问题：我们的优先级队列很慢
好了，我们已经有一个完整的解决方案，是时候处理优先级队列的实现了。让我们快速回顾一下我们需要的方法：
- • push() – 添加item
- • peek() – 获取到期时间/优先级最低的项目/桶
- • remove() – 删除item
- • pop() – 未使用
我们在维基百科上看到优先级队列没有删除操作。其次，我们的delete()只能从一个队列中pop()，并且需要从另一个队列中remove()。
问题就在这里：我们需要维护两个独立的优先级队列。
现在，我们将快速连续地介绍一些数据结构，如果没有准备，这可能会有点不知所措。请记住，我们并不关心它们是如何工作的（至少现在还不关心），我们只是根据规格货比三家。
堆
如果你在文档中搜索“priority queues”，你会发现heapq，
[...]供堆队列(heqp queue)算法（也称为优先级队列算法）的实现。
继续阅读，我们发现了大量关于实现优先级队列的注释，特别有趣的是使用(priority，item)元组（已经在这样做了！）并删除条目：
删除条目或更改其优先级更加困难，因为它会破坏堆结构的不变性。因此，一个可能的解决方案是将条目标记为已删除，并添加一个具有修订后的优先级的新条目。
需要这种解决方法，因为虽然可以在 O(log n) 中删除第 i 个元素，但找到它的索引是 O(n)。总而言之，我们有：
sort | heapq | |
|---|---|---|
push() | O(n) | O(log n) |
peek() | O(1) | O(1) |
pop() | O(n) | O(log n) |
remove() | O(n) | O(n) |
不过，通过一些缓解的假设，heapq可以工作：
- • 我们可以假设优先级是静态的，因此存储桶永远不会被remove
- • 无论如何，待删除的到期时间迟早会被弹出。我们可以假设大多数逐出是由于过期的项目，并且由于低优先级（即当缓存已满时）和项目更新而被逐出的项目很少见（两者都会导致待删除的条目在过期队列中累积）
bisect
bisect是找到元素的一种方法，它的时间复杂的优于O(n) ：
[...]支持按排序顺序维护列表，而不必在每次插入后对列表进行排序。
这可能会改进我们幼稚的实现;悲剧的是，进一步阅读性能说明我们发现：
insort() 函数是 O(n)，因为对数搜索步骤由线性时间插入步骤主导。
虽然一般来说，这比任何类型排序都要好，但我们的排序刚好与它具有相同的复杂度。（尽管如此，移动元素可能比比较元素更快）。
sort | heapq | bisect | |
|---|---|---|---|
push() | O(n) | O(log n) | O(n) |
peek() | O(1) | O(1) | O(1) |
pop() | O(n) | O(log n) | O(n) |
remove() | O(n) | O(n) | O(n) |
在文档的下方，有一个“see also”：
Sorted Collections 是一个高性能模块，它使用 bisect 来管理排序的数据集合。
Sorted Collection不在标准库中，继续前进...... ̄_(ツ)_/ ̄
优化pop()
有一个不相关的改进，适用于原始的解决方案和bisect。对于排序好的列表，pop()的复杂度是O(n)，因为它在第一个元素之后向前移动所有剩下的元素;如果顺序颠倒，我们从末尾pop()，复杂度变为O(1)。所以：
sort | heapq | bisect | |
|---|---|---|---|
push() | O(n) | O(log n) | O(n) |
peek() | O(1) | O(1) | O(1) |
pop() | O(1)* | O(log n) | O(1)* |
remove() | O(n) | O(n) | O(n) |
二叉搜索树
好吧，我没有想法了，标准库中没有其他东西可以提供帮助。
我们可以将问题重述如下：我们需要一个排序的数据结构，它可以用低于O(n)的时间复杂度实现push() / remove()。
我们继续阅读维基百科的优先级队列页面，看到“通常实现”一节写道：
为了提高性能，优先级队列通常基于堆，[...]
调查了一下，没有用;下一个：
或者，当使用自平衡二叉搜索树(BST)时，插入和删除需要O(log n) 时间 [...]
这就是我们要找的！（也可能是你的面试官。
sort | heapq | bisect | BST | |
|---|---|---|---|---|
push() | O(n) | O(log n) | O(n) | O(log n) |
peek() | O(1) | O(1) | O(1) | O(log n) |
pop() | O(1)* | O(log n) | O(1)* | O(log n) |
remove() | O(n) | O(n) | O(n) | O(log n) |
但是标准库中没有自平衡二叉搜索树BST，而且我确定很难实现一个： 当我尝试做一棵红黑树时，两个小时后它仍然有错误！
经过一番谷歌搜索，我们发现：除其他外，bintrees，一个成熟的库，提供各种二叉搜索树......除了：
Bintrees Development Stopped 请改用 sortedcontainers：https://pypi.python.org/pypi/sortedcontainers
听起来很熟悉，不是吗？
Sorted Containers
让我们回到bisect文档推荐的Sorted Collections.
