10G個整數的文件中尋找中位數

10G個整數的文件中尋找中位數

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題目:在一個文件中有 10G 個整數,亂序排列,要求找出中位數。內存限制爲 2G。只寫出思路即可(內存限制爲 2G的意思就是,可以使用2G的空間來運行程序,而不考慮這臺機器上的其他軟件的佔用內存)。

分析:既然要找中位數,很簡單就是排序的想法。那麼基於字節的桶排序是一個可行的方法(請見《桶排序》):

思想:將整形的每1byte作爲一個關鍵字,也就是說一個整形可以拆成4個keys,而且最高位的keys越大,整數越大。如果高位keys相同,則比較次高位的keys。整個比較過程類似於字符串的字典序。

第一步:把10G整數每2G讀入一次內存,然後一次遍歷這536,870,912個數據。每個數據用位運算">>"取出最高8位(31-24)。這8bits(0-255)最多表示255個桶,那麼可以根據8bit的值來確定丟入第幾個桶。最後把每個桶寫入一個磁盤文件中,同時在內存中統計每個桶內數據的數量,自然這個數量只需要255個整形空間即可。

代價:(1) 10G數據依次讀入內存的IO代價(這個是無法避免的,CPU不能直接在磁盤上運算)。(2)在內存中遍歷536,870,912個數據,這是一個O(n)的線性時間複雜度。(3)把255個桶寫會到255個磁盤文件空間中,這個代價是額外的,也就是多付出一倍的10G數據轉移的時間。

第二步:根據內存中255個桶內的數量,計算中位數在第幾個桶中。很顯然,2,684,354,560個數中位數是第1,342,177,280個。假設前127個桶的數據量相加,發現少於1,342,177,280,把第128個桶數據量加上,大於1,342,177,280。說明,中位數必在磁盤的第128個桶中。而且在這個桶的第1,342,177,280-N(0-127)個數位上。N(0-127)表示前127個桶的數據量之和。然後把第128個文件中的整數讀入內存。(平均而言,每個文件的大小估計在10G/128=80M左右,當然也不一定,但是超過2G的可能性很小)。

代價:(1)循環計算255個桶中的數據量累加,需要O(M)的代價,其中m<255。(2)讀入一個大概80M左右文件大小的IO代價。

注意,變態的情況下,這個需要讀入的第128號文件仍然大於2G,那麼整個讀入仍然可以按照第一步分批來進行讀取。

第三步:繼續以內存中的整數的次高8bit進行桶排序(23-16)。過程和第一步相同,也是255個桶。

第四步:一直下去,直到最低字節(7-0bit)的桶排序結束。我相信這個時候完全可以在內存中使用一次快排就可以了。

整個過程的時間複雜度在O(n)的線性級別上(沒有任何循環嵌套)。但主要時間消耗在第一步的第二次內存-磁盤數據交換上,即10G數據分255個文件寫回磁盤上。一般而言,如果第二步過後,內存可以容納下存在中位數的某一個文件的話,直接快排就可以了。關於快排的效率,可以看看我博客中的數據《基於比較的內部排序總結》。
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