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    败者树 多路平衡归并外部排序

    分类： Algorithm 2012-05-02 11:46 309人阅读 评论(0) 收藏 举报
    mergeoutputbufferinput算法tree

    败者树 多路平衡归并外部排序

    归并排序败者树c

    一 外部排序的基本思路

    假设有一个72KB的文件，其中存储了18K个整数，磁盘中物理块的大小为4KB，将文件分成18组，每组刚好4KB。

    首先通过18次内部排序，把18组数据排好序，得到初始的18个归并段R1~R18，每个归并段有1024个整数。

    然后对这18个归并段使用4路平衡归并排序：

    第1次归并：产生5个归并段

    R11   R12    R13    R14    R15

    其中

    R11是由{R1,R2,R3,R4}中的数据合并而来

    R12是由{R5,R6,R7,R8}中的数据合并而来

    R13是由{R9,R10,R11,R12}中的数据合并而来

    R14是由{R13,R14,R15,R16}中的数据合并而来

    R15是由{R17,R18}中的数据合并而来

    把这5个归并段的数据写入5个文件：

    foo_1.dat    foo_2.dat    foo_3.dat     foo_4.dat     foo_5.dat

     

    第2次归并：从第1次归并产生的5个文件中读取数据，合并，产生2个归并段

    R21  R22

    其中R21是由{R11,R12,R13,R14}中的数据合并而来

    其中R22是由{R15}中的数据合并而来

    把这2个归并段写入2个文件

    bar_1.dat   bar_2.dat

     

    第3次归并：从第2次归并产生的2个文件中读取数据，合并，产生1个归并段

    R31

    R31是由{R21,R22}中的数据合并而来

    把这个文件写入1个文件

    foo_1.dat

    此即为最终排序好的文件。

     

    二 使用败者树加快合并排序

    外部排序最耗时间的操作时磁盘读写，对于有m个初始归并段，k路平衡的归并排序，磁盘读写次数为

    |logkm|，可见增大k的值可以减少磁盘读写的次数，但增大k的值也会带来负面效应，即进行k路合并

    的时候会增加算法复杂度，来看一个例子。

    把n个整数分成k组，每组整数都已排序好，现在要把k组数据合并成1组排好序的整数，求算法复杂度

    u1: xxxxxxxx

    u2: xxxxxxxx

    u3: xxxxxxxx

    .......

    uk: xxxxxxxx

    算法的步骤是：每次从k个组中的首元素中选一个最小的数，加入到新组，这样每次都要比较k-1次，故

    算法复杂度为O((n-1)*(k-1))，而如果使用败者树，可以在O(logk)的复杂度下得到最小的数，算法复杂

    度将为O((n-1)*logk)， 对于外部排序这种数据量超大的排序来说，这是一个不小的提高。

     

    关于败者树的创建和调整，可以参考清华大学《数据结构-C语言版》

     

    三 产生二进制测试数据

    打开Linux终端，输入命令

    dd if=/dev/urandom of=random.dat bs=1M count=512

     这样在当前目录下产生一个512M大的二进制文件，文件内的数据是随机的，读取文件，每4个字节

    看成1个整数，相当于得到128M个随机整数。

     

    四 程序实现

     

