Еволюція хеш-таблиць та їх вплив на сучасне програмування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПЗВО «Харківський технологічний університет «ШАГ»

Еволюція хеш-таблиць та їх вплив на сучасне програмування

Макушенко Тимур Володимирович,

кандидат технічних наук, доцент

Десятниченко Олексій Володимирович,

кандидат технічних наук

Анотація

Дана стаття висвітлює значення та еволюцію хеш-таблиць у сучасному програмуванні. Вона розглядає історичний шлях розвитку цієї структури даних, від початкових концепцій до сучасних підходів, зокрема звертаючи увагу на технологічні зміни та індустріальні тенденції, що сформували її сучасну обличчя. Мета статті полягає в ретельному аналізі та розумінні еволюції хеш-таблиць та їхнього впливу на сучасне програмування, що може сприяти розвитку більш ефективних та продуктивних програмних рішень у майбутньому. Дослідження авторів охоплюють новітні тенденції у сфері оптимізації хеш-таблиць, управління колізіями та адаптації до вимог різноманітних програмних систем. Дослідження та висновки в даній наукові роботі зроблені на основі практичного досвіду авторів в сфер і інформаційних систем та технологій. Крім того, у статті проводиться аналіз впливу еволюції хеш-таблиць на сучасне програмування, зокрема їх роль у поліпшенні продуктивності, забезпеченні надійності та розширенні можливостей програмістів. Завдяки цьому аналізу, читачі отримають глибше розуміння сучасних тенденцій у використанні хеш-таблиць та їх важливості у контексті розвитку програмної індустрії. На основі отриманих результатів, в статті сформульовані висновки щодо перспектив подальшого розвитку хеш-таблиць та рекомендації стосовно напрямків майбутніх досліджень у даній області. Такий аналіз сприятиме подальшому вдосконаленню програмних рішень та підвищенню їхньої ефективності у майбутньому. Розглянуто найпоширеніші напрями застосувань хеш-таблиць, зокрема - кешування. Хеш-таблиці є потужним інструментом в арсеналі будь-якого програміста. Їх здатність забезпечувати швидкий і ефективний доступ до даних робить їх безцінними в сучасних завданнях програмування. Розуміючи концепцію хеш-таблиць та їх застосування, програмісти можуть використовувати цю універсальну структуру даних для підвищення продуктивності та ефективності свого коду.

Ключові слова: програмування, інформаційні системи та технології, хеш-таблиці, кешування, бази даних, веб-розробка, розподілені системи.

Makushenko Timur Volodymyrovych Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Private Higher Education Institution "Kharkiv University Of Technology "STEP", Kharkiv

Desyatnychenko Oleksiy Volodymyrovych PhD in Engineering, Private Higher Education Institution "Kharkiv University Of Technology "STEP", Kharkiv

EVOLUTION OF HASH TABLES AND THEIR IMPACT ON MODERN PROGRAMMING

Abstract

This article highlights the importance and evolution of hash tables in modern programming. It looks at the historical development of this data structure, from the initial concepts to modern approaches, in particular, paying attention to technological changes and industrial trends that have shaped its modern face. The article aims to thoroughly analyze and understand the evolution of hash tables and their impact on modern programming, which can contribute to the development of more efficient and productive software solutions in the future. The authors' research covers the latest trends in hash table optimization, collision management, and adaptation to the requirements of various software systems. The research and conclusions in this paper are based on the authors' practical experience in information systems and technologies. In addition, the article analyzes the impact of the evolution of hash tables on modern programming, in particular their role in improving performance, ensuring reliability, and expanding the capabilities of programmers. Thanks to this analysis, readers will gain a deeper understanding of current trends in the use of hash tables and their importance in the context of the software industry. Based on the results obtained, the article formulates conclusions about the prospects for further development of hash tables and recommendations for future research in this area. This analysis will contribute to further improvement of software solutions and increase their efficiency in the future. The most common applications of hash tables, in particular, caching, are considered. Hash tables are a powerful tool in the arsenal of any programmer. Their ability to provide fast and efficient access to data makes them invaluable in modern programming tasks. By understanding the concept of hash tables and their applications, programmers can use this versatile data structure to improve the performance and efficiency of their code.

