BAT面试上机题从3亿个ip中找出访问次数最多的IP详解

我们面临的问题有以下两点:
1)数据量太大,无法在短时间内解决;
2)内存不够,没办法装下那么多的数据。
而对应的办法其实也就是分成1)针对时间,合适的算法+合适的数据结构来提高处理效率;2)针对空间,就是分而治之,将大数据量拆分成多个比较小的数据片,然后对其各个数据片进行处理,最后再处理各个数据片的结果。
原文中也给出一个问题,"从3亿个ip中访问次数最多的IP",就试着来解决一下吧。
1)首先,生成3亿条数据,为了产生更多的重复ip,前面两节就不变了,只随机生成后面的2节。

private static String generateIp() {
		return "192.168." + (int) (Math.random() * 255) + "."
				+ (int) (Math.random() * 255) + "\n";
	}
	private static void generateIpsFile() {
		File file = new File(FILE_NAME);
		try {
			FileWriter fileWriter = new FileWriter(file);
			for (int i = 0; i < MAX_NUM; i++) {
				fileWriter.write(generateIp());
			}
			fileWriter.close();
		} catch (IOException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
	}

1个char是一个Byte,每个ip大概是11Btye,所以生成的ip文件,大概是3,500,000 KB,如下:

图片描述

2)文件生成了,那么我们现在就要假设内存不是很够,没有办法一次性装入那么多的数据,所以要先把文件给拆分成多个小文件。
在这里采取的是就是Hash取模的方式,将字符串的ip地址给转换成一个长整数,并将这个数对3000取模,将模一样的ip放到同一个文件,这样就能够生成3000个小文件,每个文件就只有1M多,在这里已经是足够小的了。
首先是hash跟取模函数:

private static String hash(String ip) {
		long numIp = ipToLong(ip);
		return String.valueOf(numIp % HASH_NUM);
	}
 
	private static long ipToLong(String strIp) {
		long[] ip = new long[4];
		int position1 = strIp.indexOf(".");
		int position2 = strIp.indexOf(".", position1 + 1);
		int position3 = strIp.indexOf(".", position2 + 1);
 
		ip[0] = Long.parseLong(strIp.substring(0, position1));
		ip[1] = Long.parseLong(strIp.substring(position1 + 1, position2));
		ip[2] = Long.parseLong(strIp.substring(position2 + 1, position3));
		ip[3] = Long.parseLong(strIp.substring(position3 + 1));
		return (ip[0] << 24) + (ip[1] << 16) + (ip[2] << 8) + ip[3];
	}

2.1)将字符串的ip转换成长整数
2.2)对HASH_NUM,这里HASH_NUM = 3000;
下面是拆文件的函数:

private static void divideIpsFile() {
		File file = new File(FILE_NAME);
		Map<String, StringBuilder> map  = new HashMap<String,StringBuilder>();
		int count = 0;
		try {
			FileReader fileReader = new FileReader(file);
			BufferedReader br = new BufferedReader(fileReader);
			String ip;
			while ((ip = br.readLine()) != null) {
				String hashIp = hash(ip);
				if(map.containsKey(hashIp)){
					StringBuilder sb = (StringBuilder)map.get(hashIp);
					sb.append(ip).append("\n");
					map.put(hashIp, sb);
				}else{
					StringBuilder sb = new StringBuilder(ip);
					sb.append("\n");
					map.put(hashIp, sb);
				}
				count++;
				if(count == 4000000){
					Iterator<String> it = map.keySet().iterator();					
					while(it.hasNext()){
						String fileName = it.next();
						File ipFile = new File(FOLDER + "/" + fileName + ".txt");
						FileWriter fileWriter = new FileWriter(ipFile, true);
						StringBuilder sb = map.get(fileName);				
						fileWriter.write(sb.toString());;
						fileWriter.close();
					}
					count = 0;
					map.clear();
				}
			}
			br.close();
		} catch (FileNotFoundException e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		} catch (Exception e) {
			// TODO Auto-generated catch block
			e.printStackTrace();
		}
	}

