我尝试解决 Hackerland Radio Transmitters programming challange .
总而言之,挑战如下:
Hackerland is a one-dimensional city with n houses, where each house i is located at some xi on the x-axis. The Mayor wants to install radio transmitters on the roofs of the city's houses. Each transmitter has a range, k, meaning it can transmit a signal to all houses ≤ k units of distance away.
Given a map of Hackerland and the value of k, can you find the minimum number of transmitters needed to cover every house?
我的实现如下:
package biz.tugay;
import java.util.*;
public class HackerlandRadioTransmitters {
public static int minNumOfTransmitters(int[] houseLocations, int transmitterRange) {
// Sort and remove duplicates..
houseLocations = uniqueHouseLocationsSorted(houseLocations);
int towerCount = 0;
for (int nextHouseNotCovered = 0; nextHouseNotCovered < houseLocations.length; ) {
final int towerLocation = HackerlandRadioTransmitters.findNextTowerIndex(houseLocations, nextHouseNotCovered, transmitterRange);
towerCount++;
nextHouseNotCovered = HackerlandRadioTransmitters.nextHouseNotCoveredIndex(houseLocations, towerLocation, transmitterRange);
if (nextHouseNotCovered == -1) {
break;
}
}
return towerCount;
}
public static int findNextTowerIndex(final int[] houseLocations, final int houseNotCoveredIndex, final int transmitterRange) {
final int houseLocationWeWantToCover = houseLocations[houseNotCoveredIndex];
final int farthestHouseLocationAllowed = houseLocationWeWantToCover + transmitterRange;
int towerIndex = houseNotCoveredIndex;
int loop = 0;
while (true) {
loop++;
if (towerIndex == houseLocations.length - 1) {
break;
}
if (farthestHouseLocationAllowed >= houseLocations[towerIndex + 1]) {
towerIndex++;
continue;
}
break;
}
System.out.println("findNextTowerIndex looped : " + loop);
return towerIndex;
}
public static int nextHouseNotCoveredIndex(final int[] houseLocations, final int towerIndex, final int transmitterRange) {
final int towerCoversUntil = houseLocations[towerIndex] + transmitterRange;
int notCoveredHouseIndex = towerIndex + 1;
int loop = 0;
while (notCoveredHouseIndex < houseLocations.length) {
loop++;
final int locationOfHouseBeingChecked = houseLocations[notCoveredHouseIndex];
if (locationOfHouseBeingChecked > towerCoversUntil) {
break; // Tower does not cover the house anymore, break the loop..
}
notCoveredHouseIndex++;
}
if (notCoveredHouseIndex == houseLocations.length) {
notCoveredHouseIndex = -1;
}
System.out.println("nextHouseNotCoveredIndex looped : " + loop);
return notCoveredHouseIndex;
}
public static int[] uniqueHouseLocationsSorted(final int[] houseLocations) {
Arrays.sort(houseLocations);
final HashSet<Integer> integers = new HashSet<>();
final int[] houseLocationsUnique = new int[houseLocations.length];
int innerCounter = 0;
for (int houseLocation : houseLocations) {
if (integers.contains(houseLocation)) {
continue;
}
houseLocationsUnique[innerCounter] = houseLocation;
integers.add(houseLocationsUnique[innerCounter]);
innerCounter++;
}
return Arrays.copyOf(houseLocationsUnique, innerCounter);
}
}
我很确定这个实现是正确的。但是请看函数中的细节: findNextTowerIndex 和 nextHouseNotCoveredIndex:它们会一一遍历数组!
