取十亿个数字中的前一百个，然后排序。现在只需遍历十亿，如果源数大于100中最小的数，则按排序顺序插入。你得到的结果更接近于O(n)除以集合的大小。

 Although in this question we should search for top 100 numbers, I will 
 generalize things and write x. Still, I will treat x as constant value.

n中最大的x元素:

我将调用返回值LIST。它是一个x元素的集合(在我看来应该是链表)

First x elements are taken from pool "as they come" and sorted in LIST (this is done in constant time since x is treated as constant - O( x log(x) ) time) For every element that comes next we check if it is bigger than smallest element in LIST and if is we pop out the smallest and insert current element to LIST. Since that is ordered list every element should find its place in logarithmic time (binary search) and since it is ordered list insertion is not a problem. Every step is also done in constant time ( O(log(x) ) time ).

那么，最坏的情况是什么?

xlog(x)+(n-x)(log(x)+1)=nlog(x)+n- x

最坏情况是O(n)时间。+1是检查数字是否大于LIST中最小的数字。平均情况的预期时间将取决于这n个元素的数学分布。

可能的改进

在最坏的情况下，这个算法可以稍微改进，但恕我直言(我无法证明这一点)，这会降低平均行为。渐近行为是一样的。

该算法的改进在于，我们将不检查元素是否大于最小值。对于每个元素，我们将尝试插入它，如果它小于最小值，我们将忽略它。尽管如果我们只考虑我们将面临的最坏的情况，这听起来很荒谬

x log（x） + （n-x）log（x） = nlog（x）

操作。

对于这个用例，我没有看到任何进一步的改进。但是你必须问自己，如果我要对不同的x做多于log(n)次呢?显然，我们会以O(nlog (n))为单位对数组进行排序，并在需要时提取x元素。

你可以保留一个最大的100个数字的优先队列，遍历10亿个数字。每当遇到大于队列中最小数字(队列头)的数字时，删除队列头并将新数字添加到队列中。

用堆实现的优先级队列的插入+删除复杂度为O(log K).(其中K = 100，要查找的元素数量。N = 10亿，数组中元素的总数)。

在最坏的情况下，你得到十亿*log2(100)这比十亿*log2(十亿)对于O(N log N)基于比较的排序要好。

一般来说，如果你需要一组N个数字中最大的K个数字，复杂度是O(N log K)而不是O(N log N)，当K与N相比非常小时，这可能非常重要。

这种优先级队列算法的预期时间非常有趣，因为在每次迭代中可能会出现插入，也可能不会出现插入。

第i个数字插入队列的概率是一个随机变量大于同一分布中至少i- k个随机变量的概率(前k个数字自动添加到队列中)。我们可以使用顺序统计(见链接)来计算这个概率。

例如，假设这些数字是从{0,1}中均匀随机选择的，第(i-k)个数字(从i个数字中)的期望值为(i-k)/i，并且随机变量大于此值的概率为1-[(i-k)/i] = k/i。

因此，期望插入数为:

期望运行时间可表示为:

(k时间生成包含前k个元素的队列，然后是n-k个比较，以及如上所述的预期插入次数，每次插入的平均时间为log(k)/2)

注意，当N与K相比非常大时，这个表达式更接近于N而不是nlog K。这有点直观，就像在这个问题的情况下，即使经过10,000次迭代(与十亿次相比非常小)，一个数字被插入队列的机会也非常小。

但是我们不知道数组的值是均匀分布的。它们可能趋向于增加，在这种情况下，大多数或所有数字将成为所见最大的100个数字集合的新候选数。这个算法的最坏情况是O(N log K)

或者如果它们呈递减的趋势，最大的100个数字中的大多数将会非常早，我们的最佳情况运行时间本质上是O(N + K log K)对于K比N小得多的K，它就是O(N)

