Hashing

Du tauchst in die faszinierende Welt des Hashing ein, einem Schlüsselkonzept der Informatik und Datenverarbeitung. In diesem Artikel erkundest du die Basis des Hashings, seine Bedeutung und Anwendung, verstehst die Unterschiede zwischen den verschiedenen Hash-Verfahren und bekommst praktische Einblicke, wie Hashing in Python angewendet wird. Dabei wird immer darauf geachtet, ein solides Grundverständnis zu schaffen und praktische Beispiele bereitzustellen, um Python-spezifisches Hashing in Angriff zu nehmen.

Hashing Hashing

Erstelle Lernmaterialien über Hashing mit unserer kostenlosen Lern-App!

  • Sofortiger Zugriff auf Millionen von Lernmaterialien
  • Karteikarten, Notizen, Übungsprüfungen und mehr
  • Alles, was du brauchst, um bei deinen Prüfungen zu glänzen
Kostenlos anmelden
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsangabe

    Einführung in Hashing und Algorithmen

    Die Informatik ist ein dynamisches Feld, das sich kontinuierlich weiterentwickelt. Eine Konstante in diesem schnellen Bereich ist die Notwendigkeit, Daten effizient zu speichern und zu verarbeiten. Hier kommt das Hashing ins Spiel. Hashing ist eine effiziente Methode, um Daten schnell zu lokalisieren und aufzurufen. Es nutzt Algorithmen, um eine große Menge an Daten auf eine kleinere Menge von einzigartigen Schlüsseln abzubilden.

    Hashing besteht darin, über eine Hashfunktion Eingabewerte (sogenannte Schlüssel) so abzubilden, dass diese Werte später über dieselbe Hashfunktion wiederauffindbar sind. Der resultierende Hashwert (auch Hashcode genannt) ist meistens ein Integer, der binnen einer Datenstruktur, der sogenannten Hashtabelle, einem eindeutigen Speicherplatz zugeordnet wird.

    Hashing Definition: Der Schlüssel zur Datenstruktur

    Hashing ist ein vielseitig einsetzbares Tool. Das Wesen des Hashings ist es, die Suchzeit zu minimieren und gleichzeitig den Speicherplatz zu maximieren. Dafür muss die Hashfunktion eine möglichst eindeutige und gleichmäßige Verteilung der Schlüssel in der Hashtable bewirken.

    Eine Hashtabelle ist eine Datenstruktur, die die Speicherung, den Zugriff und das Löschen von Daten erheblich beschleunigen kann. Sie besteht aus einer festgelegten Anzahl von sogenannten Buckets (Behältern). Jeder dieser Buckets kann eine oder mehrere Dateneinträge (Schlüssel-Wert-Paare) aufnehmen.

    Bedeutung von Hashing in der Informatik

    In der Informatik spielt das Hashing eine wichtige Rolle. Seien es Datenbanken, Caches, Arrays oder andere Datenstrukturen, Hashing ist eine der effizientesten Methoden, um Daten zu speichern und abzurufen. Bei einer gut gewählten Hashfunktion können Datensätze in konstanter Zeit abgerufen werden, unabhängig von der Größe der Datenmenge.

    Beliebte Anwendungsgebiete sind auch die Bild- und Texterkennung, die Überprüfung von Datenintegrität oder die Implementierung von Assoziativspeichern. In einigen Fällen wird Hashing sogar zur Verschlüsselung und zur sicheren Speicherung von Passwörtern verwendet.

    Hashing Beispiel: Veranschaulichung des Prozesses

    Ein Beispiel kann die Kernidee des Hashings verdeutlichen: Angenommen, es gibt eine Bibliothek mit Millionen von Büchern. Statt jedes Buch einzeln durchzugehen, um einen speziellen Titel zu finden, wäre es effizienter, wenn jedes Buch einen eindeutigen Code hätte – den Hashcode.