我的一个测试如下:
static void test_01() throws FileNotFoundException {
final long start = System.currentTimeMillis();
final File file = new File("input.txt");
final Scanner scanner = new Scanner(file);
int[] houseLocations = new int[73382];
for (int counter = 0; counter < 73382; counter++) {
houseLocations[counter] = scanner.nextInt();
}
final int[] uniqueHouseLocationsSorted = HackerlandRadioTransmitters.uniqueHouseLocationsSorted(houseLocations);
final int minNumOfTransmitters = HackerlandRadioTransmitters.minNumOfTransmitters(uniqueHouseLocationsSorted, 73381);
assert minNumOfTransmitters == 1;
final long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Took: " + (end - start) + " milliseconds..");
}
input.txt 可以从 here 下载. (这不是这个问题中最重要的细节,但仍然..)所以我们有一个 73382 房屋的数组,我特意设置了发射器范围,所以我的方法循环了很多:
这是在我的机器上测试的示例输出:
findNextTowerIndex looped : 38213
nextHouseNotCoveredIndex looped : 13785
Took: 359 milliseconds..
我也有这个测试,它不断言任何东西,只是保持时间:
static void test_02() throws FileNotFoundException {
final long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 400; i ++) {
final File file = new File("input.txt");
final Scanner scanner = new Scanner(file);
int[] houseLocations = new int[73382];
for (int counter = 0; counter < 73382; counter++) {
houseLocations[counter] = scanner.nextInt();
}
final int[] uniqueHouseLocationsSorted = HackerlandRadioTransmitters.uniqueHouseLocationsSorted(houseLocations);
final int transmitterRange = ThreadLocalRandom.current().nextInt(1, 70000);
final int minNumOfTransmitters = HackerlandRadioTransmitters.minNumOfTransmitters(uniqueHouseLocationsSorted, transmitterRange);
}
final long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println("Took: " + (end - start) + " milliseconds..");
}
我随机创建 400 个发射器范围,并运行程序 400 次。我将在我的机器中获得如下运行时间。
Took: 20149 milliseconds..
所以现在,我说,我为什么不使用二进制搜索而不是遍历数组,并将我的实现更改如下:
public static int findNextTowerIndex(final int[] houseLocations, final int houseNotCoveredIndex, final int transmitterRange) {
final int houseLocationWeWantToCover = houseLocations[houseNotCoveredIndex];
final int farthestHouseLocationAllowed = houseLocationWeWantToCover + transmitterRange;
int nextTowerIndex = Arrays.binarySearch(houseLocations, 0, houseLocations.length, farthestHouseLocationAllowed);
if (nextTowerIndex < 0) {
nextTowerIndex = -nextTowerIndex;
nextTowerIndex = nextTowerIndex -2;
}
return nextTowerIndex;
}
public static int nextHouseNotCoveredIndex(final int[] houseLocations, final int towerIndex, final int transmitterRange) {
final int towerCoversUntil = houseLocations[towerIndex] + transmitterRange;
int nextHouseNotCoveredIndex = Arrays.binarySearch(houseLocations, 0, houseLocations.length, towerCoversUntil);
if (-nextHouseNotCoveredIndex > houseLocations.length) {
return -1;
}
if (nextHouseNotCoveredIndex < 0) {
nextHouseNotCoveredIndex = - (nextHouseNotCoveredIndex + 1);
return nextHouseNotCoveredIndex;
}
return nextHouseNotCoveredIndex + 1;
}
我期待性能大幅提升,因为现在我最多会循环 log(N) 次,而不是 O(N).. 所以 test_01 输出:
Took: 297 milliseconds..
请记住,之前是 359 毫秒。对于 test_02:
Took: 18047 milliseconds..
所以我总是在 20 秒左右获得数组遍历实现的值,而对于二分搜索实现,我总是在 18 - 19 秒左右。
我期待使用 Arrays.binarySearch 获得更好的性能提升,但显然不是这样,这是为什么呢?我错过了什么?我是否需要一个超过 73382 的数组才能看到好处,还是无关紧要?
编辑#01
在@huck_cussler 发表评论后,我尝试将我拥有的数据集(使用随机数)加倍和三倍,并尝试运行 test02(当然,在测试本身中将数组大小增加三倍..)。对于线性实现,时间是这样的:
Took: 18789 milliseconds..
