我认为解决方案是结合视频编码的技术，即离散余弦变换。在数字视频中，不是将视频的亮度或颜色的变化记录为常规值，如110 112 115 116，而是从最后一个中减去每一个(类似于运行长度编码)。110 112 115 116变成110 2 3 1。这些值，2,3 1比原始值需要更少的比特。

So lets say we create a list of the input values as they arrive on the socket. We are storing in each element, not the value, but the offset of the one before it. We sort as we go, so the offsets are only going to be positive. But the offset could be 8 decimal digits wide which this fits in 3 bytes. Each element can't be 3 bytes, so we need to pack these. We could use the top bit of each byte as a "continue bit", indicating that the next byte is part of the number and the lower 7 bits of each byte need to be combined. zero is valid for duplicates.

当列表填满时，数字之间的距离应该越来越近，这意味着平均只有1个字节用于确定到下一个值的距离。7位值和1位偏移(如果方便的话)，但可能存在一个“继续”值需要少于8位的最佳点。

总之，我做了一些实验。我使用随机数生成器，我可以将100万个排序过的8位十进制数字放入大约1279000字节。每个数字之间的平均间隔始终是99…

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 1 million values
        int[] values = new int[1000000];

        // create random values up to 8 digits lrong
        Random random = new Random();
        for (int x=0;x<values.length;x++) {
            values[x] = random.nextInt(100000000);
        }
        Arrays.sort(values);

        ByteArrayOutputStream baos = new ByteArrayOutputStream();

        int av = 0;    
        writeCompact(baos, values[0]);     // first value
        for (int x=1;x<values.length;x++) {
            int v = values[x] - values[x-1];  // difference
            av += v;
            System.out.println(values[x] + " diff " + v);
            writeCompact(baos, v);
        }

        System.out.println("Average offset " + (av/values.length));
        System.out.println("Fits in " + baos.toByteArray().length);
    }

    public static void writeCompact(OutputStream os, long value) throws IOException {
        do {
            int b = (int) value & 0x7f;
            value = (value & 0x7fffffffffffffffl) >> 7;
            os.write(value == 0 ? b : (b | 0x80));
        } while (value != 0);
    }
}

您只需要按顺序存储数字之间的差异，并使用编码来压缩这些序列号。我们有2^23位。我们将它分成6位块，让最后一位表示这个数字是否扩展到另外6位(5位加上扩展块)。

因此，000010是1,000100是2。000001100000表示128。现在，我们考虑用最坏的类型来表示不超过10,000,000的数字序列的差异。可能有10000000 /2^5的差异大于2^5,10000000 /2^10的差异大于2^10,10000000 /2^15的差异大于2^15，等等。

所以，我们把表示这个序列所需要的比特数相加。我们有1,000,000*6 +汇总(10,000,000/2^5)*6+汇总(10,000,000/2^10)*6+汇总(10,000,000/2^15)*6+汇总(10,000,000/2^20)*4=7935479。

2^24 = 8388608。由于8388608 > 7935479，我们应该很容易有足够的内存。我们可能还需要一点内存来存储插入新数字时的和。然后我们遍历这个序列，找到插入新数字的位置，如果必要的话减少下一个差值，并将它之后的所有内容都右移。

请参阅第一个正确答案或后面带有算术编码的答案。下面你可能会发现一些有趣的，但不是100%防弹的解决方案。

这是一个非常有趣的任务，这里有另一个解决方案。我希望有人会觉得这个结果有用(或者至少有趣)。

阶段1:初始数据结构，粗略压缩方法，基本结果

Let's do some simple math: we have 1M (1048576 bytes) of RAM initially available to store 10^6 8 digit decimal numbers. [0;99999999]. So to store one number 27 bits are needed (taking the assumption that unsigned numbers will be used). Thus, to store a raw stream ~3.5M of RAM will be needed. Somebody already said it doesn't seem to be feasible, but I would say the task can be solved if the input is "good enough". Basically, the idea is to compress the input data with compression factor 0.29 or higher and do sorting in a proper manner.

让我们先解决压缩问题。有一些相关的测试已经可用:

http://www.theeggeadventure.com/wikimedia/index.php/Java_Data_Compression

“我运行了一个测试，压缩100万个连续整数使用 各种形式的压缩。结果如下:

None     4000027
Deflate  2006803
Filtered 1391833
BZip2    427067
Lzma     255040

看起来LZMA (Lempel-Ziv-Markov链算法)是一个很好的选择。我准备了一个简单的PoC，但仍有一些细节需要强调:

Memory is limited so the idea is to presort numbers and use compressed buckets (dynamic size) as temporary storage It is easier to achieve a better compression factor with presorted data, so there is a static buffer for each bucket (numbers from the buffer are to be sorted before LZMA) Each bucket holds a specific range, so the final sort can be done for each bucket separately Bucket's size can be properly set, so there will be enough memory to decompress stored data and do the final sort for each bucket separately

