为什么在排序输入上插入到树中比随机输入更快？

2024-05-10

现在我一直听说从随机选择的数据构建二叉搜索树比有序数据更快，这仅仅是因为有序数据需要显式重新平衡以将树高度保持在最低限度。

最近我实现了一个不可变的treap http://en.wikipedia.org/wiki/Treap，一种特殊的二叉搜索树，它使用随机化来保持自身相对平衡。与我的预期相反，我发现我可以用有序数据构建一个陷阱，速度比无序数据快大约 2 倍，而且通常更好地平衡——我不知道为什么。

这是我的陷阱实现：

http://pastebin.com/VAfSJRwZ http://pastebin.com/VAfSJRwZ

这是一个测试程序：

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Diagnostics;

namespace ConsoleApplication1
{

    class Program
    {
        static Random rnd = new Random();
        const int ITERATION_COUNT = 20;

        static void Main(string[] args)
        {
            List<double> rndTimes = new List<double>();
            List<double> orderedTimes = new List<double>();

            rndTimes.Add(TimeIt(50, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(100, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(200, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(400, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(800, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(1000, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(2000, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(4000, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(8000, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(16000, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(32000, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(64000, RandomInsert));
            rndTimes.Add(TimeIt(128000, RandomInsert));
            string rndTimesAsString = string.Join("\n", rndTimes.Select(x => x.ToString()).ToArray());

            orderedTimes.Add(TimeIt(50, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(100, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(200, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(400, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(800, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(1000, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(2000, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(4000, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(8000, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(16000, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(32000, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(64000, OrderedInsert));
            orderedTimes.Add(TimeIt(128000, OrderedInsert));
            string orderedTimesAsString = string.Join("\n", orderedTimes.Select(x => x.ToString()).ToArray());

            Console.WriteLine("Done");
        }

        static double TimeIt(int insertCount, Action<int> f)
        {
            Console.WriteLine("TimeIt({0}, {1})", insertCount, f.Method.Name);

            List<double> times = new List<double>();
            for (int i = 0; i < ITERATION_COUNT; i++)
            {
                Stopwatch sw = Stopwatch.StartNew();
                f(insertCount);
                sw.Stop();
                times.Add(sw.Elapsed.TotalMilliseconds);
            }

            return times.Average();
        }

        static void RandomInsert(int insertCount)
        {
            Treap<double> tree = new Treap<double>((x, y) => x.CompareTo(y));
            for (int i = 0; i < insertCount; i++)
            {
                tree = tree.Insert(rnd.NextDouble());
            }
        }

        static void OrderedInsert(int insertCount)
        {
            Treap<double> tree = new Treap<double>((x, y) => x.CompareTo(y));
            for(int i = 0; i < insertCount; i++)
            {
                tree = tree.Insert(i + rnd.NextDouble());
            }
        }
    }
}

这是比较随机插入时间和有序插入时间（以毫秒为单位）的图表：

Insertions         Random          Ordered         RandomTime / OrderedTime
50                 1.031665        0.261585        3.94
100                0.544345        1.377155        0.4
200                1.268320        0.734570        1.73
400                2.765555        1.639150        1.69
800                6.089700        3.558350        1.71
1000               7.855150        4.704190        1.67
2000               17.852000       12.554065       1.42
4000               40.157340       22.474445       1.79
8000               88.375430       48.364265       1.83
16000              197.524000      109.082200      1.81
32000              459.277050      238.154405      1.93
64000              1055.508875     512.020310      2.06
128000             2481.694230     1107.980425     2.24

我在代码中没有看到任何使有序输入比无序输入渐近更快的内容，因此我无法解释其中的差异。

为什么从有序输入构建陷阱比随机输入构建陷阱要快得多？

我运行了你的代码，我认为这与旋转次数有关。在有序输入期间，旋转次数是最佳的，并且树永远不必旋转回来。

在随机输入期间，树将必须执行更多旋转，因为它可能必须来回旋转。

为了真正找到答案，我必须为每次运行的左右旋转次数添加计数器。您也许可以自己做。

UPDATE:

我在rotateleft和rotateright上放置了断点。在有序输入期间，永远不会使用rotateright。随机输入时，两者都会被命中，而且在我看来，它们使用得更频繁。

