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外排序(磁盘排序)之多路归并排序的简单实现(原创)

丹阳 算法&结构, 算法的力量 , 去评论

摘要:本文简要介绍了当数据量大到不适合在内存中排序时,利用磁盘进行排序的多路归并算法。

关键字:外排序,磁盘排序,多路归并

下面以一个包含很多个整数的大文件为例,来说明多路归并的外排序算法基本思想。假设文件中

整数个数为N(N是亿级的),整数之间用空格分开。首先分多次从该文件中读取M(十万级)个整数,

每次将M个文件在内存中使用快排序之后存入临时文件,然后使用多路归并将临时文件中的数据牌号序

存入输出文件。显然,该排序算法需要对每个整数做2次磁盘读和2次磁盘写。

下面代码是基于以上思想对包含大量整数文件的从小到大排序的一个简单实现,这里没有使用内存缓

冲区,在归并时简单使用一个数组来存储每个临时文件的第一个元素。


/*********使用多路归并进行外排序的类*************/

//ExternSort.h

/*
* 大数据量的排序
* 多路归并排序
* 以千万级整数从小到大排序为例
* 一个比较简单的例子,没有建立内存缓冲区
*/

#ifndef EXTERN_SORT_H
#define EXTERN_SORT_H

#include <cassert>

class ExternSort
{
public:
        void sort()
        {
                time_t start = time(NULL);
               
                //将文件内容分块在内存中排序,并分别写入临时文件
                int file_count = memory_sort();
               
                //归并临时文件内容到输出文件
                merge_sort(file_count);
               
                time_t end = time(NULL);
                printf("total time:%f\n", (end - start) * 1000.0/ CLOCKS_PER_SEC);
        }
       
        //input_file:输入文件名
        //out_file:输出文件名
        //count: 每次在内存中排序的整数个数
        ExternSort(const char *input_file, const char * out_file, int count)
        {
                m_count = count;
                m_in_file = new char[strlen(input_file) + 1];
                strcpy(m_in_file, input_file);
                m_out_file = new char[strlen(out_file) + 1];
                strcpy(m_out_file, out_file);
        }
        virtual ~ExternSort()
        {
                delete [] m_in_file;
                delete [] m_out_file;
        }
       
private:
        int m_count; //数组长度
        char *m_in_file;   //输入文件的路径
        char *m_out_file; //输出文件的路径
protected:
        int read_data(FILE* f, int a[], int n)
        {
                int i = 0;
                while(i < n && (fscanf(f, "%d", &a[i]) != EOF)) i++;
                printf("read:%d integer\n", i);
                return i;
        }
        void write_data(FILE* f, int a[], int n)
        {
                for(int i = 0; i < n; ++i)
                        fprintf(f, "%d ", a[i]);
        }
        char* temp_filename(int index)
        {
                char *tempfile = new char[100];
                sprintf(tempfile, "temp%d.txt", index);
                return tempfile;
        }
        static int cmp_int(const void *a, const void *b)
        {
                return *(int*)a - *(int*)b;
        }
       
        int memory_sort()
        {
                FILE* fin = fopen(m_in_file, "rt");
                int n = 0, file_count = 0;
                int *array = new int[m_count];
                //每读入m_count个整数就在内存中做一次排序,并写入临时文件
                while(( n = read_data(fin, array, m_count)) > 0)
                {
                        qsort(array, n, sizeof(int), cmp_int);
                        char *fileName = temp_filename(file_count++);
                        FILE *tempFile = fopen(fileName, "w");
                        free(fileName);
                        write_data(tempFile, array, n);
                        fclose(tempFile);
                }
                delete [] array;
                fclose(fin);
               
                return file_count;
        }
       
        void merge_sort(int file_count)
        {
                if(file_count <= 0) return;
                //归并临时文件
                FILE *fout = fopen(m_out_file, "wt");
                FILE* *farray = new FILE*[file_count];
                int i;
                for(i = 0; i < file_count; ++i)
                {
                        char* fileName = temp_filename(i);
                        farray[i] = fopen(fileName, "rt");
                        free(fileName);
                }
               
                int *data = new int[file_count];//存储每个文件当前的一个数字
                bool *hasNext = new bool[file_count];//标记文件是否读完
                memset(data, 0, sizeof(int) * file_count);
                memset(hasNext, 1, sizeof(bool) * file_count);
               
                for(i = 0; i < file_count; ++i)
                {
                        if(fscanf(farray[i], "%d", &data[i]) == EOF)//读每个文件的第一个数到data数组
                                hasNext[i] = false;
                }
                while(true)
                {
                        //求data中可用的最小的数字,并记录对应文件的索引
                        int max = data[0];
                        int j = 0;
                        for(i = 0; i < file_count; ++i)
                        {
                                if(hasNext[i] && max > data[i])
                                {
                                        max = data[i];
                                        j = i;
                                }
                        }
                        if(j == 0 && !hasNext[0]) break; //没有可取的数字,终止归并
                       
                        if(fscanf(farray[j], "%d", &data[j]) == EOF) //读取文件的下一个元素
                                hasNext[j] = false;
                        fprintf(fout, "%d ", max);
                       
                }
               
                delete [] hasNext;
                delete [] data;
               
                for(i = 0; i < file_count; ++i)
                {
                        fclose(farray[i]);
                }
                delete [] farray;
                fclose(fout);
        }
};

#endif

/**************测试主函数文件*****************************************/

/*
* 大文件排序
* 数据不能一次性全部装入内存
* 排序文件里有多个整数,整数之间用空格隔开
*/

#include <iostream>
#include <ctime>
#include <fstream>
#include "ExternSort.h"
using namespace std;

const unsigned int count = 100000000; // 文件里数据的行数

const unsigned int number_to_sort = 1000000; //在内存中一次排序的数量

const char *unsort_file = "unsort_data.txt"; //原始未排序的文件名

const char *sort_file = "sort_data.txt"; //已排序的文件名

void init_data(unsigned int num); //随机生成数据文件

int main(int argc, char* *argv)
{
        srand(time(NULL));
        init_data(count);
        ExternSort extSort(unsort_file, sort_file, number_to_sort);
        extSort.sort();
        system("pause");
        return 0;
}

void init_data(unsigned int num)
{
        FILE* f = fopen(unsort_file, "wt");
        for(int i = 0; i < num; ++i)
                fprintf(f, "%d ", rand());
        fclose(f);
}
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