    Die Bücher sind in Behältern (Buckets) nach ihrem Hashcode sortiert. Um ein bestimmtes Buch zu finden, berechnet man einfach den Hashcode des gesuchten Buchtitels und findet so direkt den richtigen Behälter. Diese Methode läuft deutlich schneller ab, als das gesamte Bücherregal zu durchsuchen.

    Anwendung von Hashing in Python

    Die Programmiersprache Python bietet eine eingebaute Hashfunktion. Sie erzeugt einen Hashcode für jedes eindeutige Objekt und speichert diesen. Bei Bedarf wird der Hashcode dann zum schnellen Aufsuchen des Objekts verwendet.

     
    # Python code to demonstrate the working of hashing
    def hashing_function(key):
        return key % 10
    
    print(hashing_function(77)) # Output: 7
    

    Dieser Hashing-Prozess läuft in der Regel unbemerkt im Hintergrund ab. Er ist nur dann sichtbar, wenn bewusst auf ihn zugegriffen wird, etwa durch Abrufen der Hashfunktion.

    Hashing: Verschiedene Verfahren und ihre Anwendung

    Es gibt verschiedene Arten von Hashing-Verfahren, die auf unterschiedlichen Algorithmen basieren und für verschiedene Anwendungsfälle eingesetzt werden. Die gebräuchlichsten sind das Division-Hashing, das Multiplikative Hashing und das Mid-Square-Hashing. Jede Methode hat ihre Vor- und Nachteile, abhängig von den spezifischen Anforderungen.

    Hashwert: Was versteht man darunter?

    Ein Hashwert - oft auch Hashcode genannt - ist das Ergebnis einer Hashfunktion und stellt in gewisser Weise den "Fingerabdruck" eines Datenelements dar. Ein guter Hashwert ist einzigartig und lässt sich problemlos auf sein Ursprungselement zurückführen. Er verweist auf den genauen Speicherplatz eines Elements in einer Hashtabelle. Im Idealfall sollte jede Eingabe einen eindeutigen Hashwert erzeugen, um Kollisionen zu vermeiden.

    Ein Kollisionsfall tritt auf, wenn zwei verschiedene Eingaben den gleichen Hashwert erzeugen. In solchen Fällen sind spezielle Strategien notwendig, um die Daten dennoch eindeutig speichern und abrufen zu können, z.B. die Methode des Offenen Hashings oder die des Geschlossenen Hashings.

    Angenommen, du verwendest eine einfache Hashfunktion, die die Länge des Eingabewortes als Hashwert nutzt. Bei dieser Funktion hätten die Worte "Haus" und "Baum", beide vier Buchstaben lang, den gleichen Hashwert. Das wäre ein Kollisionsfall, der mit einer ausgeklügelteren Hashfunktion vermeidbar wäre.

    Hashing Suche: Funktionsweise und Anwendung

    Das Prinzip des Hashings eignet sich hervorragend für Suchoperationen in großen Datenmengen. Bei einer Hashing-Suche wird der gesuchte Schlüssel zunächst der Hashfunktion zugeführt, welche wiederum den entsprechenden Hashwert liefert. Da der Hashwert den Speicherplatz des Elements in der Hashtabelle definiert, kann das Element schnell gefunden und ausgegeben werden.

    Hashfunktion Ursprungselement Hashwert
    \( f(x) = x \mod 10 \) 77 7
    \( f(x) = x \mod 10 \) 35 5
    \( f(x) = x \mod 10 \) 20 0

    Dieses Beispiel zeigt die Anwendung der Modulo-10-Hashfunktion auf drei verschiedene Eingaben. Der Hashwert ergibt sich durch die Division des Eingabewertes durch 10 und die Rückgabe des Restes als Resultat.

    Hashing Verfahren: Unterschiede und Auswahlkriterien

    Es gibt viele verschiedene Hashing-Verfahren, wobei die Wahl des passenden Verfahrens stark von den spezifischen Bedürfnissen und Anforderungen abhängt. Hier sind einige bekannte Verfahren:

    • Division-Hashing: nutzt den Rest der Division als Hashwert.
    • Multiplikative Hashing: multipliziert den Schlüssel mit einer Konstanten.
    • Mid-Square-Hashing: quadriert den Schlüssel und extrahiert die mittleren Ziffern.