Took: 34396 milliseconds..
Took: 53504 milliseconds..
对于二分搜索实现,我得到的值如下:
Took: 18644 milliseconds..
Took: 33831 milliseconds..
Took: 52886 milliseconds..
最佳答案
您的时间包括从硬盘驱动器中检索数据。这可能会占用您的大部分运行时间。从您的时间中省略数据加载,以便更准确地比较您的两种方法。想象一下,如果它需要 18 秒,并且您将 18.644 与 18.789(0.77% 改进)而不是 0.644 与 0.789(18.38% 改进)进行比较。
如果你有一个线性运算 O(n),例如加载一个二进制结构,并且你将它与二进制搜索 O(log n) 结合起来,你最终会得到 O(n)。如果您相信大 O 表示法,那么您应该期望 O(n + log n) 与 O(2 * n) 没有显着差异,因为它们都减少到 O(n)。
此外,二分搜索可能比线性搜索执行得更好或更差,具体取决于塔之间的房屋密度。假设有 1024 座房屋,每 4 座房屋均匀分布有一座塔。线性搜索每塔需要 4 步,而二分搜索每塔需要 log2(1024)=10 步。
还有一件事……您的 minNumOfTransmitters 方法正在对从 test_01 和 test_02 传入的已排序数组进行排序。该诉诸步骤比您的搜索本身花费的时间更长,这进一步掩盖了您的两种搜索算法之间的时间差异。
======
我创建了一个小型计时类(class),以便更好地了解正在发生的事情。我已经从 minNumOfTransmitters 中删除了这行代码以防止它重新运行排序,并添加了一个 boolean 参数来选择是否使用您的二进制版本。它总计 400 次迭代的总和,分离出每个步骤。我系统上的结果表明,加载时间使排序时间相形见绌,而排序时间又使求解时间相形见绌。
Load: 22.565s
Sort: 4.518s
Linear: 0.012s
Binary: 0.003s
很容易看出优化最后一步对整体运行时间没有太大影响。
private static class Timing {
public long load=0;
public long sort=0;
public long solve1=0;
public long solve2=0;
private String secs(long millis) {
return String.format("%3d.%03ds", millis/1000, millis%1000);
}
public String toString() {
return " Load: " + secs(load) + "\n Sort: " + secs(sort) + "\nLinear: " + secs(solve1) + "\nBinary: " + secs(solve2);
}
public void add(Timing timing) {
load+=timing.load;
sort+=timing.sort;
solve1+=timing.solve1;
solve2+=timing.solve2;
}
}
static Timing test_01() throws FileNotFoundException {
Timing timing=new Timing();
long start = System.currentTimeMillis();
final File file = new File("c:\\path\\to\\xnpwdiG3.txt");
final Scanner scanner = new Scanner(file);
int[] houseLocations = new int[73382];
for (int counter = 0; counter < 73382; counter++) {
houseLocations[counter] = scanner.nextInt();
}
timing.load+=System.currentTimeMillis()-start;
start=System.currentTimeMillis();
final int[] uniqueHouseLocationsSorted = HackerlandRadioTransmitters.uniqueHouseLocationsSorted(houseLocations);
timing.sort=System.currentTimeMillis()-start;
start=System.currentTimeMillis();
final int minNumOfTransmitters = HackerlandRadioTransmitters.minNumOfTransmitters(uniqueHouseLocationsSorted, 73381, false);
timing.solve1=System.currentTimeMillis()-start;
start=System.currentTimeMillis();
final int minNumOfTransmittersBin = HackerlandRadioTransmitters.minNumOfTransmitters(uniqueHouseLocationsSorted, 73381, true);
timing.solve2=System.currentTimeMillis()-start;
final long end = System.currentTimeMillis();
return timing;
}
关于java - 为什么 Arrays.binarySearch 与遍历数组相比没有提高性能?,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/43620487/
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