我记得，我现在想起来了......我不咸，因为红黑树花了两个小时才实施。我很咸，因为经过这么长时间，我发现了 Sorted Containers，这是一个纯 Python 库，在实践中比用 C 实现的花哨的自平衡二叉搜索树更快！
它有广泛的基准来证明这一点，并为我们自己的用例、优先级队列模拟了工作负载基准——所以是的，虽然面试的答案是“自平衡 BST”，但实际答案是Sorted Containers。 它是如何工作的？
Sorted Containers 内部实现基于几个观察结果。首先是 Python 的列表很快，非常快。[...] 其次是 bisect.insort 很快。这有点违反直觉，因为它涉及移动列表中的一系列项目。但现代处理器在这方面做得很好。 但是，仅使用一个列表和 bisect.insort 在列表长度超过一万时将产生缓慢行为。因此，Sorted List 的实现使用列表的列表（a list of lists）来存储元素。[...]
还有一个与树的比较，我将总结一下：更少的内存分配、更好的缓存位置、更低的内存开销和更快的迭代。 我认为这让你对它的工作原理和原因有一个体面的了解，只要稍加修修补补，你就可以自己实现它。
问题：Sorted Containers不在标准库中
但是 Sorted Containers 不在标准库中，我们也不想自己实现它。不过，我们确实从中学到了一些东西：
sort | heapq | bisect | bisect < 10k | BST | |
|---|---|---|---|---|---|
push() | O(n) | O(log n) | O(n) | O(log n) | O(log n) |
peek() | O(1) | O(1) | O(1) | O(1) | O(log n) |
pop() | O(1)* | O(log n) | O(1)* | O(1)* | O(log n) |
remove() | O(n) | O(n) | O(n) | O(log n) | O(log n) |
不过，我们仍然可以做一些假设：
- • 我们真的需要超过 10k 的优先级吗？可能不是，让我们将它们限制在 10k。
- • 我们真的需要超过 10k 的到期时间吗？或许？使用 1 秒的粒度，我们最多只能表示 2.7 小时;10 秒需要我们长达 27 小时，这可能刚刚起作用。 除了最长时间之外，另一个问题是细粒度太低，尤其是对于短时间——四舍五入 1 到 10 秒比四舍五入 2001 到 2010 秒要糟糕得多。这就引出了一个问题——
- • 如果项目在 2010 秒而不是 2001 秒内过期，这真的重要吗？可能不是，但我们需要一种方法来舍入细粒度更小的值。
对数时间
1、2、4、8、...怎么样？四舍五入到 2 的幂会降低粒度，但时间实际上并不是从零开始的。我们通过四舍五入到 2 的幂倍数来解决这个问题。 让我们直观地了解它是如何工作的：
代码语言：javascript复制math.ceil的作用是向上取整，即大于或等于 x 的最小的整数。
ceil((2000 1) / 1) * 1 = 2001
ceil((2000 2) / 2) * 2 = 2002
ceil((2000 3) / 4) * 4 = 2004
ceil((2000 4) / 4) * 4 = 2004
ceil((2000 15) / 16) * 16 = 2016
ceil((2000 16) / 16) * 16 = 2016
ceil((2000 17) / 32) * 32 = 2048到目前为止一切顺利，修改初始时间还能正常运行吗？
代码语言：javascript复制ceil((2013 1) / 1) * 1 = 2014
ceil((2013 2) / 2) * 2 = 2016
ceil((2013 3) / 4) * 4 = 2016
ceil((2013 4) / 4) * 4 = 2020
ceil((2013 15) / 16) * 16 = 2032
ceil((2013 16) / 16) * 16 = 2032
ceil((2013 17) / 32) * 32 = 2048对齐的幂的美妙之处在于，在相对恒定的到期时间内，桶的数量随着时间的推移(大致)保持不变——因为从一开始就移除了紧密包装的桶，新的桶在结束时填补了稀疏桶之间的空白。
好了，让我们把它写成代码：
代码语言：javascript复制def log_bucket(now, maxage):
next_power = 2 ** math.ceil(math.log2(maxage))
expires = now maxage
bucket = math.ceil(expires / next_power) * next_power
return bucket>>> [log_bucket(0, i) for i in [1, 2, 3, 4, 15, 16, 17]]
[1, 2, 4, 4, 16, 16, 32]
>>> [log_bucket(2000, i) for i in [1, 2, 3, 4, 15, 16, 17]]
[2001, 2002, 2004, 2004, 2016, 2016, 2048]
>>> [log_bucket(2013, i) for i in [1, 2, 3, 4, 15, 16, 17]]
[2014, 2016, 2016, 2020, 2032, 2032, 2048]看起来不错！
有两个误差来源——首先是取整maxage ，当它等于 2a 1 时最差，其次是取整expiry，当它等于 2b 1 时最差。极端情况下会有接近200%的误差 ：
>>> log_bucket(0, 17) # (32 - 17) / 17 ~= 88%
32
>>> log_bucket(0, 33) # (64 - 33) / 33 ~= 94%
64
>>> log_bucket(16, 17) # (64 - 31) / 17 ~= 182%
64
>>> log_bucket(32, 33) # (128 - 64) / 33 ~= 191%
128191%的误差是相当多的;在我们开始修复它之前，让我们确认一下我们的推理。
def error(now, maxage, *args):
"""log_bucket() error."""