更新2：

我向 50 项有序运行添加了一些输出（为了清楚起见，用整数替换），以了解更多信息：

TimeIt(50, OrderedInsert)
LastValue = 0, Top.Value = 0, Right.Count = 0, Left.Count = 0
RotateLeft @value=0
LastValue = 1, Top.Value = 1, Right.Count = 0, Left.Count = 1
LastValue = 2, Top.Value = 1, Right.Count = 1, Left.Count = 1
LastValue = 3, Top.Value = 1, Right.Count = 2, Left.Count = 1
RotateLeft @value=3
RotateLeft @value=2
RotateLeft @value=1
LastValue = 4, Top.Value = 4, Right.Count = 0, Left.Count = 4
LastValue = 5, Top.Value = 4, Right.Count = 1, Left.Count = 4
LastValue = 6, Top.Value = 4, Right.Count = 2, Left.Count = 4
RotateLeft @value=6
LastValue = 7, Top.Value = 4, Right.Count = 3, Left.Count = 4
LastValue = 8, Top.Value = 4, Right.Count = 4, Left.Count = 4
RotateLeft @value=8
RotateLeft @value=7
LastValue = 9, Top.Value = 4, Right.Count = 5, Left.Count = 4
LastValue = 10, Top.Value = 4, Right.Count = 6, Left.Count = 4
RotateLeft @value=10
RotateLeft @value=9
RotateLeft @value=5
RotateLeft @value=4
LastValue = 11, Top.Value = 11, Right.Count = 0, Left.Count = 11
LastValue = 12, Top.Value = 11, Right.Count = 1, Left.Count = 11
RotateLeft @value=12
LastValue = 13, Top.Value = 11, Right.Count = 2, Left.Count = 11
RotateLeft @value=13
LastValue = 14, Top.Value = 11, Right.Count = 3, Left.Count = 11
LastValue = 15, Top.Value = 11, Right.Count = 4, Left.Count = 11
RotateLeft @value=15
RotateLeft @value=14
LastValue = 16, Top.Value = 11, Right.Count = 5, Left.Count = 11
LastValue = 17, Top.Value = 11, Right.Count = 6, Left.Count = 11
RotateLeft @value=17
LastValue = 18, Top.Value = 11, Right.Count = 7, Left.Count = 11
LastValue = 19, Top.Value = 11, Right.Count = 8, Left.Count = 11
RotateLeft @value=19
LastValue = 20, Top.Value = 11, Right.Count = 9, Left.Count = 11
LastValue = 21, Top.Value = 11, Right.Count = 10, Left.Count = 11
RotateLeft @value=21
LastValue = 22, Top.Value = 11, Right.Count = 11, Left.Count = 11
RotateLeft @value=22
RotateLeft @value=20
RotateLeft @value=18
LastValue = 23, Top.Value = 11, Right.Count = 12, Left.Count = 11
LastValue = 24, Top.Value = 11, Right.Count = 13, Left.Count = 11
LastValue = 25, Top.Value = 11, Right.Count = 14, Left.Count = 11
RotateLeft @value=25
RotateLeft @value=24
LastValue = 26, Top.Value = 11, Right.Count = 15, Left.Count = 11
LastValue = 27, Top.Value = 11, Right.Count = 16, Left.Count = 11
RotateLeft @value=27
LastValue = 28, Top.Value = 11, Right.Count = 17, Left.Count = 11
RotateLeft @value=28
RotateLeft @value=26
RotateLeft @value=23
RotateLeft @value=16
RotateLeft @value=11
LastValue = 29, Top.Value = 29, Right.Count = 0, Left.Count = 29
LastValue = 30, Top.Value = 29, Right.Count = 1, Left.Count = 29
LastValue = 31, Top.Value = 29, Right.Count = 2, Left.Count = 29
LastValue = 32, Top.Value = 29, Right.Count = 3, Left.Count = 29
RotateLeft @value=32
RotateLeft @value=31
LastValue = 33, Top.Value = 29, Right.Count = 4, Left.Count = 29
RotateLeft @value=33
RotateLeft @value=30
LastValue = 34, Top.Value = 29, Right.Count = 5, Left.Count = 29
RotateLeft @value=34
LastValue = 35, Top.Value = 29, Right.Count = 6, Left.Count = 29
LastValue = 36, Top.Value = 29, Right.Count = 7, Left.Count = 29
LastValue = 37, Top.Value = 29, Right.Count = 8, Left.Count = 29
RotateLeft @value=37
LastValue = 38, Top.Value = 29, Right.Count = 9, Left.Count = 29
LastValue = 39, Top.Value = 29, Right.Count = 10, Left.Count = 29
RotateLeft @value=39
LastValue = 40, Top.Value = 29, Right.Count = 11, Left.Count = 29
RotateLeft @value=40
RotateLeft @value=38
RotateLeft @value=36
LastValue = 41, Top.Value = 29, Right.Count = 12, Left.Count = 29
LastValue = 42, Top.Value = 29, Right.Count = 13, Left.Count = 29
RotateLeft @value=42
LastValue = 43, Top.Value = 29, Right.Count = 14, Left.Count = 29
LastValue = 44, Top.Value = 29, Right.Count = 15, Left.Count = 29
RotateLeft @value=44
LastValue = 45, Top.Value = 29, Right.Count = 16, Left.Count = 29
LastValue = 46, Top.Value = 29, Right.Count = 17, Left.Count = 29
RotateLeft @value=46
RotateLeft @value=45
LastValue = 47, Top.Value = 29, Right.Count = 18, Left.Count = 29
LastValue = 48, Top.Value = 29, Right.Count = 19, Left.Count = 29
LastValue = 49, Top.Value = 29, Right.Count = 20, Left.Count = 29