    C代码  收藏代码
    1. #include <assert.h>  
    2. #include <fcntl.h>  
    3. #include <stdio.h>  
    4. #include <stdlib.h>  
    5. #include <string.h>  
    6. #include <unistd.h>  
    7.   
    8. #include <sys/time.h>  
    9. #include <sys/types.h>  
    10. #include <sys/stat.h>  
    11.   
    12. #define MAX_INT ~(1<<31)  
    13. #define MIN_INT 1<<31  
    14.   
    15. //#define DEBUG  
    16.   
    17. #ifdef DEBUG  
    18. #define debug(...) debug( __VA_ARGS__)   
    19. #else  
    20. #define debug(...)  
    21. #endif  
    22.   
    23. #define MAX_WAYS 100  
    24.   
    25. typedef struct run_t {  
    26.     int *buf;       /* 输入缓冲区 */  
    27.     int length;     /* 缓冲区当前有多少个数 */  
    28.     int offset;     /* 缓冲区读到了文件的哪个位置 */  
    29.     int idx;        /* 缓冲区的指针 */  
    30. } run_t;  
    31.   
    32. static unsigned int K;              /* K路合并 */  
    33. static unsigned int BUF_PAGES;      /* 缓冲区有多少个page */  
    34. static unsigned int PAGE_SIZE;      /* page的大小 */  
    35. static unsigned int BUF_SIZE;       /* 缓冲区的大小, BUF_SIZE = BUF_PAGES*PAGE_SIZE */  
    36.   
    37. static int *buffer;                 /* 输出缓冲区 */  
    38.   
    39. static char input_prefix[] = "foo_";  
    40. static char output_prefix[] = "bar_";  
    41.   
    42. static int ls[MAX_WAYS];            /* loser tree */  
    43.   
    44. void swap(int *p, int *q);  
    45. int partition(int *a, int s, int t);  
    46. void quick_sort(int *a, int s, int t);  
    47. void adjust(run_t ** runs, int n, int s);  
    48. void create_loser_tree(run_t **runs, int n);  
    49. long get_time_usecs();  
    50. void k_merge(run_t** runs, char* input_prefix, int num_runs, int base, int n_merge);  
    51. void usage();  
    52.   
    53.   
    54. int main(int argc, char **argv)  
    55. {  
    56.     char                filename[100];  
    57.     unsigned int    data_size;  
    58.     unsigned int    num_runs;               /* 这轮迭代时有多少个归并段 */  
    59.     unsigned int    num_merges;             /* 这轮迭代后产生多少个归并段 num_merges = num_runs/K */  
    60.     unsigned int    run_length;             /* 归并段的长度，指数级增长 */  
    61.     unsigned int    num_runs_in_merge;      /* 一般每个merge由K个runs合并而来，但最后一个merge可能少于K个runs */  
    62.     int                 fd, rv, i, j, bytes;  
    63.     struct stat         sbuf;  
    64.   
    65.     if (argc != 3) {  
    66.         usage();  
    67.         return 0;  
    68.     }  
    69.     long start_usecs = get_time_usecs();  
    70.   
    71.     strcpy(filename, argv[1]);  
    72.     fd = open(filename, O_RDONLY);  
    73.     if (fd < 0) {  
    74.         printf("can't open file %s\n", filename);  
    75.         exit(0);  
    76.     }  
    77.     rv = fstat(fd, &sbuf);  
    78.     data_size = sbuf.st_size;  
    79.   
    80.     K = atoi(argv[2]);  
    81.     PAGE_SIZE = 4096;                           /* page = 4KB */  
    82.     BUF_PAGES = 32;  
    83.     BUF_SIZE = PAGE_SIZE*BUF_PAGES;  
    84.     num_runs = data_size / PAGE_SIZE;           /* 初始时的归并段数量，每个归并段有4096 byte, 即1024个整数 */  
    85.     buffer = (int *)malloc(BUF_SIZE);  
    86.   
    87.     run_length = 1;  
    88.     run_t **runs = (run_t **)malloc(sizeof(run_t *)*(K+1));  
    89.     for (i = 0; i < K; i++) {  
    90.         runs[i] = (run_t *)malloc(sizeof(run_t));  
    91.         runs[i]->buf = (int *)calloc(1, BUF_SIZE+4);  
    92.     }  
    93.     while (num_runs > 1) {  
    94.         num_merges = num_runs / K;  
    95.         int left_runs = num_runs % K;  
    96.         if(left_runs > 0) num_merges++;  
    97.         for (i = 0; i < num_merges; i++) {  
    98.             num_runs_in_merge = K;  
    99.             if ((i+1) == num_merges && left_runs > 0) {  
    100.                 num_runs_in_merge = left_runs;  
    101.             }  
    102.             int base = 0;  
    103.             printf("Merge %d of %d,%d ways\n", i, num_merges, num_runs_in_merge);  
    104.             for (j = 0; j < num_runs_in_merge; j++) {  
    105.                 if (run_length == 1) {  
    106.                     base = 1;  
    107.                     bytes = read(fd, runs[j]->buf, PAGE_SIZE);  
    108.                     runs[j]->length = bytes/sizeof(int);  
    109.                     quick_sort(runs[j]->buf, 0, runs[j]->length-1);  
    110.                 } else {  
    111.                     snprintf(filename, 20, "%s%d.dat", input_prefix, i*K+j);  
    112.                     int infd = open(filename, O_RDONLY);  
    113.                     bytes = read(infd, runs[j]->buf, BUF_SIZE);  
    114.                     runs[j]->length = bytes/sizeof(int);  
    115.                     close(infd);      
    116.                 }  
    117.                 runs[j]->idx = 0;  
    118.                 runs[j]->offset = bytes;  
    119.             }  
    120.             k_merge(runs, input_prefix, num_runs_in_merge, base, i);  
    121.         }  
    122.   
    123.         strcpy(filename, output_prefix);  
    124.         strcpy(output_prefix, input_prefix);  
    125.         strcpy(input_prefix, filename);  
    126.   
    127.         run_length *= K;  
    128.         num_runs = num_merges;  
    129.     }  
