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。

下面是一些可以解决这个问题的c++代码。

满足内存约束的证明:

编辑:无论是在这篇文章中还是在他的博客中，都没有作者提供的最大内存要求的证据。由于编码值所需的比特数取决于先前编码的值，因此这样的证明可能不是简单的。作者指出，根据经验，他可能遇到的最大编码大小是1011732，并任意选择了1013000的缓冲区大小。

typedef unsigned int u32;

namespace WorkArea
{
    static const u32 circularSize = 253250;
    u32 circular[circularSize] = { 0 };         // consumes 1013000 bytes

    static const u32 stageSize = 8000;
    u32 stage[stageSize];                       // consumes 32000 bytes

    ...

这两个数组总共占用1045000字节的存储空间。剩下1048576 - 1045000 - 2×1024 = 1528字节作为剩余变量和堆栈空间。

它在我的至强W3520上运行大约23秒。您可以使用以下Python脚本验证程序是否工作，假设程序名称为sort1mb.exe。

from subprocess import *
import random

sequence = [random.randint(0, 99999999) for i in xrange(1000000)]

sorter = Popen('sort1mb.exe', stdin=PIPE, stdout=PIPE)
for value in sequence:
    sorter.stdin.write('%08d\n' % value)
sorter.stdin.close()

result = [int(line) for line in sorter.stdout]
print('OK!' if result == sorted(sequence) else 'Error!')

该算法的详细解释可以在以下一系列帖子中找到:

1MB排序说明 算术编码与1MB排序问题 使用定点数学的算术编码

现在的目标是一个实际的解决方案，覆盖所有可能的情况下，输入在8位数范围内，只有1MB的RAM。注:工作正在进行中，明天继续。使用对已排序整型的增量进行算术编码，对于1M个已排序整型，最坏的情况是每个条目花费大约7位(因为99999999/1000000是99，而log2(99)几乎是7位)。

但是你需要将1m个整数排序到7位或8位!级数越短，delta就越大，因此每个元素的比特数就越多。

我正在努力尽可能多地压缩(几乎)在原地。第一批接近250K的整数最多每个需要大约9位。因此结果大约需要275KB。重复使用剩余的空闲内存几次。然后解压缩-就地合并-压缩这些压缩块。这很难，但也是可能的。我认为。

合并后的列表将越来越接近每整数7位的目标。但是我不知道合并循环需要多少次迭代。也许3。

但是算术编码实现的不精确性可能使它不可能实现。如果这个问题是可能的，它将是非常紧张的。

有志愿者吗?

谷歌的(坏)方法，从HN线程。存储rle风格的计数。

你的初始数据结构是“99999999:0”(都是零，没有看到任何数字)，然后假设你看到了数字3,866,344，那么你的数据结构就变成了“3866343:0,1:1,96133654:0”，你可以看到数字总是在零位数和1位数之间交替，所以你可以假设奇数代表0位，偶数代表1位。这就变成了(3866343,1,96133654)

他们的问题似乎不包括副本，但让我们假设他们使用“0:1”来表示副本。

大问题#1:1M个整数的插入将花费很长时间。

大问题#2:像所有的普通增量编码解决方案一样，一些分布不能用这种方式覆盖。例如，1m整数，距离为0:99(例如，每个整数+99)。现在考虑相同的情况，但随机距离在0:99的范围内。(注:99999999/1000000 = 99.99)

谷歌的方法既不值得(缓慢)，也不正确。但要为他们辩护，他们的问题可能略有不同。

我们可以利用网络堆栈，在我们得到所有数字之前，按顺序发送数字。如果你发送1M的数据，TCP/IP会把它分解成1500字节的数据包，并按照目标发送。每个包将被赋予一个序列号。

我们可以用手来做。在填满内存之前，我们可以对现有的数据进行排序，并将列表发送给目标，但在每个数字周围的序列中留下空洞。然后用同样的方法处理第二个1/2的数字，使用序列中的这些洞。

远端的网络堆栈将按顺序组装结果数据流，然后将其提交给应用程序。

它使用网络来执行归并排序。这是一个完全的黑客，但我是受到之前列出的其他网络黑客的启发。

我们有1 MB - 3 KB RAM = 2^23 - 3*2^13位= 8388608 - 24576 = 8364032位可用。

我们给出10^8范围内的10^6个数。这给出了~100 < 2^7 = 128的平均差距

让我们首先考虑一个比较简单的问题，即当所有间距都< 128时，数字间距相当均匀。这很简单。只存储第一个数字和7位空白:

(27位)+ 10^6个7位间隔数=需要7000027位

注意重复的数字间隔为0。

但如果间隔大于127呢?

好吧，让我们直接表示小于127的间隙大小，但是127的间隙大小后面跟着一个连续的8位编码来表示实际的间隙长度:

 10xxxxxx xxxxxxxx                       = 127 .. 16,383
 110xxxxx xxxxxxxx xxxxxxxx              = 16384 .. 2,097,151

etc.

注意这个数字表示描述了它自己的长度，所以我们知道下一个间隙数何时开始。

对于小于127的小间隙，仍然需要7000027位。

可能有高达(10^8)/(2^7)= 781250个23位的间隙数，需要额外的16* 781250 = 12500,000位，这是太多了。我们需要一个更紧凑和缓慢增加的差距表示。

平均差距大小是100，所以如果我们把它们重新排序 [100, 99, 101, 98, 102，…]， 2, 198, 1, 199, 0, 200, 201, 202，…] 然后用密集的二进制斐波那契基编码索引它，没有对零(例如，11011=8+5+2+1=16)，数字用“00”分隔，然后我认为我们可以保持足够短的差距表示，但它需要更多的分析。