Keywords: programming, information systems and technologies, hash tables, caching, databases, web development, distributed systems.

Вступ

Постановка проблеми. Відображення даних та ефективний доступ до них в сучасному програмуванні є критичними завданнями, особливо в умовах зростаючого обсягу і складності інформації. Одним з ключових інструментів для досягнення цих цілей є хеш-таблиці. Проте, з появою нових вимог та технологій, стандартні підходи до хеш-таблиць постійно еволюціонують, із завданням адаптації до сучасних потреб програмістів та оптимізації їхнього впливу на процес програмування.

Одна з головних проблем, яку необхідно вирішити, полягає в оптимізації продуктивності та ефективності хеш-таблиць у великих і розподілених системах. Сучасні програми обробляють величезні обсяги даних та вимагають швидкого доступу до них, що ставить під сумнів ефективність традиційних підходів до роботи з хеш-таблицями. Для забезпечення оптимальної продуктивності в умовах масштабування систем та потреби у швидкій обробці даних, виникає необхідність у нових методах і алгоритмах, що враховують ці вимоги.

Крім того, з появою нових областей програмування, таких як розподілені системи, обробка великих даних та блокчейн, виникають нові виклики для хеш-таблиць. Наприклад, вимоги до безпеки та конфіденційності даних у сфері криптографії можуть потребувати розробки спеціалізованих варіацій хеш-таблиць, які забезпечують високий рівень захисту даних.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Еволюція хеш-таблиць та їх вплив на сучасне програмування є темою, що привертає увагу дослідників та розробників у сфері комп'ютерних технологій. Хеш-таблиці займають центральне місце у багатьох алгоритмах та програмах, проте їхнє використання та функціональність постійно змінюються відповідно до нових вимог. Наприклад, група авторів Міхав В.В., Мелешко Є.В., Лавданський А.О. в своїх дослідженнях відзначають принципи побудови однорангових децентралізованих структурованих комп'ютерних мереж та створення списку узагальнених принципів їх роботи [1]. Жданова Ю.Д., Спасітєлєва С.О., Шевченко С.М., Кравчук К.В. детально розглядають прикладні та методичні аспекти використання хеш-функцій в інформаційній безпеці. Вони акцентують увагу на значенні цих функцій у забезпеченні конфіденційності, цілісності та автентичності даних [2]. Крім того, у роботі з криптографічними хеш-функціями автори оглядають різноманітні аспекти їх використання у сучасних системах захисту інформації [2]. Вони звертають увагу на важливість правильного вибору хеш-функцій та їх параметрів для забезпечення потрібного рівня безпеки. Додатково, деякі автори, такі як Розломій І.О., Семеренко В.П., Коробов А.С. [3, 4], досліджують конкретні аспекти застосування хеш - функцій, такі як підсилення паролів користувачів та реалізація технологій блокчейну. Вони демонструють широкий спектр можливостей застосування цих функцій у різних сферах інформаційної безпеки та криптографії. Тож, висвітлена в даній науковій роботі тема є актуальною та знаходиться в полі зору молодих і досвідчених вчених та практиків галузі інформаційних технологій.

Мета статті полягає в ретельному аналізі та розумінні еволюції хеш - таблиць та їхнього впливу на сучасне програмування, що може сприяти розвитку більш ефективних та продуктивних програмних рішень у майбутньому.

Виклад основного матеріалу

В сучасному програмуванні ефективність є ключовим фактором. Одним з найпотужніших інструментів в арсеналі програміста є хеш-таблиця. Хеш-таблиця, також відома як хеш-карта - це структура даних, яка зберігає пари ключ-значення. Ключ використовується для індексації значення в таблиці, що дозволяє швидко знаходити дані. Ключ хешується за допомогою хеш-функції, яка перетворює ключ в унікальне числове значення. Це значення потім використовується як індекс для зберігання і пошуку пов'язаного з ним значення.