    130.   
    131.     for (i = 0; i < K; i++) {  
    132.         free(runs[i]->buf);  
    133.         free(runs[i]);  
    134.     }  
    135.     free(runs);  
    136.     free(buffer);  
    137.     close(fd);  
    138.   
    139.     long end_usecs = get_time_usecs();  
    140.     double secs = (double)(end_usecs - start_usecs) / (double)1000000;  
    141.     printf("Sorting took %.02f seconds.\n", secs);  
    142.     printf("sorting result saved in %s%d.dat.\n", input_prefix, 0);  
    143.   
    144.     return 0;  
    145. }  
    146.   
    147. void k_merge(run_t** runs, char* input_prefix, int num_runs, int base, int n_merge)  
    148. {  
    149.     int bp, bytes, output_fd;  
    150.     int live_runs = num_runs;  
    151.     run_t *mr;  
    152.     char filename[20];  
    153.   
    154.     bp = 0;  
    155.     create_loser_tree(runs, num_runs);  
    156.   
    157.     snprintf(filename, 100, "%s%d.dat", output_prefix, n_merge);  
    158.     output_fd = open(filename, O_CREAT|O_WRONLY|O_TRUNC,   
    159.             S_IRWXU|S_IRWXG);  
    160.     if (output_fd < 0) {  
    161.         printf("create file %s fail\n", filename);  
    162.         exit(0);  
    163.     }  
    164.   
    165.     while (live_runs > 0) {  
    166.         mr = runs[ls[0]];  
    167.         buffer[bp++] = mr->buf[mr->idx++];  
    168.         // 输出缓冲区已满  
    169.         if (bp*4 == BUF_SIZE) {  
    170.             bytes = write(output_fd, buffer, BUF_SIZE);  
    171.             bp = 0;  
    172.         }  
    173.         // mr的输入缓冲区用完  
    174.         if (mr->idx == mr->length) {  
    175.             snprintf(filename, 20, "%s%d.dat", input_prefix, ls[0]+n_merge*K);  
    176.             if (base) {  
    177.                 mr->buf[mr->idx] = MAX_INT;  
    178.                 live_runs--;  
    179.             } else {  
    180.                 int fd = open(filename, O_RDONLY);  
    181.                 lseek(fd, mr->offset, SEEK_SET);  
    182.                 bytes = read(fd, mr->buf, BUF_SIZE);  
    183.                 close(fd);  
    184.                 if (bytes == 0) {  
    185.                     mr->buf[mr->idx] = MAX_INT;  
    186.                     live_runs--;  
    187.                 }  
    188.                 else {  
    189.                     mr->length = bytes/sizeof(int);  
    190.                     mr->offset += bytes;  
    191.                     mr->idx = 0;  
    192.                 }  
    193.             }  
    194.         }  
    195.         adjust(runs, num_runs, ls[0]);  
    196.     }  
    197.     bytes = write(output_fd, buffer, bp*4);  
    198.     if (bytes != bp*4) {  
    199.         printf("!!!!!! Write Error !!!!!!!!!\n");  
    200.         exit(0);  
    201.     }  
    202.     close(output_fd);  
    203. }  
    204.   
    205. long get_time_usecs()  
    206. {  
    207.     struct timeval time;  
    208.     struct timezone tz;  
    209.     memset(&tz, '\0', sizeof(struct timezone));  
    210.     gettimeofday(&time, &tz);  
    211.     long usecs = time.tv_sec*1000000 + time.tv_usec;  
    212.   
    213.     return usecs;  
    214. }  
    215.   
    216. void swap(int *p, int *q)  
    217. {  
    218.     int     tmp;  
    219.   
    220.     tmp = *p;  
    221.     *p = *q;  
    222.     *q = tmp;  
    223. }  
    224.   
    225. int partition(int *a, int s, int t)  
    226. {  
    227.     int     i, j;   /* i用来遍历a[s]...a[t-1], j指向大于x部分的第一个元素 */  
    228.   
    229.     for (i = j = s; i < t; i++) {  
    230.         if (a[i] < a[t]) {  
    231.             swap(a+i, a+j);  
    232.             j++;  
    233.         }  
    234.     }  
    235.     swap(a+j, a+t);  
    236.   
    237.     return j;  
    238. }  
    239.   
    240. void quick_sort(int *a, int s, int t)  
    241. {  
    242.     int     p;  
    243.   
    244.     if (s < t) {  
    245.         p = partition(a, s, t);  
    246.         quick_sort(a, s, p-1);  
    247.         quick_sort(a, p+1, t);  
    248.     }  
    249. }  
    250.   
    251. void adjust(run_t ** runs, int n, int s)  
    252. {  
    253.     int t, tmp;  
    254.   
    255.     t = (s+n)/2;  
    256.     while (t > 0) {  
    257.         if (s == -1) {  
    258.             break;  
    259.         }  
    260.         if (ls[t] == -1 || runs[s]->buf[runs[s]->idx] > runs[ls[t]]->buf[runs[ls[t]]->idx]) {  
    261.             tmp = s;  
    262.             s = ls[t];  
    263.             ls[t] = tmp;  
    264.         }  
    265.         t >>= 1;  
    266.     }  
    267.     ls[0] = s;  
    268. }  
    269.   
    270. void create_loser_tree(run_t **runs, int n)  
    271. {  
    272.     int     i;  
    273.   
    274.     for (i = 0; i < n; i++) {  
    275.         ls[i] = -1;  
    276.     }  
    277.     for (i = n-1; i >= 0; i--) {  
    278.         adjust(runs, n, i);  
    279.     }  
    280. }  
    281.   
    282. void usage()  
    283. {  
    284.     printf("sort <filename> <K-ways>\n");  
    285.     printf("\tfilename: filename of file to be sorted\n");  
    286.     printf("\tK-ways: how many ways to merge\n");  
    287.     exit(1);  
    288. }  
     

