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ACDAT in Go

Aho-Corasick Automaton with Double Array Trie (Multi-patterm substitute in go)

  • 多模式匹配（替换）具有很强的现实意义与实用价值：敏感词过滤，病毒特征码搜索等。
  • 字典中约有一千条关键字，分为三大类：电影、音乐、电影&音乐，将输入文本中的字典记录替换为相应的类别文本。遵循贪婪原则与最先匹配原则。

使用说明

# Setup environment: create ramdisk and copy input files
# Assume you are using Mac
$ make setup
util/ramdisk.sh && mkdir -p /ramdisk/vonng
Started erase on disk2
Unmounting disk
Erasing
Initialized /dev/rdisk2 as a 1024 MB case-insensitive HFS Plus volume
Mounting disk
Finished erase on disk2 ramdisk
tar -xf data/dict.txt.tgz -C /ramdisk/vonng
cat data/xa* | tar -x -C /ramdisk/vonng

# build and run 
$ make
GOGC=off ./ac -p=profile
time: 2.497193491s sig: 5d76461b53079d20c08eb0b33c46b7cd
Round 0: 2.497955425s
Round 1: 2.504176103s
Round 2: 2.518718803s
Round 3: 2.506447912s
Round 4: 2.531897625s
Round 5: 2.529866993s
Round 6: 2.524811658s
Round 7: 2.531879072s
Round 8: 2.532776425s
Round 9: 2.549934714s
Avg: 2.522571823s

# run with profile
make runp

# see profile
# type 'web' to see graphviz call graph
make prof

题目

1. 目的

  • 庆新年找点乐子。
  • 切磋一下高性能编程。

2. 比赛时间

提交程序请在这个时间：2018-01–02 ～ 2018-01-03

3. 比赛奖励

  • 总排名第一名 ，语言不限， 奖品 Kindle Oasis，价值2400+。 为了减弱C/C++的天然优势，把C/C++的时间x2计算。
  • 主流编程语言内的第一名（Go，Java，OC，C/C++，Python，Shell，PHP，SQL），奖品罗技（Logitech）G502 炫光自适应游戏鼠标， 价值400+

4. 题目：基于词典的字符串替换。

输入数据

一个词典文件dict.txt：内容如下所示。

让我爱你	-*音乐*-
超人奥特曼	-*电影*-
圣战奇兵	-*电影*-
火线勇气	-*电影*-
龙在江湖	-*电影*-
一个人	-*音乐*-
听海	-*音乐*-
双面特工	-*电影*-
花开自在	-*音乐*-
穿牛仔裤的十字军	-*电影*-
蜻蜓	-*电影*-
X档案	-*电影*-
金钱帝国	-*电影*-

此文件每一行分两个字段。用跳格分开。第一列为key string；第二列为value string。这个文件有1000+行。

一个输入文件video_title.txt，此文件1000万行。 请对这个文件中的每一行做如下加工：

功能

将所有命中key string的字符串替换成value string。例如

从前，东北一家人生活在伤心太平洋。 替换完成后变成 从前，-*电影*-生活在-*音乐&电影*-。

替换后的结果请输出到result.txt文件。

匹配原则

为了加强结果的稳定性，规定一些原则：

  1. 从前向后匹配。例如如果寂寞的季节， 节日都是key string， 一条输入寂寞的季节日日悲催只会匹配到寂寞的季节， 不会再匹配节日
  2. 贪心匹配原则，匹配最长的那个key string。例如独立，独立日 都是key string的话。一条输入听说独立日这部电影是美国人拍的，只会匹配上独立日，不会匹配到独立。如果没有比独立日更长的匹配的话。

其他要求

  1. 必须提交源代码。
  2. 比的是算法与编程细节。必须单机运算，禁止分布式，禁止多核并发。
  3. 可以对词典文件进行预处理，不允许对video_title.txt文件预处理。
  4. 不允许把结果文件存下来直接输出。
  5. 内存占用必须小于500M。
  6. 发现抄袭两人成绩同时作废。
  7. 除了语言自带的标准库之外，禁止引入其他三方标准库。
  8. 业余时间完成，不允许耽误工作。

比赛结果

结果文件MD5：5d76461b53079d20c08eb0b33c46b7cd

本机测试平均为2.5秒，标准服务器测试结果为3.2秒。

本机重复执行十次的profile：

服务器bench脚本

#!/bin/bash
# REQUIRES SUDO
# Benchmark runner

repeats=20
output_file='/ramdisk/bench/results.csv'
command_to_run='echo 1'

run_tests() {
    # --------------------------------------------------------------------------
    # Benchmark loop
    # --------------------------------------------------------------------------
    echo 'Benchmarking ' $command_to_run '...';
    # Indicate the command we just run in the csv file
    echo '======' $command_to_run '======' >> $output_file;

    # Run the given command [repeats] times
    for (( i = 1; i <= $repeats ; i++ ))
    do
        # percentage completion
        p=$(( $i * 100 / $repeats))
        # indicator of progress
        l=$(seq -s "+" $i | sed 's/[0-9]//g')

        rm -f /ramdisk/bench/tmp/*
        # runs time function for the called script, output in a comma seperated
        # format output file specified with -o command and -a specifies append
        # /usr/bin/time -f "%E,%U,%S" -o ${output_file} -a ${command_to_run} > /dev/null 2>&1
        GOGC=off chrt -f 99 /usr/bin/time -f "%e" -o ${output_file} -a ${command_to_run} > /dev/null 2>&1

        # Clear the HDD cache (I hope?)
        sync && echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches

        echo -ne ${l}' ('${p}'%) \r'
    done;
    md5sum -c <<<"5d76461b53079d20c08eb0b33c46b7cd  /ramdisk/bench/tmp/result"

    echo -ne '\n'

