18.6 Describe an algorithm to find the smallest one million numbers in one billion numbers. Assume that the computer memory can hold all one billion numbers.

这道题让我们在十亿个数字中找到最小的一百万个数字,而且限定了计算机只有能存十亿个数字的内存。这题有三种解法,排序,最小堆,和选择排序。

首先来看排序方法,这种方法简单明了,就是把这十亿个数字按升序排列,然后返回前一百万个即可,时间复杂度是O(nlgn)。

然后来看最小堆做法,我们建立一个最大堆(大的数字在顶端),然后将前一百万个数字加进去。然后我们开始遍历剩下的数字,对于每一个数字,我们将其加入堆中,然后删掉堆中最大的数字。遍历接受后,我们就有了一百万个最小的数字,时间复杂度是O(nlgm),其中m是我们需要找的数字个数。

最后我们来看选择排序的方法,这种方法可以在线性时间内找到第i个最大或最小的数,如果数字都不是不同的,那么我们可以在O(n)的时间内找到第i个最小的数字,算法如下:

1. 随机选取数组中的一个数字当做pivot,然后以此来分割数组,记录分割处左边的数字的个数。

2. 如果左边正好有i个数字,那么返回左边最大的数字。

3. 如果左边数字个数大于i,那么继续在左边递归调用这个方法。

4. 如果左边数字个数小于i,那么在右边递归调用这个方法,但是此时的rank变为i - left_size。

参见代码如下:

int partition(vector<int> &array, int left, int right, int pivot) {
while (true) {
while (left <= right && array[left] <= pivot) ++left;
while (left <= right && array[right] > pivot) --right;
if (left >right) return left - ;
swap(array[left], array[right]);
}
} int find_max(vector<int> &array, int left, int right) {
int res = INT_MIN;
for (int i = left; i <= right; ++i) {
res = max(res, array[i]);
}
return res;
} int selection_rank(vector<int> &array, int left, int right, int rank) {
int pivot = array[rand() % (right - left + ) + left];
int left_end = partition(array, left, right, pivot);
int left_size = left_end - left + ;
if (left_size == rank + ) return find_max(array, left, left_end);
else if (rank < left_size) return selection_rank(array, left, left_end, rank);
else return selection_rank(array, left_end + , right, rank - left_size);
}

一旦找到了第i个最小的数字后,就可以遍历整个数组来找所有小于等于该数字的元素。当数组有重复元素的话,需要修改一些地方,但是时间就不能保证是线性的了。其实也有算法能线性时间内处理有重复的数组,但是比较复杂,有兴趣的请自行搜索研究。

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