请注意，所附的代码是一个POC，它不能用作最终解决方案，它只是演示了使用几个较小的缓冲区以某种最佳方式(可能是压缩)存储预排序数字的想法。LZMA并不是最终的解决方案。它被用作向这个PoC引入压缩的最快方法。

请看下面的PoC代码(请注意它只是一个演示，要编译它将需要LZMA-Java):

public class MemorySortDemo {

static final int NUM_COUNT = 1000000;
static final int NUM_MAX   = 100000000;

static final int BUCKETS      = 5;
static final int DICT_SIZE    = 16 * 1024; // LZMA dictionary size
static final int BUCKET_SIZE  = 1024;
static final int BUFFER_SIZE  = 10 * 1024;
static final int BUCKET_RANGE = NUM_MAX / BUCKETS;

static class Producer {
    private Random random = new Random();
    public int produce() { return random.nextInt(NUM_MAX); }
}

static class Bucket {
    public int size, pointer;
    public int[] buffer = new int[BUFFER_SIZE];

    public ByteArrayOutputStream tempOut = new ByteArrayOutputStream();
    public DataOutputStream tempDataOut = new DataOutputStream(tempOut);
    public ByteArrayOutputStream compressedOut = new ByteArrayOutputStream();

    public void submitBuffer() throws IOException {
        Arrays.sort(buffer, 0, pointer);

        for (int j = 0; j < pointer; j++) {
            tempDataOut.writeInt(buffer[j]);
            size++;
        }            
        pointer = 0;
    }

    public void write(int value) throws IOException {
        if (isBufferFull()) {
            submitBuffer();
        }
        buffer[pointer++] = value;
    }

    public boolean isBufferFull() {
        return pointer == BUFFER_SIZE;
    }

    public byte[] compressData() throws IOException {
        tempDataOut.close();
        return compress(tempOut.toByteArray());
    }        

    private byte[] compress(byte[] input) throws IOException {
        final BufferedInputStream in = new BufferedInputStream(new ByteArrayInputStream(input));
        final DataOutputStream out = new DataOutputStream(new BufferedOutputStream(compressedOut));

        final Encoder encoder = new Encoder();
        encoder.setEndMarkerMode(true);
        encoder.setNumFastBytes(0x20);
        encoder.setDictionarySize(DICT_SIZE);
        encoder.setMatchFinder(Encoder.EMatchFinderTypeBT4);

        ByteArrayOutputStream encoderPrperties = new ByteArrayOutputStream();
        encoder.writeCoderProperties(encoderPrperties);
        encoderPrperties.flush();
        encoderPrperties.close();

        encoder.code(in, out, -1, -1, null);
        out.flush();
        out.close();
        in.close();

        return encoderPrperties.toByteArray();
    }

    public int[] decompress(byte[] properties) throws IOException {
        InputStream in = new ByteArrayInputStream(compressedOut.toByteArray());
        ByteArrayOutputStream data = new ByteArrayOutputStream(10 * 1024);
        BufferedOutputStream out = new BufferedOutputStream(data);

        Decoder decoder = new Decoder();
        decoder.setDecoderProperties(properties);
        decoder.code(in, out, 4 * size);

        out.flush();
        out.close();
        in.close();

        DataInputStream input = new DataInputStream(new ByteArrayInputStream(data.toByteArray()));
        int[] array = new int[size];
        for (int k = 0; k < size; k++) {
            array[k] = input.readInt();
        }

        return array;
    }
}

static class Sorter {
    private Bucket[] bucket = new Bucket[BUCKETS];

    public void doSort(Producer p, Consumer c) throws IOException {

        for (int i = 0; i < bucket.length; i++) {  // allocate buckets
            bucket[i] = new Bucket();
        }

        for(int i=0; i< NUM_COUNT; i++) {         // produce some data
            int value = p.produce();
            int bucketId = value/BUCKET_RANGE;
            bucket[bucketId].write(value);
            c.register(value);
        }

        for (int i = 0; i < bucket.length; i++) { // submit non-empty buffers
            bucket[i].submitBuffer();
        }

        byte[] compressProperties = null;
        for (int i = 0; i < bucket.length; i++) { // compress the data
            compressProperties = bucket[i].compressData();
        }

        printStatistics();

        for (int i = 0; i < bucket.length; i++) { // decode & sort buckets one by one
            int[] array = bucket[i].decompress(compressProperties);
            Arrays.sort(array);

            for(int v : array) {
                c.consume(v);
            }
        }
        c.finalCheck();
    }

    public void printStatistics() {
        int size = 0;
        int sizeCompressed = 0;

        for (int i = 0; i < BUCKETS; i++) {
            int bucketSize = 4*bucket[i].size;
            size += bucketSize;
            sizeCompressed += bucket[i].compressedOut.size();