当然，订购的项目总是会添加到树的右侧。当右侧大于左侧时，就会发生向左旋转。向右旋转永远不会发生。大约每次树加倍时都会选择一个新的顶部节点。优先级值的随机性会稍微抖动它，因此在本次运行中它变为 0、1、4、11、29。

随机运行揭示了一些有趣的事情：

TimeIt(50, RandomInsert)
LastValue = 0,748661640914465, Top.Value = 0,748661640914465, Right.Count = 0, Left.Count = 0
LastValue = 0,669427539533669, Top.Value = 0,748661640914465, Right.Count = 0, Left.Count = 1
RotateRight @value=0,669427539533669
LastValue = 0,318363281115127, Top.Value = 0,748661640914465, Right.Count = 0, Left.Count = 2
RotateRight @value=0,669427539533669
LastValue = 0,33133987678743, Top.Value = 0,748661640914465, Right.Count = 0, Left.Count = 3
RotateLeft @value=0,748661640914465
LastValue = 0,955126694382693, Top.Value = 0,955126694382693, Right.Count = 0, Left.Count = 4
RotateRight @value=0,669427539533669
RotateLeft @value=0,33133987678743
RotateLeft @value=0,318363281115127
RotateRight @value=0,748661640914465
RotateRight @value=0,955126694382693
LastValue = 0,641024029180884, Top.Value = 0,641024029180884, Right.Count = 3, Left.Count = 2
LastValue = 0,20709771951991, Top.Value = 0,641024029180884, Right.Count = 3, Left.Count = 3
LastValue = 0,830862050331599, Top.Value = 0,641024029180884, Right.Count = 4, Left.Count = 3
RotateRight @value=0,20709771951991
RotateRight @value=0,318363281115127
LastValue = 0,203250563798123, Top.Value = 0,641024029180884, Right.Count = 4, Left.Count = 4
RotateLeft @value=0,669427539533669
RotateRight @value=0,748661640914465
RotateRight @value=0,955126694382693
LastValue = 0,701743399585478, Top.Value = 0,641024029180884, Right.Count = 5, Left.Count = 4
RotateLeft @value=0,669427539533669
RotateRight @value=0,701743399585478
RotateLeft @value=0,641024029180884
LastValue = 0,675667521858433, Top.Value = 0,675667521858433, Right.Count = 4, Left.Count = 6
RotateLeft @value=0,33133987678743
RotateLeft @value=0,318363281115127
RotateLeft @value=0,203250563798123
LastValue = 0,531275219531392, Top.Value = 0,675667521858433, Right.Count = 4, Left.Count = 7
RotateRight @value=0,748661640914465
RotateRight @value=0,955126694382693
RotateLeft @value=0,701743399585478
LastValue = 0,704049674190604, Top.Value = 0,675667521858433, Right.Count = 5, Left.Count = 7
RotateRight @value=0,203250563798123
RotateRight @value=0,531275219531392
RotateRight @value=0,641024029180884
RotateRight @value=0,675667521858433
LastValue = 0,161392807104342, Top.Value = 0,161392807104342, Right.Count = 13, Left.Count = 0
RotateRight @value=0,203250563798123
RotateRight @value=0,531275219531392
RotateRight @value=0,641024029180884
RotateRight @value=0,675667521858433
RotateLeft @value=0,161392807104342
LastValue = 0,167598206162266, Top.Value = 0,167598206162266, Right.Count = 13, Left.Count = 1
LastValue = 0,154996359793002, Top.Value = 0,167598206162266, Right.Count = 13, Left.Count = 2
RotateLeft @value=0,33133987678743