2.3)在这里,我们如果每读取一个ip,经过hash映射之后,就直接打开文件,将其加到对应的文件末尾,那么有3亿条ip,我们就要读写文件3亿次,那IO开销的时候就相当大,所以我们可以先拿一个Map放着,等到一定的规模之后,再统一写进文件,然后把map清空,继续映射,这样的话,就能够提高折分的速度。而这个规模,就是根据能处理的内存来取的值的,如果内存够大,这个值就可以设置大点,如果内存小,就要设置小一点的值,IO开销跟内存大小,总是需要在这两者之间的取个平衡点的。
可以看到,这样我们拆分成了3000个小文件,每个文件只有1100KB左右,所耗的时间如下,17分钟到18分钟左右:

图片描述

Start Divide Ips File: 06:18:11.103
End:                   06:25:44.134

而这种映射可以保证同样的IP会映射到相同的文件中,这样后面在统计IP的时候,就可以保证在a文件中不是最多次数的ip(即使是第2多),也不会出现在其它的文件中。
3)文件拆分了之后,接下来我们就要分别读取这3000个小文件,统计其中每个IP出现的次数。

private static void calculate() {
		File folder = new File(FOLDER);
		File[] files = folder.listFiles();
		FileReader fileReader;
		BufferedReader br;
		for (File file : files) {
			try {
				fileReader = new FileReader(file);
				br = new BufferedReader(fileReader);
				String ip;
				Map<String, Integer> tmpMap = new HashMap<String, Integer>();
				while ((ip = br.readLine()) != null) {
					if (tmpMap.containsKey(ip)) {
						int count = tmpMap.get(ip);
						tmpMap.put(ip, count + 1);
					} else {
						tmpMap.put(ip, 0);
					}
				}	
				fileReader.close();
				br.close();
				count(tmpMap,map);
				tmpMap.clear();
			} catch (FileNotFoundException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			} catch (IOException e) {
				// TODO Auto-generated catch block
				e.printStackTrace();
			}
		}
		
		count(map,finalMap);		
		Iterator<String> it = finalMap.keySet().iterator();
		while(it.hasNext()){
			String ip = it.next();
			System.out.println("result IP : " + ip + " | count = " + finalMap.get(ip));
		}
		
	}		
 
	private static void count(Map<String, Integer> pMap, Map<String, Integer> resultMap) {
		Iterator<Entry<String, Integer>> it = pMap.entrySet().iterator();
		int max = 0;
		String resultIp = "";
		while (it.hasNext()) {
			Entry<String, Integer> entry = (Entry<String, Integer>) it.next();
			if (entry.getValue() > max) {
				max = entry.getValue();
				resultIp = entry.getKey();
			}
		}
		resultMap.put(resultIp,max);	
	}

3.1)第一步要读取每个文件,将其中的ip放到一个Map中,然后调用count()方法,找出map中最大访问次数的ip,将ip和最多访问次数存到另外一个map中。
3.2)当3000个文件都读取完之后,我们就会产生一个有3000条记录的map,里面存储了每个文件中访问次数最多的ip,我们再调用count()方法,找出这个map中访问次数最大的ip,即这3000个文件中,哪个文件中的最高访问量的IP,才是真正最高的,好像小组赛到决赛一样。。。。
3.3)在这里没有用到什么堆排序和快速排序,因为只需要一个最大值,所以只要拿当前的最大值跟接下来的值判断就好,其实也相当跟只有一个元素的堆的堆顶元素比较。
下面就是我们的结果 。

Start Calculate Ips: 06:37:51.088
result IP : 192.168.67.98 | count = 1707
End: 06:54:30.221

到这里,我们就把这个ip给查找出来了。
其实理解了这个思路,其它的海量数据问题,虽然可能各个问题有各个问题的特殊之处,但总的思路我觉得应该是相似的。