            System.out.println("  bucket[" + i
                    + "] contains: " + bucket[i].size
                    + " numbers, compressed size: " + bucket[i].compressedOut.size()
                    + String.format(" compression factor: %.2f", ((double)bucket[i].compressedOut.size())/bucketSize));
        }

        System.out.println(String.format("Data size: %.2fM",(double)size/(1014*1024))
                + String.format(" compressed %.2fM",(double)sizeCompressed/(1014*1024))
                + String.format(" compression factor %.2f",(double)sizeCompressed/size));
    }
}

static class Consumer {
    private Set<Integer> values = new HashSet<>();

    int v = -1;
    public void consume(int value) {
        if(v < 0) v = value;

        if(v > value) {
            throw new IllegalArgumentException("Current value is greater than previous: " + v + " > " + value);
        }else{
            v = value;
            values.remove(value);
        }
    }

    public void register(int value) {
        values.add(value);
    }

    public void finalCheck() {
        System.out.println(values.size() > 0 ? "NOT OK: " + values.size() : "OK!");
    }
}

public static void main(String[] args) throws IOException {
    Producer p = new Producer();
    Consumer c = new Consumer();
    Sorter sorter = new Sorter();

    sorter.doSort(p, c);
}
}

对于随机数，它产生如下结果:

bucket[0] contains: 200357 numbers, compressed size: 353679 compression factor: 0.44
bucket[1] contains: 199465 numbers, compressed size: 352127 compression factor: 0.44
bucket[2] contains: 199682 numbers, compressed size: 352464 compression factor: 0.44
bucket[3] contains: 199949 numbers, compressed size: 352947 compression factor: 0.44
bucket[4] contains: 200547 numbers, compressed size: 353914 compression factor: 0.44
Data size: 3.85M compressed 1.70M compression factor 0.44

对于一个简单的升序序列(使用一个桶)，它产生:

bucket[0] contains: 1000000 numbers, compressed size: 256700 compression factor: 0.06
Data size: 3.85M compressed 0.25M compression factor 0.06

EDIT

结论:

不要试图欺骗大自然 使用更简单的压缩和更低的内存占用 确实需要一些额外的线索。普通的防弹方案似乎并不可行。

第二阶段:强化压缩，最终结论

正如在前一节中已经提到的，任何合适的压缩技术都可以使用。因此，让我们摒弃LZMA，转而采用更简单、更好(如果可能的话)的方法。有很多好的解决方案，包括算术编码，基树等。

无论如何，简单但有用的编码方案将比另一个外部库更能说明问题，它提供了一些漂亮的算法。实际的解决方案非常简单:因为存在部分排序的数据桶，所以可以使用增量而不是数字。

随机输入测试结果稍好:

bucket[0] contains: 10103 numbers, compressed size: 13683 compression factor: 0.34
bucket[1] contains: 9885 numbers, compressed size: 13479 compression factor: 0.34
...
bucket[98] contains: 10026 numbers, compressed size: 13612 compression factor: 0.34
bucket[99] contains: 10058 numbers, compressed size: 13701 compression factor: 0.34
Data size: 3.85M compressed 1.31M compression factor 0.34

示例代码

  public static void encode(int[] buffer, int length, BinaryOut output) {
    short size = (short)(length & 0x7FFF);

    output.write(size);
    output.write(buffer[0]);

    for(int i=1; i< size; i++) {
        int next = buffer[i] - buffer[i-1];
        int bits = getBinarySize(next);

        int len = bits;

        if(bits > 24) {
          output.write(3, 2);
          len = bits - 24;
        }else if(bits > 16) {
          output.write(2, 2);
          len = bits-16;
        }else if(bits > 8) {
          output.write(1, 2);
          len = bits - 8;
        }else{
          output.write(0, 2);
        }

        if (len > 0) {
            if ((len % 2) > 0) {
                len = len / 2;
                output.write(len, 2);
                output.write(false);
            } else {
                len = len / 2 - 1;
                output.write(len, 2);
            }

            output.write(next, bits);
        }
    }
}

public static short decode(BinaryIn input, int[] buffer, int offset) {
    short length = input.readShort();
    int value = input.readInt();
    buffer[offset] = value;

    for (int i = 1; i < length; i++) {
        int flag = input.readInt(2);

        int bits;
        int next = 0;
        switch (flag) {
            case 0:
                bits = 2 * input.readInt(2) + 2;
                next = input.readInt(bits);
                break;
            case 1:
                bits = 8 + 2 * input.readInt(2) +2;
                next = input.readInt(bits);
                break;
            case 2:
                bits = 16 + 2 * input.readInt(2) +2;
                next = input.readInt(bits);
                break;
            case 3:
                bits = 24 + 2 * input.readInt(2) +2;
                next = input.readInt(bits);
                break;
        }

        buffer[offset + i] = buffer[offset + i - 1] + next;
    }

   return length;
}

请注意，这种方法:

