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PingCAP 小作业 - 大文件中查找第一个非重复的单词

开始时间 | 北京时间：2019 年 3 月 27 日，

截止时间 | 北京时间：2019 年 4 月 3 日，

作业要求：在 GitHub 上实现，截止时间前提交项目链接

题目:

有一个 100GB 的文件，里面内容是文本，要求：

  1. 找出第一个不重复的词
  2. 只允许扫一遍原文件
  3. 尽量少的 IO
  4. 内存限制 16G

提示：

  • 注意代码可读性，添加必要的注释（英文）
  • 注意代码风格与规范，添加必要的单元测试和文档
  • 注意异常处理，尝试优化性能

解题思路

  1. 首先以字节流的方式读取 input 文件，将读到的每个词通过哈希运算和取余操作保存到不同的切片文件中。保存的同时附上单词的序号。
  2. 依次读取每个切片文件到内存中，利用 hashmap 统计每个词的出现频率。
  3. 在当前切片文件的出现次数为 1 的词中，找出最早出现的那一个词，即序号最小的词。
  4. 待所有切片文件读取完成后，比较并找出不同切片文件之间序号最小的词。

算法分析

算法需要在第一步读取整个 input 文件，然后写入到不同的切片文件中，在第二步依次读取所有切片文件，然后统计频率和找出序号最小的词。 整体需要 2 次完整的文件读取，和 1 次完整的文件写入，一共三次 IO 操作。

算法优化

为了减少文件 IO，首先想到的方法是压缩切片文件，我使用了 golang 标准库中的 gob 序列化单词数据到切片文件中，可以获得较快的序列化速度和较好的压缩效果。

在读取 input 文件的过程中，可以建立一个 hashmap，进行频率统计和单词去重的工作。当读了很多的内容时（快要超过内存限制时），将 hashmap 中的单词通过哈希函数序列化到磁盘上的不同切片文件中，再释放其占用的内存。重复这个过程直到读完。读取分片文件时，一次性读进内存，重新构建一个 hashmap，合并读到的相同的词。和原来直接写入每个单词的做法相比，多了在写入磁盘前使用 hashmap 进行去重的步骤，会极大地较少对磁盘的写入的数据量。

最后，可以在一些细节上进行优化，比如创建的 Map 设定较大的 len，避免迭代过程中进行动态扩容。对迭代过程中临时变量（[]byte 类型）设定较大的 cap ，并且每次拿出字符串后就地清空，而不是重新赋值，这样做同样可以减少新申请内存和动态扩容带来的开销。

PS: 新创建的 Map 所设定的 len 默认是 10000。我对一本文学著作（《1984》乔治·奥威尔）进行分析，发现自然语言组成的英文文本数据中，真正出现的英文单词一般不会超过 10000 个，因此取了 10000 作为 Map 默认长度。

实际测试

测试环境

硬件： Intel i7-4700MQ / 8G RAM

系统： Windows 10 / Golang 1.11

测试集采用字母表前 11 个字母生成的全排列，总计约 4x10^8 个不同的单词，每个单词长度为11，文件大小约 400M。 通过函数 createTestInput 产生测试集文件。

文件切片数量设置为 10。测试的方法见下方 debug 部分说明。

测试结果

下图显示了每次 GC 过程中内存的变化情况：

GC 过程中的内存分配情况

从上图可以看出，整体堆大小一直维持在 2G 以内。每次 GC 都能回收掉一半左右的堆空间。为新建的对象腾出很多空间来。

下图展示了每次即将清理超大对象时的内存分配情况（内存单位为 MB）：

完成大文件读写时的内存分配情况

上图显示了程序的内存使用峰值情况，可以看出，程序的内存并不会无限增长，在堆上实际分配的内存最大在 1G 左右。 每次 GC，几乎都能回收 500-1500MB 不等的空闲内存。向系统申请的总内存，不会超过 2.8GB。

综上，通过分而治之的方法解决这个问题，效果拔群。

进一步优化

可以通过 pprof 工具对程序的 cpu 占用和 heap 使用情况进行详细分析，找到性能瓶颈进行进一步的优化。可能的几个优化方向有：

  • 使用 goroutine 并发处理，可以充分利用多线程 CPU 资源。
  • 采用 MapReduce 的思想，先将 input 文件分成几块，传到不同的机器上，在不同机器上进行 hash 映射分割，将切片文件传到不同的机器中，找各自切片中最早出现的非重复元素，最后合并结果即可。这样可以成倍地提升 CPU 资源和磁盘 IO 能力，但网络带宽可能成为新的瓶颈。
  • 采取整存整取的策略（对于HDD磁盘），例如 Block 大小为 64MB，我们写入磁盘时尽量让数据量保持为 64MB 的整数倍，这样避免数据划分太细，被分散在磁盘的各个位置，读写时跨磁盘扇区导致的耗时过长问题。
  • 重写一些占用内存较多的或者 CPU 开销较大的标准库函数，以提升性能。比如 strings.ToLower() 函数，参数为字符串变量（string），可以重写一个功能一样的函数，参数改为 []byte 类型的变量，避免了进行类型转换，可以减少 CPU 和内存开销。
  • 用 cgo 等手段，手动进行内存管理，可以避免 golang GC带来的开销（GC时会 stop the world）。例如，可以用 unsafe.Pointer 和 reflect.MapHeader 自定义一个类似 Map 的数据结构，并且手动为其分配内存和释放内存，达到最高的效率。

使用指南

下载仓库到本地

go get github.com/Deardrops/pingcapAssignment

进入项目文件夹

cd $GOPATH/src/github.com/Deardrops/pingcapAssignment

运行程序

go run . --input=1984.txt --count=10 --mapLen=10000
参数说明（可以通过 --help 查看参数说明）
  • input：input 文件的路径，默认为 input.txt
  • count：切片文件的数目，默认为 10
  • mapLen：为每个新建的 Map 对象设定的 len，默认值为 10000

运行测试

go test -v

本项目附有完整的单元测试。

Debug

主要通过两种方式查看内存分配情况：

一种是设定环境变量 GODEBUG="gctrace=1"，然后运行程序，可以看到每次 GC 时堆上的空间变化情况。

另一种是在 main 函数中令全局变量 DEBUG=true，使用 golang 的 runtime 库查看内存分配情况。

参考资料

  1. 通过 Go 语言学习测试驱动开发
  2. golang 如何排查和定位 GC 问题
  3. Golang 之 bytes.buffer
  4. Leetcode - 全排列问题
  5. 知乎 - golang 的 gc 如何处理 map
  6. golang 内存分析 / 动态追踪
  7. go pprof 性能分析
  8. Golang 大杀器之性能剖析 PProf
  9. golang 开启 GODEBUG=gctrace=1 显示信息的含义
  10. golang bufio、ioutil 读文件的速度比较（性能测试）和影响因素分析