     

    五 编译运行

    gcc sort.c -o sort -g

    ./sort random.dat 64

    以64路平衡归并对random.dat内的数据进行外部排序。在I5处理器，4G内存的硬件环境下，实验结果如下

    文件大小    耗时

    128M        14.72 秒

    256M        30.89 秒

    512M        71.65 秒

    1G             169.18秒

     

    六 读取二进制文件，查看排序结

     

    C代码  收藏代码
    1. #include <assert.h>  
    2. #include <fcntl.h>  
    3. #include <stdio.h>  
    4. #include <stdlib.h>  
    5. #include <string.h>  
    6. #include <unistd.h>  
    7.   
    8. #include <sys/time.h>  
    9. #include <sys/types.h>  
    10. #include <sys/stat.h>  
    11.   
    12. int main(int argc, char **argv)  
    13. {  
    14.     char *filename = argv[1];  
    15.     int *buffer = (int *)malloc(1<<20);  
    16.     struct stat     sbuf;  
    17.     int rv, data_size, i, bytes, fd;  
    18.   
    19.     fd = open(filename, O_RDONLY);  
    20.     if (fd < 0) {  
    21.         printf("%s not found!\n", filename);  
    22.         exit(0);  
    23.     }  
    24.     rv = fstat(fd, &sbuf);  
    25.     data_size = sbuf.st_size;  
    26.   
    27.     bytes = read(fd, buffer, data_size);  
    28.     for (i = 0; i < bytes/4; i++) {  
    29.         printf("%d ", buffer[i]);  
    30.         if ((i+1) % 10 == 0) {  
    31.             printf("\n");  
    32.         }  
    33.     }  
    34.     printf("\n");  
    35.     close(fd);  
    36.     free(buffer);  
    37.     return 0;  
    38. }  
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  • 原文地址：https://www.cnblogs.com/lexus/p/2996444.html
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