不消耗大量内存 使用流 提供了不那么坏的结果

完整的代码可以在这里找到，BinaryInput和BinaryOutput实现可以在这里找到

最终结论

没有最终结论:)有时候，从元级别的角度来回顾一下任务，这确实是个好主意。

花点时间完成这个任务很有趣。顺便说一下，下面有很多有趣的答案。感谢您的关注和愉快的编码。

下面是这类问题的一般解决方案:

一般程序

所采取的方法如下。该算法在一个32位字的缓冲区上操作。它在循环中执行以下过程:

We start with a buffer filled with compressed data from the last iteration. The buffer looks like this |compressed sorted|empty| Calculate the maximum amount of numbers that can be stored in this buffer, both compressed and uncompressed. Split the buffer into these two sections, beginning with the space for compressed data, ending with the uncompressed data. The buffer looks like |compressed sorted|empty|empty| Fill the uncompressed section with numbers to be sorted. The buffer looks like |compressed sorted|empty|uncompressed unsorted| Sort the new numbers with an in-place sort. The buffer looks like |compressed sorted|empty|uncompressed sorted| Right-align any already compressed data from the previous iteration in the compressed section. At this point the buffer is partitioned |empty|compressed sorted|uncompressed sorted| Perform a streaming decompression-recompression on the compressed section, merging in the sorted data in the uncompressed section. The old compressed section is consumed as the new compressed section grows. The buffer looks like |compressed sorted|empty|

执行此过程，直到所有数字都已排序。

压缩

当然，这种算法只有在知道实际要压缩什么之前，才有可能计算出新排序缓冲区的最终压缩大小。其次，压缩算法需要足够好来解决实际问题。

所使用的方法使用三个步骤。首先，算法将始终存储排序序列，因此我们可以只存储连续条目之间的差异。每个差值都在[0,99999999]的范围内。

这些差异随后被编码为一元比特流。这个流中的1表示“向累加器添加1,0表示“将累加器作为一个条目发出，并重置”。所以差N由N个1和1个0表示。

所有差异的和将接近算法支持的最大值，所有差异的计数将接近算法中插入的值的数量。这意味着我们期望流在最后包含最大值1和计数0。这允许我们计算流中0和1的期望概率。即，0的概率为count/(count+maxval)， 1的概率为maxval/(count+maxval)。

我们使用这些概率来定义这个比特流上的算术编码模型。这个算术代码将在最佳空间中精确地编码1和0的数量。我们可以计算该模型对于任何中间位流所使用的空间:bits = encoded * log2(1 + amount / maxval) + maxval * log2(1 + maxval / amount)。若要计算算法所需的总空间，请将encoded设置为amount。

为了不需要大量的迭代，可以向缓冲区添加少量开销。这将确保算法将至少对适合这个开销的数量进行操作，因为到目前为止，算法最大的时间成本是每个周期的算术编码压缩和解压缩。

除此之外，在算术编码算法的定点近似中，存储簿记数据和处理轻微的不准确性是需要一些开销的，但总的来说，即使使用可以包含8000个数字的额外缓冲区，该算法也能够容纳1MiB的空间，总共1043916字节的空间。

最优

除了减少算法的开销外，理论上不可能得到更小的结果。为了仅仅包含最终结果的熵，1011717个字节是必要的。如果我们减去为提高效率而增加的额外缓冲区，该算法使用1011916字节来存储最终结果+开销。

基数树表示可以接近于处理这个问题，因为基数树利用了“前缀压缩”的优势。但是很难想象一个基树表表法可以在一个字节中表示单个节点——两个可能是极限。

但是，不管数据是如何表示的，一旦它被排序，它就可以以前缀压缩的形式存储，其中数字10、11和12将由001b、001b、001b表示，表示从前一个数字增加1。那么，也许10101b表示增量5,1101001b表示增量9，以此类推。

在10^8的范围内有10^6个值，所以平均每100个码点有一个值。存储第N个点到第(N+1)个点的距离。重复值的跳过值为0。这意味着跳跃平均需要7比特来存储，所以100万个跳跃将很适合我们的800万比特存储空间。

这些跳跃需要被编码成一个比特流，比如通过霍夫曼编码。插入是通过遍历比特流并在新值之后重写。通过遍历并写出隐含值来输出。出于实用性考虑，它可能被做成10^4个列表，每个列表包含10^4个代码点(平均100个值)。

随机数据的霍夫曼树可以通过假设跳跃长度上的泊松分布(均值=方差=100)先验地构建，但可以在输入上保留真实的统计数据，并用于生成处理病理病例的最佳树。