脚注1:O(N)整数排序/直方图

计数排序或基数排序都是O(N)，但通常有更大的常数因子，使它们在实践中比比较排序更差。在某些特殊情况下，它们实际上相当快，主要是对于窄整数类型。

例如，计数排序在数字很小的情况下表现良好。16位数字只需要2^16个计数器的数组。而不是实际展开到一个排序的数组，你可以扫描你建立的直方图作为计数排序的一部分。

在对数组进行直方图化之后，您可以快速回答任何顺序统计的查询，例如最大的99个数字，最大的200到100个数字)32位数字将计数分散到一个更大的数组或计数器哈希表中，可能需要16gib的内存(每个2^32个计数器4字节)。在真正的cpu上，可能会有很多TLB和缓存失误，不像2^16个元素的数组，L2缓存通常会命中。

类似地，Radix Sort可以在第一次传递后只查看顶部的桶。但常数因子仍然可能大于logk，这取决于K。

注意，每个计数器的大小足够大，即使所有N个整数都是重复的，也不会溢出。10亿略小于2^30，所以一个30位无符号计数器就足够了。32位有符号或无符号整数就可以了。

如果有更多的计数器，则可能需要64位计数器，初始化为零并随机访问需要占用两倍的内存。或者是少数溢出16或32位整数的计数器的哨兵值，以指示计数的其余部分在其他地方(在一个小字典中，例如映射到64位计数器的哈希表中)。

另一个O(n)算法-

该算法通过消元法找到最大的100个

考虑所有的百万数字的二进制表示。从最重要的位开始。确定MSB是否为1可以通过布尔运算与适当的数字相乘来完成。如果百万个数字中有超过100个1，就去掉其他带0的数字。现在剩下的数从下一个最有效的位开始。计算排除后剩余数字的数量，只要这个数字大于100，就继续进行。

主要的布尔运算可以在图形处理器上并行完成

受@ron teller回答的启发，这里有一个简单的C程序来做你想做的事情。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

#define TOTAL_NUMBERS 1000000000
#define N_TOP_NUMBERS 100

int 
compare_function(const void *first, const void *second)
{
    int a = *((int *) first);
    int b = *((int *) second);
    if (a > b){
        return 1;
    }
    if (a < b){
        return -1;
    }
    return 0;
}

int 
main(int argc, char ** argv)
{
    if(argc != 2){
        printf("please supply a path to a binary file containing 1000000000"
               "integers of this machine's wordlength and endianness\n");
        exit(1);
    }
    FILE * f = fopen(argv[1], "r");
    if(!f){
        exit(1);
    }
    int top100[N_TOP_NUMBERS] = {0};
    int sorts = 0;
    for (int i = 0; i < TOTAL_NUMBERS; i++){
        int number;
        int ok;
        ok = fread(&number, sizeof(int), 1, f);
        if(!ok){
            printf("not enough numbers!\n");
            break;
        }
        if(number > top100[0]){
            sorts++;
            top100[0] = number;
            qsort(top100, N_TOP_NUMBERS, sizeof(int), compare_function);
        }

    }
    printf("%d sorts made\n"
    "the top 100 integers in %s are:\n",
    sorts, argv[1] );
    for (int i = 0; i < N_TOP_NUMBERS; i++){
        printf("%d\n", top100[i]);
    }
    fclose(f);
    exit(0);
}

在我的机器上(具有快速SSD的core i3)，它需要25秒，并进行1724种排序。 我用dd if=/dev/urandom/ count=1000000000 bs=1生成了一个二进制文件。

显然，一次只从磁盘读取4个字节会有性能问题，但这只是为了举例。好的一面是，只需要很少的内存。

可能的改进。

如果文件包含十亿的数字，读取它可能会很长…

为了提高工作效率，你可以:

将文件分成n个部分，创建n个线程，让n个线程在各自的部分中寻找最大的100个数字(使用优先级队列)，最后得到所有线程输出的最大的100个数字。 使用像hadoop这样的解决方案，使用集群来完成这样的任务。在这里，您可以进一步分割文件，并更快地输出10亿(或10^12)个数字的文件。