Хеш-таблиці є одними з найважливіших структур даних у сучасному програмуванні, які забезпечують ефективний пошук, вставку та видалення даних. Вони представляють собою структури даних, що використовують певні функції для зберігання та швидкого доступу до даних. Функція, що відображає елемент множини ключів {0, 1,..., n-1} на множину індексів {0, 1,..., m-1} (m <n), називається хеш-функцією [5]. Основна ідея полягає у використанні хеш-функції, яка перетворює ключі на індекси в масиві. Це дозволяє зберігати дані у вигляді (ключ, значення) та швидко отримувати значення за його ключем. Якщо два ключі хешуються в одну й ту саму комірку, то говорять про виникнення колізії - ситуацію, яка потребує вирішення. У таких випадках застосовуються різні методи вирішення колізій. Один з них - відкрите хешування, де елементи з однаковими індексами зберігаються у зв'язних списках. Інший метод - закрите хешування, де елементи зберігаються безпосередньо у хеш-таблиці. Якщо комірка вже зайнята, використовується певний алгоритм для вибору нового індексу для елементу. Такий підхід дозволяє зберігати дані ефективно та оптимізувати доступ до них, що робить хеш-таблиці важливим інструментом у розвитку програмного забезпечення.

У сучасному програмуванні, хеш-таблиці відіграють важливу роль у багатьох аспектах розробки програмного забезпечення, де важливо швидко отримувати доступ до даних за ключем.

Хеш-таблиці є одними з ключових структур даних у сучасному програмуванні, які використовуються для зберігання та швидкого доступу до даних. Їх еволюція охоплює кілька важливих аспектів, що наведені на рис.1.

Рис. 1 Етапи еволюції Хеш-таблиць

хеш таблиця програмування

Початкові реалізації хеш-таблиць базувалися на простих алгоритмах хешування та розв'язання колізій, таких як метод ланцюжків або відкрите зонування. Ці методи забезпечували ефективність в середньому, але могли мати погану продуктивність в певних випадках.

З розвитком комп'ютерних технологій та розширенням обсягів даних виникла необхідність вдосконалення методів управління колізіями в хеш - таблицях. Були розроблені нові методи, такі як керування колізіями з використанням кластеризації, динамічне збільшення розміру таблиці та інші оптимізації, які забезпечують кращу продуктивність.

Криза в галузі криптографії, пов'язаний зі стійкістю хеш-функцій, найбільш яскраво проявилася в середині 2000-х років, американський інститут стандартів і технологій змусив оголосити конкурс на створення нового стандарту хешування - SHS (Secure Hash Standart). Переможець конкурсу алгоритмів хешування отримав ім'я хешфункції SHA-3 [6].

У сучасних програмних системах хеш-таблиці застосовуються у різних областях, від баз даних до криптографії. Це вимагає розробки спеціалізованих варіацій хеш-таблиць, які враховують особливості конкретного застосування, такі як шифрування, підтримка транзакцій або розподілений доступ до даних.

Останнім часом спостерігається тенденція до розширення функціональності хеш-таблиць. Це включає в себе додавання можливостей автоматичного масштабування, підтримки складних типів даних (наприклад, мультимапи або мультіхеш-таблиці) та підтримки паралельних обчислень для забезпечення кращої продуктивності в розподілених середовищах.

В цілому, еволюція хеш-таблиць продовжується в напрямку покращення продуктивності, адаптації до різноманітних вимог програмних систем та розширення їхньої функціональності для задоволення потреб сучасного програмування. Основна більшість атак в сучасних інформаційних системах та веб-додатках пов'язана з авторизацією користувача. Після введення користувачем даних, система перевіряє його логін та пароль. Дані авторизації не зберігаються в чистому вигляді, пароль, як правило зберігається в захешованому вигляді [4, с. 226].

Найпоширенішими напрямками застосувань хеш-таблиць є кешування, реалізація асоціативних масивів, побудова індексів в базах даних тощо. Кешування - це техніка, що використовується для зберігання копій часто використовуваних даних з метою прискорення доступу до них [5]. Хеш-таблиці часто використовуються для реалізації кешів, оскільки вони дозволяють швидко зберігати та отримувати доступ до даних за ключами. У багатьох мовах програмування хеш-таблиці використовуються для реалізації асоціативних масивів (також відомих як словники, мапи або асоціативні списки). Це дозволяє зберігати значення під відповідними ключами та ефективно отримувати доступ до них.

