哨兵节点:思想简单,效果很棒的编程算法

开发 后端
所谓的哨兵,就是一个标志,一个与查找目标对象一样的操作对象。

别人的经验,我们的阶梯!

今天和同事一起调代码,定位到一处很耗时的地方。

在某个线程中,同步周期需要保证在​​2​​​毫秒(如果耗时不到​​2​​​毫秒,那么就让剩下的时间进行​​sleep​​)。

但是在调用一个模块的内部函数时,时不时的就飘到了​​3~5​​毫秒,时间抖动毫无保证。

后来仔细分析了一下被调用的函数,发现是在查找链表中某个目标节点时,由于目标节点的不确定性,导致耗时飘来飘去。

后来想到是否可以用"哨兵"的思路来解决问题,于是就试了一下,果然有效。

特分享于此,使用​​2​​段代码来看一下代码执行效率的提升。

普通的算法

所谓的哨兵,就是一个标志,一个与查找目标对象一样的操作对象。

以前有一本书中举过这样的一个例子:

假如有​​10000​​​个纸箱,每个箱子里面都有一张纸条,纸条上写有​​1 ~ 10000​​这些数字,数字不会重复。

现在:别人给了一个随机的数字,我们需要在这​​10000​​个箱子里找到与这个数字相同的纸条,找到之后退出操作。

面对这个问题,最直觉的想法就是:从头开始,遍历这​​10000​​个箱子,检查其中的纸条上数字是否与目标相同。

因为纸箱里的纸条不是按照顺序排列的,所以只能从头开始遍历;

大概就是下面这个样子:

int lookfor_num = xxx;
for (int i = 0; i < 10000; ++i)
{
if (box[i] == lookfor_num)
{
printf("找到了!箱子编号是:%d \n", i);
break;
}
}

从上面这段示意性代码中可以看出,在​​for​​​循环中主要有​​2​​个比较指令:

  1. 比较箱子的编号 i 是否到了最后一个箱子;
  2. 比较箱子里的纸条上数字,是否与要查找的目标数字相同;

为了便于量化问题,我们写一个测试代码,打印出​​for​​循环的时间消耗。

为了便于客观比较,在测试代码中:

  1. 循环次数设置为 500000 万次;
  2. 箱子里纸条上的数字按顺序存放,不影响讨论问题的本质;
  3. 查找的数字设置为一个中间值 500000;

测试文件:​​loop1.c​​。

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#define LOOP_NUM 1000000
int main(int argc, char *argv[])
{
long data[LOOP_NUM];
long rand_num = 500000;
struct timeval tv1, tv2;
for (long i = 0; i < LOOP_NUM; ++i)
{
data[i] = i;
}
gettimeofday(&tv1, 0);
for (long i = 0; i < LOOP_NUM; ++i)
{
if (data[i] == rand_num)
{
printf("hit rand_num. i = %ld \n", i);
break;
}
}
gettimeofday(&tv2, 0);

long us1 = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;
long us2 = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;

printf("time elapse: %ld \n", us2 - us1);
return 0;
}

编译:​​gcc loop1.c -o loop1​​。

执行:

图片

耗时大概在​​1350 ~ 1380​​微秒左右。

哨兵算法

哨兵算法的主要思想就是:降低在​​for​​循环中的比较操作。

因为纸箱的数量是有限的,上面的代码中,在还没有找到目标数字之前,需要对纸箱的序号进行检查:以免超过了最大的纸箱。

我们可以在最后额外添加一个纸箱,并且在其中存放我们查找的目标数字,额外添加的这个纸箱就叫做​​哨兵​​!

这样的话,在​​for​​循环中,就不需要检查当前这个纸箱序号是否超过了最大的纸箱。

因为:我们在哨兵纸箱中放了被查找的那个数字,所以是一定能够找到目标数字的:

要么是在前面的纸箱中, 要么是在哨兵纸箱中!

因此,在​​for​​循环中,就只需要比较纸条上的数字,而不用比较纸箱的序号是否达到最后一个了。

当找到目标数字之后,唯一要多做的步骤是:检查这个箱子是否为哨兵纸箱。

如果是哨兵纸箱:说明前面的纸箱中没有查找到目标数字。

如果不是哨兵纸箱:说明在前面的纸箱中查找到了目标数字。

测试代码​​loop2.c​​:

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#define LOOP_NUM 1000000
int main(int argc, char *argv[])
{
long data[LOOP_NUM + 1]; // add another room
long rand_num = 500000;
struct timeval tv1, tv2;

for (long i = 0; i < LOOP_NUM; ++i)
{
data[i] = i;
}
data[LOOP_NUM] = rand_num; // add a sentinel

gettimeofday(&tv1, 0);
long i = 0;
while (1)
{
if (data[i] == rand_num)
{
if (i != LOOP_NUM)
{
printf("hit rand_num. i = %ld \n", i);
break;
}
}
++i;
}
gettimeofday(&tv2, 0);
long us1 = tv1.tv_sec * 1000000 + tv1.tv_usec;
long us2 = tv2.tv_sec * 1000000 + tv2.tv_usec;

printf("time elapse: %ld \n", us2 - us1);
return 0;
}

编译:​​gcc loop2.c -o loop2​​。

执行:

图片

耗时大概在​​960 ~ 990​​微秒之间。

小结

这篇短文仅仅是用​​for​​循环来讨论哨兵的编程思想。

在其它的一些编程场景中,应用的机会还是挺多的,也能够非常显著的提升代码的执行效率。

责任编辑:姜华 来源: IOT物联网小镇
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