关于实时TopN排名算法的思考
0.引言
实时排名是网络应用中常见的功能。根据需求不同，大概可以分为以下几类：
- i. TopN排名
- ii. 全数据排名
作为通用需求，我们必须做如下假设：
- a. 用户基数较大
- b. 排名数据更新较频繁
- c. 用于排序的数据(score)范围不确定
- d. 用作排名的score只会增加，不会减少
基于以上假设，全数据排名就是海量数据处理问题，一般认为内存难以胜任，一般通过数据库（如redis）实现，本文暂不讨论。
1.TopN实时排名算法
这里，我们假设：
- N的范围有限（如1000）,榜单数据内存完全可以处理
那么，问题来了。如何设计数据结构和算法，来满足大批量用户频繁更新榜单情况下的实时排名需求？
1.1 一个失败的方案
曾经看到一个实现，方案如下：
- a. 定义一个长度为N+1的数组
- b. 更新数据时，将新数据放到数组尾部
- c. 对数组排序，如果数组长度为N+1，则移除尾部元素
咋一看，由于榜单数据较小，每次更新排序好像可行，但是随着用户基数和更新频度增加，
这个算法无疑跟DB设计把query建立在没有index的table上一样可怕。
随着更新频度提升，这个sort操作无疑将成为CPU的噩梦。
低效率的算法不会出bug，但是隐藏在角落偷偷的吃CPU,还很难被发现。
因此，该方案不可取。
1.2 现成的数据结构？
经典的有序数据结构，如
- 红黑树
- Heap
貌似可以满足这种需求。
但是，我们知道，平衡二叉树的高效操作是在于快速查找，然而维护一棵树的平衡(插入，删除元素)，却是成本很高的操作。
因此，不可取。
1.3 合理的方案
这个功能里有一个令人头疼的要求，就是客户端要实时能够查看到排名情况，那么问题来了：
- 这里的实时是否意味着服务端数据必须实时有序？
答案是未必。我们知道，排序算法是计算机里面一个比较耗时的操作，频繁的排序更是无法忍受。
比较可行的方案是服务端不排序，只保证榜单记录TopN的数据，把实时排序的任务交给客户端执行。
- 服务器如何保证榜单上只记录TopN的数据？
数据结构定义如下：
type RankInfo struct{
name string // name of this rank element
score int // rank score
}
type RankList struct {
list []*RankInfo // unordered top N rank list
min *RankInfo // the last one who own the minimum score in list
nameMap map[string]*RankInfo // name->rankInfo
}
更新积分榜UdateRankList(name, score)的操作流程如下(假设score只会增加不会减少)：
- a. 从nameMap查找指定的name是否已在榜单上，如果存在，更新积分。如果该对象==min,则重新查找积分最低对象赋值给min，返回。
- b. 如果list长度<N, 则直接将新数据插入list尾部，如果score<min.score,则将新对象赋值给min, 返回。
- c. 如果score>min.score, 则顶替min对象数据，更新min.name,min.score为name,score，重新查找积分最低对象赋值给min, 返回。
- d. 所给score不能上榜。
至此，排行榜更新完成。不需要排序，不需要支持排序的数据结构，高效的完成榜单维护，perfect。