外部排序详解:从概念到多路归并
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更新于2024-07-03
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"数据结构课件:第11章 外部排序.ppt"
外部排序是计算机科学中处理大量数据时的重要技术,特别是在内存不足以一次性容纳所有数据的情况下。本课件详细介绍了外部排序的基本概念、方法及其优化策略。
1. 外部排序的概念:
外部排序是指在内存不足以一次性处理所有数据的情况下,需要借助外部存储设备(如磁盘或磁带)进行数据排序的一种技术。在排序过程中,数据需要频繁地在内存和外存之间交换,以完成整个排序过程。
2. 多路平衡归并排序:
外部排序常采用多路平衡归并排序作为基本方法。该方法首先将大文件划分为多个小段,每个段通过内排序算法(如快速排序、插入排序等)在内存中进行预处理,然后将这些小段(称为归并段或顺串)写回外存。接着,通过多次归并操作,逐步合并这些归并段,直到最后形成一个有序的大文件。
3. 归并排序过程:
- 阶段一:构建归并段。将大文件分成多个小段,对每个段进行内排序,生成初始归并段。
- 阶段二:归并操作。采用归并树策略,每次将两个或更多已排序的小段合并成一个更大的有序段,重复此过程,直至所有段合并成一个大段。
4. 归并趟数和效率:
- 归并趟数s等于归并树的高度,即s=⌈log km⌉,其中k表示每次归并的段数,m是原始段数。
- 归并过程中涉及读写操作次数,包括内部排序时间tIS、外存读写时间tIO和内部归并时间tmg。总时间tES=m*tIS+d*tIO+s*u*tmg,其中d是总的读写次数,与归并趟数和段大小有关。
5. 性能优化:
- 为了减少外排序的时间,关键在于减少外存读写的次数d。可以通过增大每次归并的段数k来降低d,但会增加内部归并的复杂性。
- 在实际应用中,通常会根据硬件性能和数据量选择最优的k值,以平衡内外存操作的成本。
6. 示例分析:
- 假设有一个包含10000个记录的文件,分为10个段,每段1000个记录。采用2路归并,需要4趟归并,总读写次数为500次。总时间取决于内部排序、外存读写和内部归并的具体时间。
通过理解外部排序的原理和优化策略,可以有效地处理大规模数据的排序问题,提高计算机处理大数据的能力。对于实际应用中的数据处理系统设计,掌握外部排序技术至关重要,尤其是在大数据分析和云计算等领域。
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