    Beim Auswahl der Hashfunktion spielen mehrere Faktoren eine Rolle, z. B. die benötigte Rechengeschwindigkeit, das Auftreten von Kollisionen und die Qualität der Schlüsselverteilung. Letzteres meint, wie gleichmäßig die Hashfunktion die Schlüssel über die gesamte Hashtabelle verteilt.

    Hashing in Python: Code-Beispiel

    In Python ist das Hashing ein zentraler Bestandteil des Sprachdesigns. Set- und Dictionary-Datenstrukturen nutzen Hashing, um Elemente schnell zu speichern und abzurufen. Python stellt die eingebaute Funktion hash() zur Verfügung, die die Hashfunktion eines Objekts aufruft.

     
    # Python code to demonstrate the usage of hash()
    word = 'Hello'
    hash_code = hash(word)
    print(hash_code) # Output: a unique integer
    

    Das obige Beispiel ruft die Hashfunktion von Python auf einer Zeichenkette auf. Es liefert einen einzigartigen Hashcode für die Zeichenkette, der zur schnellen Suche und Speicherung des Elements in einer Hashtabelle genutzt werden kann.

    Hashing besser verstehen

    Um die Funktionsweise des Hashings umfassend zu verstehen, muss man sich mit den technischen Details und den Gründen für seine Wichtigkeit in der Informatik auseinandersetzen. Nicht zuletzt kann es auch hilfreich sein, selbst einen Hash mit Python zu erstellen und zu überprüfen, um das Konzept in der Praxis anzuwenden.

    Hash Erklärung: Technischer Hintergrund

    In technischer Hinsicht ist das Hashing ein Prozess, bei dem ein Hashfunktion eine große Menge von Daten (in Form von Schlüsseln) auf eine kleinere Menge von Werten (Hashwerte) abbildet. Diese Hashwerte verweisen sodann auf Speicherplätze in einer Hashtabelle.

    Der Hashwert ist das Resultat einer Hashfunktion und fungiert wie der "Fingerabdruck" eines bestimmten Schlüssels. Zu beachten ist jedoch, dass zwei verschiedene Schlüssel den gleichen Hashwert erzeugen und somit eine Kollision verursachen können. Verschiedene Strategien sind entwickelt worden, um solche Kollisionen zu behandeln.

    Hashfunktionen sind in der Regel deterministisch, d.h. sie liefern bei gleicher Eingabe stets denselben Ausgabewert. Zudem ist eine gute Hashfunktion in der Lage, die Schlüssel gleichmäßig über die Hashtabelle zu verteilen, um eine effiziente Suche und Speicherung zu ermöglichen.

    Einige Hashfunktionen nutzen zusätzlich sogenannte Salts, um ein erweitertes Maß an Sicherheit zu gewährleisten. Diese bestehen aus zufälligen Daten, die als Eingabe zur Hashfunktion hinzugefügt werden und so verhindern, dass gleiche Eingaben zu gleichen Hashwerten führen.

    Warum ist Hashing wichtig in der Informatik?

    Hashing ist ein essentielle Methode in der Informatik und spielt eine zentrale Rolle in vielen Bereichen, insbesondere wenn es darum geht, Daten schneller zu speichern und abzurufen. Mit Hilfe des Hashings liefert eine Anfrage zur Datenabfrage in der Regel in konstanter Zeit ein Ergebnis und der benötigte Speicherplatz ist optimal ausgenutzt. Daher benutzen viele Datenstrukturen und Algorithmen, wie zum Beispiel Hash-Tabellen, Bloom-Filter und viele Kryptographie-Algorithmen, das Hashing.