У базах даних хеш-таблиці використовуються для побудови індексів, що поліпшує швидкість пошуку та виконання запитів (рис. 2). При цьому значення індексу створюється за допомогою хеш-функцій, що дозволяє швидко знаходити рядки чи записи у базі даних. Хеш-таблиці також використовуються у веб-розробці для зберігання сесій користувачів, кешування сторінок та управління сесіями. У розподілених системах хеш-таблиці допомагають при розподілі навантаження та швидкому пошуку даних у великих обсягах.

Рис. 2 Приклад використання хеш-таблиць в базах даних

Відмінність криптографічної хеш-функції від інших хеш-функцій полягає в наступному [4, с.226]:

- стійкість до колізій першого роду - для будь-якого повідомлення P неможливо в реальному часі підібрати будь -яке інше повідомлення Q, для якого хеш-функція F(P)=F(Q);

- стійкість до колізій другого роду - неможливо в реальному часі підібрати пару повідомлень (P, P'), які мають однаковий хеш;

- необоротність - для установленого значення хеш-функції А неможливо в реальному часі знайти блок даних Х, хеш-функція якого F(X)=A.

Завдяки своїй ефективності хеш-таблиці широко використовуються в різних задачах програмування. Ось деякі з найпоширеніших застосувань хеш - таблиць:

- індексування баз даних - хеш-таблиці використовуються для швидкого пошуку даних, що дозволяє швидко отримувати інформацію.

- кешування - хеш-таблиці використовуються в механізмах кешування для зберігання даних, до яких часто звертаються, зменшуючи необхідність отримувати інформацію з повільних джерел.

- таблиці символів - хеш-таблиці використовуються для реалізації таблиць символів у мовах програмування, що дозволяє швидко знаходити імена змінних та пов'язані з ними значення.

- алгоритми, засновані на хешуванні: хеш-таблиці використовуються в різних алгоритмах, таких як хеш-алгоритми для ефективного пошуку і сортування даних.

Хеш-таблиці мають кілька переваг, які роблять їх незамінними в сучасному програмуванні. По -перше це швидкий час пошуку, бо саме вони забезпечують швидкий доступ до даних, що робить їх ідеальними для додатків, які потребують швидкого пошуку інформації. По-друге, ефективність використання пам'яті, оскільки хеш-таблиці можуть компактно зберігати великі обсяги даних, заощаджуючи ресурси пам'яті. Також, на нашу думку варто віднести і універсальність та маштабованість, бо їх можна використовувати для широкого спектру застосувань, від реалізації структур даних до оптимізації алгоритмів. Хеш -таблиці можуть масштабуватися, щоб пристосуватися до зростаючих наборів даних, що робить їх придатними для великомасштабних додатків.

Висновки

Хеш-таблиці є потужним інструментом в арсеналі будь - якого програміста. Їх здатність забезпечувати швидкий і ефективний доступ до даних робить їх безцінними в сучасних завданнях програмування. Розуміючи концепцію хеш-таблиць та їх застосування, програмісти можуть використовувати цю універсальну структуру даних для підвищення продуктивності та ефективності свого коду.

Література

1. Міхав В. В., Мелешко Є. В., Лавданський А. О. Дослідження принципів роботи однорангових децентралізованих структурованих комп'ютерних мереж. V Міжнародна науково-практична конференція "Інформаційна безпека та комп'ютерні технології С. 51-52 URL: https://www.kntu.kr.ua/doc/science/zahody/vikl/2023/1-tez.pdf

2. Жданова Ю.Д., Спасітєлєва С.О., Шевченко С.М., Кравчук К.В. Прикладні та методичні спекти застосування хеш-функцій в інформаційній безпеці. Кібербезпека: освіта, наука, техніка. № 4(8), 2020. URL: https://elibrary.kubg.edu.ua/id/eprint/31942/1/Y_Zhdanov% D0%B0_S_Spasiteleva%20_S_Shevchenko_K_Kravchuk_4_8.pdf

3. Розломій І.О. Методи підсилення хеш-функцій паролю при авторизації користувачів. Вісник Хмельницького національного університету., №1, 2020 (281), с. 225-229

4. Семеренко, В. П., Коробов, А. С. (2020). Реалізація технології блокчейну на основі потокових хеш-функцій (Doctoral dissertation, ВНТУ).

