最近我参加了一个面试,面试官要求我“编写一个程序,从一个包含10亿个数字的数组中找出100个最大的数字”。

我只能给出一个蛮力解决方案,即以O(nlogn)时间复杂度对数组进行排序,并取最后100个数字。

Arrays.sort(array);

面试官正在寻找一个更好的时间复杂度,我尝试了几个其他的解决方案,但都没有回答他。有没有更好的时间复杂度解决方案?


当前回答

Time ~ O(100 * N)
Space ~ O(100 + N)

创建一个包含100个空槽的空列表 对于输入列表中的每个数字: 如果数字小于第一个,跳过 否则用这个数字代替它 然后,将数字通过相邻的交换;直到它比下一个小 返回列表


注意:如果log(input-list.size) + c < 100,那么最佳的方法是对输入列表进行排序,然后拆分前100项。

其他回答

你可以遍历这些数字,需要O(n)

只要发现一个大于当前最小值的值,就将新值添加到一个大小为100的循环队列中。

循环队列的最小值就是新的比较值。继续往队列中添加。如果已满,则从队列中提取最小值。

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

使用第n个元素得到第100个元素O(n) 迭代第二次,但只有一次,并输出大于此特定元素的所有元素。

请特别注意,第二步可能很容易并行计算!当你需要一百万个最大的元素时,它也会很有效。

管理一个单独的列表是额外的工作,每次你找到另一个替代物时,你都必须在整个列表中移动东西。把它排序,选前100名。

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)。