分治算法

定义

将原问题划分成n个规模较小,并且结构与原问题相似的子问题,递归地解决这些子问题,然后再合并其结果,就得到原问题的解。

每一次递归都会涉及三个操作

  • 分解:将原问题分解成一系列子问题;
  • 解决:递归地求解各个子问题,若子问题足够小,则直接求解;
  • 合并:将子问题的结果合并成原问题;

使用分治算法的前提条件

  • 原问题与分解成的小问题具有相同的模式;
  • 原问题分解成的子问题可以独立求解,子问题之间没有相关性,这一点是分治算法跟动态规划的明显区别;
  • 具有分解终止条件,也就是说,当问题足够小时,可以直接求解;
  • 可以将子问题合并成原问题,而这个合并操作的复杂度不能太高,否则就起不到减小算法总体复杂度的效果了。

分治算法实践

  1. 如何编程求出一组数据的有序对个数或者逆序对个数呢?
    解答:使用归并排序算法

public class MergeSort {

    private int num = 0;
    
    public int count(int[] a, int n) {
        
        num = 0;
        mergeSortCount(a, 0, n - 1);
        return num;
    }
    
    private void mergeSortCount(int[] a, int p, int r) {
        
        if (p >= r) {
            
            return;
        }
        
        int q = (p + r) / 2;
        mergeSortCount(a, p, q);
        mergeSortCount(a, q + 1, r);
        merge(a, p, q, r);
    }
    
    private void merge(int[] a, int low, int middle, int high) {
        
        int i = low;
        int j = middle + 1;
        int k = 0;
        int[] tmp = new int[high - low + 1];
        while (i <= middle && j <= high) {
            
            if (a[i] <= a[j]) {
                
                tmp[k++] = a[i++];
            }
            else {
                
                num += (middle - i + 1); //统计middle-low之间,比a[j]大的元素个数
                tmp[k++] = a[j++];
            }
        }
        
        while (i <= low) {
            
            tmp[k++] = a[i++];
        }
        
        while (j <= high) {
            
            tmp[k++] = a[j++];
        }
        
        for (i = 0; i <= high - low; ++i) {
            
            a[low + i] = tmp[i];
        }
    }
}

  1. 二位平面上有n个点,如何快速计算出两个距离最近的点对?
    解答:分成两块单独求其中一块点对最小距离,然后求这两块之间点对的最小距离,通过一些排序和删除,可以减少到6个点之间比较。

  2. 有两个nn的矩阵A,B,如何快速求解两个矩阵的乘积C=AB?
    解答:v.斯特拉森提出了2*2分块矩阵的计算公式 从原来的8次乘法 缩减到了7次
    当n规模很大的时候 缩减效果就很明显 (7/8)^(logn)

  3. 给10GB的订单文件按照金额排序?
    解答:我们先扫描一遍订单,根据订单的金额,将10GB的文件划分为几个金额区间。

  4. 为什么说MapReduce的本质就是分治思想?
    解答:MapReduce框架只是一个任务调度器,底层依赖GFS来存储数据,依赖Borg管理处理器。它从GFS中拿数据,交给Borg中的机器执行,并且时刻监控机器执行的速度,一旦出现机器宕机、进度卡壳等,就重新从Borg中调度一台机器执行。

典型的应用场景

  • 用来指导编码,降低问题求解的时间复杂度
  • 解决海量数据处理问题

解释

  • Google文件系统(英语:Google File System,缩写为GFS或GoogleFS),一种专有分布式文件系统,由Google公司开发,运行于Linux平台上

  • BigTable是一种压缩的、高性能的、高可扩展性的,基于Google文件系统(Google File System,GFS)的数据存储系统,用于存储大规模结构化数据,适用于云端计算

  • MapReduce是Google提出的一个软件架构,用于大规模数据集(大于1TB的并行运算)。

创新并非离我们很远,创新的源泉来自对事物本质的认识。无数优秀架构设计的思想来源都是基础的数据结构和算法,这本身就是算法的一个魅力所在。

38 | 分治算法:谈一谈大规模计算框架MapReduce中的分治思想

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