coding4fun 词频统计的优化思路

在这次的coding4fun活动中已经有很多同学分享了精彩的优化思路。我的思路其实大同小异，下面就挑一些于众不同的地方分享吧：

第一个不同点：

在结构上选择了简化版的Trie作为查找结构。简化版Trie的结构就是一颗n叉树,每个节点对应一个状态。选择简化版Trie的原因是它的树状结构很容易用CAS实现无锁并行，而相比hashtable没有hash冲突和rehash的问题，相比复杂Trie结构如Double-ArrayTrie又比较容易实现：

简化版Trie的一个重要参数就是树的宽度（W），对应每一层有多少个子节点，它等于存放子节点的数组大小。如果W越大，每个节点占据的内存就越大，节点利用率就越低。Trie的每一层可以有不同的W,在极限外推下，如果Trie树的第一层W非常大，保证绝大部分节点在第一层能放下，这个内存结构就与hashtable没有太大区别了：

对Trie的调优集中在节点利用率上。如果节点利用率越高,相同单词量的情况下数据结构占据的内存就越小（假设内存能完全放下的话）,CPU随机访问这些节点的cachehit就会越高。——短时间内没法对树的查找复杂度O(logn)进行改造,所以只能设法降低数据结构的内存占用（工作集）。

Trie树的查找是先把输入拆分成一系列“状态”序列,然后根据这组状态序列在用“树”表示的状态迁移有向图中定位最终的节点。在简化的Trie结构中,“状态”的总数就决定了Trie树的宽度W。因此怎样把输入有效的拆分成“状态”或者说定位子节点index是同样重要的,例如输入字符串‘ABCDEFG’：

1. 如果按原始char内码拆分,生成的子节点index序列是：{65,66,67,68,69,70,71}，需要一棵W=256的Trie树存放；

2. 如果只考虑字母,忽略大小写压缩一下,生成的子节点index序列是：{0,1,2,3,4,5,6}，只需要一棵W=26的Trie树就能放下；

3. 如果在上一条的基础下,按Bit逐位拆分每个字母，则产生的index序列是：{0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,1,0,0,0,1,1,0,0,0,0,0,1,0,0,1,0,1,0,0,0,1,1,0,0},只需要W=2的Trie（它其实是棵二叉树）,但是查找路径会增加很多。

BTW：其实这就是BitwiseTrie，不过第一Java下不能利用CPU指令优化位运算，第二BitwiseTrie更适合定长输入，所以测试性能并不太友好。

1. 更加灵活（复杂）的拆分办法，在上述按Bit拆分的基础上,再合并相邻Bit增加宽度,降低查找路径。例如合并3位：{0,4,0,4,0,3,0,2,2,1,6,0},需要一个W=8的Trie存储。这个方法可以让任意W值的Trie树接受任意的状态序列输入。

为了方便对不同W和结构的Trie性能进行测试,我定义了一组Tries/Sequencer接口,由Tries接口维护“状态”数据结构，Sequencer产生“状态”的index序列。在全部的测试中我尝试了若干种不同的Tries和Sequencer实现，最后发现按照方式2来最大限度的压缩index序列的AlphabetSequencer与最简的SimpleTries/ConcurrentTries（使用CAS并行插入节点）实际性能最好。这一块就不多介绍了,大家有兴趣可以阅读Gitlab的代码。

第二个不同点：

与大部分同学利用内存映射文件一次性把文件读到内存不同，我在一开始就直接把文件平均分成若干个分区，让每个工作线程单独扫描一个分区进行分词，这样可以实现完全并行：

因为平均分区这个办法太简单,可能会出现尾部“半个单词”的问题,漏掉分区结尾的单词。解决尾部半个单词的办法很简单，写成伪代码是这样的：

If（不是从文件开头读取）{

忽略分区的第一个单词；

}

读取和计算分区中的单词；

If（没有读到文件末尾）{

继续向后多读一个单词，直到单词结束；

}

具体的并发执行过程如下图。其中并发加载是最慢的，消耗一般在3s以上，而并发排序一般是6x-8x毫秒：

实际调优中发现,尽管多个线程并发访问相同的数据结构,但是因为单词总量不大（3w多）,Trie树的绝大部分节点都是在运行的最初阶段插入的,CAS冲突消耗的时间很少（100-200ms级别）,主要的消耗还是在树查找与内存访问。