表中的数据进行插入、查找等操作。通过实验，我们深刻地理解了哈希表在实际应用中的重要性，并增强了对算法实现的理解。
在实验过程中遇到了许多问题，包括：
- 计算姓名和电话号码的哈希值：使用hash_by_phone_2函数计算电话号码的哈希值，使用hash_by_name_2函数计算姓名的哈希值。
int hash_by_phone_2(char* phone) {//计算电话号码的哈希值
int hash = 0;
for (int i = 0; i < strlen(phone); i++) {
hash = (hash * 10 + phone[i] - '0') % SIZE;
}
return hash;
}
int hash_by_name_2(char* name) {//计算姓名的哈希值
int hash = 0;
for (int i = 0; i < strlen(name); i++) {
hash = (hash * 26 + name[i] - 'A') % SIZE;
}
return hash;
}
- 平均查找成功和失败长度的计算：如用print_avg_lengths_phone_1函数计算第一个哈希表中电话号码的平均查找长度。这个函数会遍历整个哈希表，查找每个记录对应的电话号码的查找长度，然后计算总长度的平均值，其中平均查找成功长度=对应的电话号码的查找成功总长度/哈希表元素个数；平均查找失败长度=对应的电话号码的查找失败总长度/哈希表表长。
- 调试过程中，出现返回值scanf被忽略，取消NULL指针对new_node的引用等警告，通过关闭配置属性里的SDL检查解决等等。
- 不足之处：没有实现用txt文件来读出与写入，保存学生信息，还有不熟练怎么向他人讲述清楚自己的代码等等，这些还需要自己下去更多的查阅资料和练习。
- 比较好的部分是，实现了不同冲突解决办法的平均长度比较。
总之，本次实验让我深入理解了哈希表的算法原理，并且提高了我的编程能力，为以后的算法学习打下了坚实的基础。
9.参考文献
[1]Robert L. Kruse，Data Structures And Program Design in C++，高等教育出版社，2001.5.
[2]严蔚敏等编著，数据结构（C 语言版），清华大学出版社，1997.4；
[3]赵文静等编著，数据结构与算法，科学出版社，2005.08；
[4]Clifford，A.Shaffer编著，数决结构与算法分析(C++版)，电子工业出版社，2005.7
[5] 赵文静编著，数据结构-C++语言描述，西安交通大学出版社，1999.01
[6] 孙鑫,于安萍编著，VC++深入详解，电子工业出版社，2007.7
[7] COHOON & DAVIDSON编著，C++程序设计，清华大学出版社，2005.8
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