bucket = log_bucket(now, maxage, *args)
return (bucket - now) / maxage - 1
def max_error(now, max_maxage, *args):
"""Worst log_bucket() error for all maxages up to max_maxage."""
return max(
error(now, maxage, *args)
for maxage in range(1, max_maxage)
)
def max_error_random(n, *args):
"""Worst log_bucket() error for random inputs, out of n tries."""
max_now = int(time.time()) * 2
max_maxage = 3600 * 24 * 31
rand = functools.partial(random.randint, 1)
return max(
error(rand(max_now), rand(max_maxage), *args)
for _ in range(n)
)>>> max_error(0, 10_000)
0.9997558891736849
>>> max_error(2000, 10_000)
1.9527896995708156
>>> max_error_random(10_000_000)
1.9995498725910554看起来我们的猜想是正确的。 那么，我们如何让误差变小呢？我们不是取整到 2 的下一次幂，而是取它的1/2，或1/4，或1/8......
代码语言：javascript复制def log_bucket(now, maxage, shift=0):
next_power = 2 ** max(0, math.ceil(math.log2(maxage) - shift))
expires = now maxage
bucket = math.ceil(expires / next_power) * next_power
return bucket它似乎正在工作：
代码语言：javascript复制>>> for s in range(5):
... print([log_bucket(0, i, s) for i in [1, 2, 3, 4, 15, 16, 17]])
...
[1, 2, 4, 4, 16, 16, 32]
[1, 2, 4, 4, 16, 16, 32]
[1, 2, 3, 4, 16, 16, 24]
[1, 2, 3, 4, 16, 16, 20]
[1, 2, 3, 4, 15, 16, 18]>>> for s in range(10):
... e = max_error_random(1_000_000, s)
... print(f'{s} {e:6.1%}')
...
0 199.8%
1 99.9%
2 50.0%
3 25.0%
4 12.5%
5 6.2%
6 3.1%
7 1.6%
8 0.8%
9 0.4%使用 shift=7 ，误差小于 2%。我想知道那是多少桶......
代码语言：javascript复制def max_buckets(max_maxage, *args):
"""Number of buckets to cover all maxages up to max_maxage."""
now = time.time()
buckets = {
log_bucket(now, maxage, *args)
for maxage in range(1, max_maxage)
}
return len(buckets)>>> max_buckets(3600 * 24, 7)
729
>>> max_buckets(3600 * 24 * 31, 7)
1047
>>> max_buckets(3600 * 24 * 365, 7)
1279一整年需要用一千多桶存储，还不错！
在使用其中任何一个之前，我们需要将到期时间expires转换为存储桶。这看起来很像 Priority Buckets 代码，唯一值得注意的部分是eviction()。
代码语言：javascript复制这篇文章已经很长了，所以这里省略了一些。完整代码见文末“结论”的上方。
while self.cache:
expires = self.expires_order.peek()
if expires > now:
break
#expires_bucket = self.expires_buckets[expires]
for key in list(self.expires_buckets[expires]):
self.delete(key)现在我们使用log_bucket()。既然我们可以做到了无限的时间，为什么不也拥有无限的priorities呢？毕竟，有了锤子，一切都是钉子。(当然，不太可能需要那么多的优先级)
bisect, redux
是时候修复该优先级队列了。 我们使用 insort() 来添加优先级，使用 operator.neg 来保持列表的反转：
def push(self, item):
bisect.insort(self.data, item, key=operator.neg)我们更新 peek()和 pop() 来处理相反的顺序：
def peek(self):
return self.data[-1]
def pop(self):
return self.data.pop()最后，PriorityQueue的remove() 改编了 Searching Sorted Lists 中的index()：
def remove(self, item):
i = bisect.bisect_left(self.data, -item, key=operator.neg)
if i != len(self.data) and self.data[i] == item:
del self.data[i]
return
raise ValueError就是这样，我们完成了！
完整代码： https://death.andgravity.com/_file/lru-cache/50-bisect.py
结论
任何期望您在一小时内实现这一点的人都是妄想。对于理性的面试官来说，解释你会使用什么以及为什么应该足够了，尽管如果你以前没有解决过这种问题，这可能会很困难。 撇开胡说八道的面试不谈，对时间复杂性有基本的了解是很有用的。 但是，O所说的内容和实践中发生的事情可能会有很大不同。一定要测量程序运行的时间，要考虑O的限制——有时，O(n)中的n足够小，你不必做理论上正确的事情。 你不需要知道如何实现所有的数据结构，这就是（软件）库和维基百科的用途。但是，了解可用的内容以及何时使用它是很有用的。
好的库值得学习：Python标准库文档已经涵盖了我们需要的许多实用知识，Sorted Containers 也是如此。