5. Алгоритми і структури даних URL: http://elcat.pnpu.edu.ua/docs/%D0%90%D0% BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%82%D0%BC%D0%B8%20%D1%96%20%D1% 81 %D 1%82%D 1%80%D1 %83%D0%BA%D 1 %82%D 1%83%D 1%80%D0%B 8%20%D0%B4% D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%85/index.html

6. Лехіцька Н.О. Хеш-функція Кессак і конструкція Sponge, як універсальний криптопримітив. URL: https://elartu.tntu.edu.ua/bitstream/123456789/9555/2/Conf_2013v1_ Lekhitska_N_O-Khesh_funktsiia_Keccak_i_88.pdf

7. Криптографічні хеш-функції. URL: https://ami.lnu.edu.ua/wp-content/uploads/2022/ 06/Cryptology9.pdf

References

1. Mikhav V. V., Meleshko Ye. V., Lavdanskyi A. O. Doslidzhennia pryntsypiv roboty odnoranhovykh detsentralizovanykh strukturovanykh kompiuternykh merezh [Study of the principles of operation of peer-to-peer decentralized structured computer networks]. VI Mizhnarodna naukovo-praktychna konferentsiia "Informatsiina bezpeka ta kompiuterni tekhnolohii (рр. 51 -52). Retrieved from: https://www.kntu.kr.ua/doc/science/zahody/vikl/2023/1-tez.pdf [in Ukrainian].

2. Zhdanova Yu.D., Spasitielieva S.O., Shevchenko S.M., Kravchuk K.V. (2020) Prykladni ta metodychni spekty zastosuvannia khesh-funktsii v informatsiinii bezpetsi. [Applied and methodological aspects of the use of hash functions in information security] Kiberbezpeka: osvita, nauka, tekhnika. № 4(8), Retrieved from: https://elibrary.kubg.edu.ua/id/eprint/31942/!/ Y_Zhdanov%D0%B0_S_Spasiteleva%20_S_Shevchenko_K_Kravchuk_4_8.pdf [in Ukrainian].

3. Rozlomii I.O. (2020) Metody pidsylennia khesh-funktsii paroliu pry avtoryzatsii korystuvachiv. [Methods of strengthening password hash functions during user authorization] VisnykKhmelnytskoho natsionalnoho universytetu., №1, 225-229 [in Ukrainian].

4. Semerenko, V. P., Korobov, A. S. (2020). Realizatsiia tekhnolohii blokcheinu na osnovi potokovykh khesh-funktsii [Implementation of blockchain technology based on streaming hash functions] (Doctoral dissertation, VNTU) [in Ukrainian].

5. Alhorytmy i struktury danykh. [Algorithms and data structures] Retrieved from: http://elcat.pnpu.edu.ua/docs/%D0%90%D0%BB%D0%B3%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1% 82%D0%BC%D0%B 8%20%D 1 %96%20%D 1%81 %D 1 %82%D 1 %80%D 1%83%D0%BA%D1 % 82%D1%83%D1%80%D0%B8%20%D0%B4%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%85/index.html [in Ukrainian].

6. Lekhitska N.O. Khesh-funktsiia Kessak i konstruktsiia Sponge, yak universalnyi kryptoprymityv. [The Kessack hash function and the Sponge construction as a universal crypto primitive.] Retrieved from: https://elartu.tntu.edu.ua/bitstream/123456789/9555/2/Conf_2013v1_ Lekhitska_N_O-Khesh_funktsiia_Keccak_i_88.pdf [in Ukrainian].

7. Kryptohrafichni khesh-funktsii. [Cryptographic hash functions]. Retrieved from: https://ami.lnu.edu.ua/wp-content/uploads/2022/06/Cryptology9.pdf [in Ukrainian].

Размещено на Allbest.ru