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外排序

时间:2015-03-30 23:06:11      阅读:378      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]
外排序

外排序(External sorting)是指能够处理极大量数据的排序算法。通常来说,外排序处理的数据不能一次装入内存,只能放在读写较慢的外存储器(通常是硬盘)上。外排序通常采用的是一种“排序-归并”的策略。

在排序阶段,先读入能放在内存中的数据量,将其排序输出到一个临时文件,依此进行,将待排序数据组织为多个有序的临时文件。尔后在归并阶段将这些临时文件组合为一个大的有序文件,也即排序结果。


外归并排序
外排序的一个例子是外归并排序(External merge sort),它读入一些能放在内存内的数据量,在内存中排序后输出为一个顺串(即是内部数据有序的临时文件),处理完所有的数据后再进行归并。比如,要对900 MB的数据进行排序,但机器上只有100 MB的可用内存时,外归并排序按如下方法操作:

1.读入100 MB的数据至内存中,用某种常规方式(如快速排序、堆排序、归并排序等方法)在内存中完成排序。

2.将排序完成的数据写入磁盘。

3.重复步骤1和2直到所有的数据都存入了不同的100 MB的块(临时文件)中。在这个例子中,有900 MB数据,单个临时文件大小为100 MB,所以会产生9个临时文件。

4.读入每个临时文件(顺串)的前10 MB( 100 MB / (9块输入缓冲区 + 1块输出缓冲区))的数据放入内存中的输入缓冲区,最后的10 MB作为输出缓冲区。(实践中,将输入缓冲适当调小,而适当增大输出缓冲区能获得更好的效果)

5.执行九路归并算法,将结果输出到输出缓冲区。一旦输出缓冲区满,将缓冲区中的数据写出至目标文件,清空缓冲区。一旦9个输入缓冲区中的一个变空,就从这个缓冲区关联的文件,读入下一个10M数据,除非这个文件已读完。

这是“外归并排序”能在主存外完成排序的关键步骤 -- 因为“归并算法”(merge algorithm)对每一个大块只是顺序地做一轮访问(进行归并),每个大块不用完全载入主存。


性能分析

提高外排序效率应该主要着眼于减少外存信息的读写次数。

在一般情况下,对m个初始归并段进行k-路平衡归并时,归并的趟数

s=LOGk m (即以k为底以m为真数的对数)

可见,若减少m或者增加k可以减少归并的趟数,但是并不是k值的选择越大越好,如何选择k值是个综合考虑的问题。


多路平衡归并的实现

单纯增加k将导致增加内部归并排序的时间,若在进行k-路归并时利用“败者树”,则可使在k个记录中选出关键字最小的记录时仅需进行log2 k(以2为底以k为真数的对数,并且向上取整)

"胜者树":每个非终端结点均表示其左、右孩子结点中的"胜者"。

"败者树":记下刚进行完的比赛的败者,而让胜者去参加更高一层的比赛。

为了防止在归并过程中某个归并段变空,可以在每个归并段中附加一个关键字为最大值的记录。当选出的"冠军"记录的关键字为最大值时,表明此次归并已完成。


优化性能

并行计算

1)、用多个磁盘驱动器并行处理数据,可以加速顺序磁盘读写。[4]
2)、在计算机上使用多线程,可在多核心的计算机上得到优化。
3)、使用异步输入输出,可以同时排序和归并,同时读写。
4)、使用多台计算机用高速网络连接,分担计算任务。[5]
提高硬件速度
1)、增大内存,减小磁盘读写次数,减小归并次数。
2)、使用快速的外存设备,比如15000 RPM的硬盘或固态硬盘。
3)、使用性能更优良个各种设备,比如使用多核心CPU和延迟时间更短的内存。
提高软件速度
1)、对于某些特殊数据,在第一阶段的排序中使用基数排序。

2)、压缩输入输出文件和临时文件。


外排序

原文:http://blog.csdn.net/sxhlovehmm/article/details/44755103

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