LastValue = 0,431767346538495, Top.Value = 0,167598206162266, Right.Count = 14, Left.Count = 2
RotateRight @value=0,203250563798123
RotateRight @value=0,531275219531392
RotateRight @value=0,641024029180884
RotateRight @value=0,675667521858433
RotateLeft @value=0,167598206162266
LastValue = 0,173774613614089, Top.Value = 0,173774613614089, Right.Count = 14, Left.Count = 3
RotateRight @value=0,830862050331599
LastValue = 0,76559642412029, Top.Value = 0,173774613614089, Right.Count = 15, Left.Count = 3
RotateRight @value=0,76559642412029
RotateLeft @value=0,748661640914465
RotateRight @value=0,955126694382693
RotateLeft @value=0,704049674190604
RotateLeft @value=0,675667521858433
LastValue = 0,75742144871383, Top.Value = 0,173774613614089, Right.Count = 16, Left.Count = 3
LastValue = 0,346844367844446, Top.Value = 0,173774613614089, Right.Count = 17, Left.Count = 3
RotateRight @value=0,830862050331599
LastValue = 0,787565814232251, Top.Value = 0,173774613614089, Right.Count = 18, Left.Count = 3
LastValue = 0,734950566540915, Top.Value = 0,173774613614089, Right.Count = 19, Left.Count = 3
RotateLeft @value=0,20709771951991
RotateRight @value=0,318363281115127
RotateLeft @value=0,203250563798123
RotateRight @value=0,531275219531392
RotateRight @value=0,641024029180884
RotateRight @value=0,675667521858433
RotateRight @value=0,75742144871383
RotateLeft @value=0,173774613614089
LastValue = 0,236504829598826, Top.Value = 0,236504829598826, Right.Count = 17, Left.Count = 6
RotateLeft @value=0,830862050331599
RotateLeft @value=0,787565814232251
RotateLeft @value=0,76559642412029
RotateRight @value=0,955126694382693
LastValue = 0,895606500048007, Top.Value = 0,236504829598826, Right.Count = 18, Left.Count = 6
LastValue = 0,599106418713511, Top.Value = 0,236504829598826, Right.Count = 19, Left.Count = 6
LastValue = 0,8182332901369, Top.Value = 0,236504829598826, Right.Count = 20, Left.Count = 6
RotateRight @value=0,734950566540915
LastValue = 0,704216948572647, Top.Value = 0,236504829598826, Right.Count = 21, Left.Count = 6
RotateLeft @value=0,346844367844446
RotateLeft @value=0,33133987678743
RotateRight @value=0,431767346538495
RotateLeft @value=0,318363281115127
RotateRight @value=0,531275219531392
RotateRight @value=0,641024029180884
RotateRight @value=0,675667521858433
RotateRight @value=0,75742144871383
LastValue = 0,379157059536854, Top.Value = 0,236504829598826, Right.Count = 22, Left.Count = 6
RotateLeft @value=0,431767346538495
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LastValue = 0,699010426969738, Top.Value = 0,236504829598826, Right.Count = 35, Left.Count = 14

轮换发生的次数并不是因为树不平衡，而是因为优先级，而优先级是随机选择的。例如，我们在第 13 次插入时得到 4 次旋转。我们有一棵树平衡在 5/7（这很好），但是达到 13/0！看来随机优先级的使用值得进一步研究。无论如何，很明显随机插入比有序插入导致更多的旋转。

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