    Stellen wir uns eine Online-Plattform mit Millionen von Benutzern vor. Wenn ein Benutzer sein Passwort eingibt, um sich anzumelden, wäre es sehr ineffizient, das eingegebene Passwort mit allen gespeicherten Passwörtern zu vergleichen. Stattdessen wird das eingegebene Passwort durch die Hashfunktion in einen Hashwert umgewandelt und nur dieser wird mit dem gespeicherten Hashwert verglichen. Dieser Prozess ist deutlich schneller und sicherer, da das ursprüngliche Passwort nie direkt abgespeichert wird.

    Erstelle deinen eigenen Hash mit Python

    Python ist eine der vielen Programmiersprachen, die eine eingebaute Hashfunktion bietet. Die Syntax ist einfach und unkompliziert und somit ideal, um das Hashing-Konzept praktisch zu erlernen. Hier ist ein einfaches Beispiel, wie du deinen eigenen Hash in Python erstellen kannst:

     
    # Python Code to create a hash
    def create_hash(input_string):
        return hash(input_string)
      
    input_string = "Hello World"
    print(create_hash(input_string)) # Output: a unique integer
    

    Dieser Code definiert eine Funktion, die die eingebaute Python hash() Funktion auf einen Eingabestring anwendet und den resultierenden Hashwert zurückgibt.

    Während der Python-Hash für die meisten Anwendungsfälle ausreichend ist, gibt es spezielle Bibliotheken wie hashlib, die zusätzliche Funktionen für kryptographische Hashes zur Verfügung stellen. Zum Beispiel, um den SHA256 Hash eines Strings zu erstellen, könntest du den folgenden Code verwenden:

     
    import hashlib
    
    def create_hash(input_string):
        return hashlib.sha256(input_string.encode()).hexdigest()
      
    input_string = "Hello World"
    print(create_hash(input_string)) # Output: a unique SHA256 Hash
    

    Überprüfe deinen Hash: Eine praktische Anleitung

    Einer der Vorteile eines Hash-Verfahrens ist die Möglichkeit, die Vereinbarkeit eines gegebenen Schlüssels mit einem bereits vorhandenen Hashwert zu überprüfen. Hier ist ein einfaches Python-Skript, das diese Funktionsweise veranschaulicht:

     
    # Python code to verify a hash
    def verify_hash(input_string, hash_value):
        return hash(input_string) == hash_value
    
    input_string = "Hello World"
    hash_value = hash(input_string)
    print(verify_hash(input_string, hash_value)) # Output: True
    

    Dieser Code überprüft, ob der Hashwert des eingegebenen Strings dem bereits vorhandenen Hashwert entspricht. Ist dies der Fall, so gibt die Funktion True zurück, ansonsten False. Das ist eine einfache und doch wirksame Methode, um die Integrität von Daten zu gewährleisten oder um Passwörter zu überprüfen, ohne sie direkt zu speichern.

    Hashing - Das Wichtigste

    • Hashing: effiziente Methode zur schnellen Lokalisierung und Aufruf von Daten mithilfe von Algorithmen.
    • Hashfunktion: Prozess, der Eingabewerte abbildet, sodass diese später wiederauffindbar sind; der resultierende Hashwert verweist auf einen eindeutigen Speicherplatz in der Hashtabelle.
    • Hashtabelle: Datenstruktur, die aus Buckets besteht und die Speicherung, Zugriff und Löschen von Daten beschleunigt.
    • Anwendung von Hashing: Datenbanken, Caches, Arrays, Texterkennung, Datenintegritätsprüfung, sichere Passwortspeicherung usw.
    • Division-, Multiplikative- und Mid-Square-Hashing: Verschiedene Hashing-Verfahren mit Vor- und Nachteilen, die auf unterschiedlichen Algorithmen basieren.
    • Kollisionsfall: Situation, in der zwei verschiedene Eingaben denselben Hashwert erzeugen und spezielle Strategien zur eindeutigen Speicherung und Abruf von Daten erforderlich sind.
    Hashing Hashing
    Lerne mit 12 Hashing Karteikarten in der kostenlosen StudySmarter App

    Wir haben 14,000 Karteikarten über dynamische Landschaften.