    # Convenience seperator for file
    echo '--------------------------' >> $output_file
}

# Option parsing
while getopts n:c:o: OPT
do
    case "$OPT" in
        n)
            repeats=$OPTARG
            ;;
        o)
            output_file=$OPTARG
            ;;
        c)
            command_to_run=$OPTARG
            run_tests
            ;;
        \?)
            echo 'No arguments supplied'
            exit 1
            ;;
    esac
done

shift `expr $OPTIND - 1`

第一名感想总结

  • 过早优化是万恶之源
    • 先保证正确性，在正确性的前提下渐进式优化。
  • 以Profiling为依据，以Benchmark为准绳
    • 先优化算法，再做场景特定优化，然后优化IO，最后优化细节。

1. 选型

语言

运算密集型应用，不考虑Python，Javascript，SQL，Shell等脚本语言。

Go的性能损失绝对不到C的一倍，因此一定选Go。但如果比绝对时长，那么选C。

算法

直觉：状态机，Trie，KMP

搜索发现：AC自动机，是融合了KMP思想的Trie树。

进一步了解：使用数组代替指针的进阶实现：Double Array Trie

2. 分治

将问题划分为几个子问题：

  • 生成ACDAT
    • 构建一颗Trie数
    • 构建Fail状态数组与Info状态数组
    • Info数组要保留该状态对应的重要信息：激发的关键词长度，激发的关键词类型。
  • 使用ACDAT逐行处理
    • 先找出所有匹配：《开始位置，结束位置，关键词长度，关键词类型》
    • 根据匹配进行字符串替换
  • IO使用Bufio，以行处理的方式进行。
BuildDict()
for err = nil; err != io.EOF; line, err = reader.ReadSlice('\n') {
    writer.Write(HandleLine(line))
}

3. 优化

算法层面的优化不细说了，大家用的基本上都是一样的方法。主要谈一谈工程上的优化。

工程上的一些技巧，从本机5秒优化至2.6秒

处理粒度: 1s

粒度是输入的字符宽度，对实现有决定性的影响。

本题中可以使用三种粒度：字节(byte)，双字节(int16)，四字节(int)。

本例中文本均为UTF8编码，UTF8为变长编码。

  • 使用int32，即rune为单位
    • 最为通用的做法，可以处理所有Unicode字符，包括Emoji等。（在本题中并没有）
    • 需要较少的状态转移判断，但存在rune解码编码开销
    • 状态数组长度约10W。比较宽，总大小在1.6M左右。
  • 使用int16，即双字节编码
    • 可选UTF16，GBK等编码，但这是开历史倒车的行为。
    • 需要对输入文件做转码，违背题目约束，如果运行时转码总用时不见得会更快。
    • 如果输入已经转码，处理会很快，尤其对于Java，C#这类语言。
  • 使用int8，按照字节处理
    • 可以处理二进制数据
    • 可以避免[]Byte、String、[]Rune相互转化的开销。
    • 状态数组非常更小，缓存友好。
    • 无效判断大大增多，状态转移判断数翻倍（2KW 到 4KW）。

最终选择了 int32的做法，这是实际bench中性能最好的方案，也具有良好的通用性。

字符串、字符数组、字节数组转换： 0.5s

  • 深入Go文本类型，[]byte转为string是相对安全的操作，因为string相比[]byte只是少了一个cap字段。
for _, c := range *(*string)(unsafe.Pointer(&input))

编码与解码： 0.3s

使用自定义的Rune解码函数代替标准库的WriteRune，有0.3s的性能提升。

func WriteRune(r rune) {
	switch i := uint32(r); {
	case i <= 127:
		Buf[BSP] = byte(r)
		BSP++
	case i <= 2047:
		Buf[BSP] = 0xC0 | byte(r>>6)
		BSP++
		Buf[BSP] = 0x80 | byte(r)&0x3F
		BSP++
	case i <= 65535:
		Buf[BSP] = 0xE0 | byte(r>>12)
		BSP++
		Buf[BSP] = 0x80 | byte(r>>6)&0x3F
		BSP++
		Buf[BSP] = 0x80 | byte(r)&0x3F
		BSP++
	default:
		Buf[BSP] = 0xF0 | byte(r>>18)
		BSP++
		Buf[BSP] = 0x80 | byte(r>>12)&0x3F
		BSP++
		Buf[BSP] = 0x80 | byte(r>>6)&0x3F
		BSP++
		Buf[BSP] = 0x80 | byte(r)&0x3F
		BSP++
	}
}

缓冲区大小

操作系统一个Page大小为4k，服务器默认是宝存的PCI-E SSD，一次写入的单位是32K。所以在普通闪存盘上32k的缓冲区表现已经很不错了。不过后来换成了Ramdisk，就又需要修改了。

最后IO的Buffer设置为128k，表现还不错。

我也试过用系统调用一次性读完，一次性写入，有一定提升，但内存消耗就变成O(n)的了。所以就没用。

出乎意料的是，使用ramdisk并没有对性能产生质的提升。一个原因是IO的pattern是顺序读取与顺序写入。对于PCI-E SSD而言，内存盘并没有绝对性的优势。

条件分支重排： 0.3s

通过检查分支命中的概率，重排、组合条件分支，能有0.3秒的性能提升。

全局变量 vs 本地变量: 0.1

使用全局变量带来了0.1s的优化，但一部分变量改为全局变量反而会影响性能。

字典常量 vs 动态创建 0.15s

存在只读段的数组，访问起来竟然比本地读取重新构建还要慢，不禁陷入深思。