    Mit E-Mail registrieren

    Du hast bereits ein Konto? Anmelden

    Häufig gestellte Fragen zum Thema Hashing
    Was ist Hashing?
    Hashing ist ein Prozess in der Informatik, bei dem eine Hashfunktion verwendet wird, um Daten beliebiger Größe in eine feste Anzahl von Bytes umzuwandeln. Dies resultiert in einem Hashwert oder Hashcode, der für Such- und Vergleichsoperationen verwendet wird.
    Wie funktioniert Hash?
    Ein Hash-Verfahren nimmt Eingabedaten beliebiger Größe (z.B. Text, Bild, etc.), verarbeitet diese durch einen spezifischen Hash-Algorithmus und erzeugt daraus einen eindeutigen Hash-Wert fixer Größe. Der gleiche Eingabewert führt immer zum gleichen Hash-Wert, aber minimale Änderungen im Eingabewert führen zu komplett unterschiedlichen Hash-Werten.
    Was ist der Hash-Wert?
    Der Hash-Wert ist das Ergebnis einer Hash-Funktion, die aus einem beliebig großen Dateninput einen fixierten Output von definierte Länge generiert. Dieser Wert ist praktisch einzigartig für die ursprünglichen Daten und dient oft zur Schnellprüfung auf Datengleichheit.
    Was passiert beim Hashing?
    Beim Hashing wird eine Eingabe jeglicher Länge (z.B. eine Datei oder ein Passwort) über eine Hashfunktion in eine kürzere, feste Länge von Zeichen - den sogenannten Hashwert - umgewandelt. Dieser Prozess ist typischerweise einwegig, d.h., aus dem Hashwert kann die ursprüngliche Eingabe nicht zurückgewonnen werden.

    Teste dein Wissen mit Multiple-Choice-Karteikarten

    Was genau ist Hashing in der Informatik?

    Was ist der Zweck einer Hashfunktion?

    Was ist eine Hashtabelle und wie funktioniert sie?

    Weiter
    1
    Über StudySmarter

    StudySmarter ist ein weltweit anerkanntes Bildungstechnologie-Unternehmen, das eine ganzheitliche Lernplattform für Schüler und Studenten aller Altersstufen und Bildungsniveaus bietet. Unsere Plattform unterstützt das Lernen in einer breiten Palette von Fächern, einschließlich MINT, Sozialwissenschaften und Sprachen, und hilft den Schülern auch, weltweit verschiedene Tests und Prüfungen wie GCSE, A Level, SAT, ACT, Abitur und mehr erfolgreich zu meistern. Wir bieten eine umfangreiche Bibliothek von Lernmaterialien, einschließlich interaktiver Karteikarten, umfassender Lehrbuchlösungen und detaillierter Erklärungen. Die fortschrittliche Technologie und Werkzeuge, die wir zur Verfügung stellen, helfen Schülern, ihre eigenen Lernmaterialien zu erstellen. Die Inhalte von StudySmarter sind nicht nur von Experten geprüft, sondern werden auch regelmäßig aktualisiert, um Genauigkeit und Relevanz zu gewährleisten.

    Erfahre mehr
    StudySmarter Redaktionsteam

    Team Hashing Lehrer

    • 11 Minuten Lesezeit
    • Geprüft vom StudySmarter Redaktionsteam
    Erklärung speichern

    Lerne jederzeit. Lerne überall. Auf allen Geräten.

    Kostenfrei loslegen

    Melde dich an für Notizen & Bearbeitung. 100% for free.

    Schließ dich über 22 Millionen Schülern und Studierenden an und lerne mit unserer StudySmarter App!

    Die erste Lern-App, die wirklich alles bietet, was du brauchst, um deine Prüfungen an einem Ort zu meistern.

    • Karteikarten & Quizze
    • KI-Lernassistent
    • Lernplaner
    • Probeklausuren
    • Intelligente Notizen
    Schließ dich über 22 Millionen Schülern und Studierenden an und lerne mit unserer StudySmarter App!