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如何有效地使用可用記憶體比較1,000張影像

2022-04-29 12:35:22 軟體工程

這是一個棘手的問題。我的磁盤中存盤了大約 1,000 張影像,我想通過成對比較來找到彼此相似的影像。所以我必須進行大約1,000 * 999 / 2 = 499,500 次比較(“相似”的屬性不具有傳遞性)。我的問題與如何比較影像無關,而與如何在比較程序中有效地管理我的機器記憶體有關。我已經實作了比較功能:

static bool AreSimilar(ImageInfo x, ImageInfo y)
{
    // Logic
}

...其中ImageInfo包含一個影像資訊的類:

class ImageInfo : IDisposable
{
    public string Path { get; init; }
    public System.Drawing.Image Image { get; init; }
    public void Dispose() => Image.Dispose();
}

理想情況下,我想將所有 1,000 個影像加載到記憶體中,然后執行嵌套回圈并AreSimilar為每一對呼叫該方法,但是一次加載所有影像所需的記憶體遠遠超出了我機器的可用記憶體。影像檔案非常大,它們的大小差異很大(大多數大小在 5 到 50 MB 之間)。可用 RAM 為 2 GB,因此我不能同時加載超過 80 個影像。從磁盤加載影像非常慢。從磁盤加載兩個影像實際上比比較它們并找出它們是否相似要慢得多。

我的問題是如何實作一種方法,該方法負責從磁盤加載/卸載影像,并成對產生它們,同時利用所有可用記憶體,但不超過記憶體限制。這是我要實作的方法的簽名:

static IEnumerable<(TItem, TItem)> GetPairs<TSource, TItem>(
    IReadOnlyList<TSource> source,
    Func<TSource, long> sizeSelector,
    Func<TSource, TItem> itemLoader,
    long maxConcurrentSize) where TItem : IDisposable;

TSource是檔案的路徑,而TItem將是ImageInfo. 我打算這樣使用它:

string[] paths = Directory.GetFiles(@"C:\Images", "*.jpg");
var pairs = GetPairs(paths,
    path => new FileInfo(path).Length,
    path => new ImageInfo() { Path = path, Image = Image.FromFile(path) },
    2_000_000_000);
foreach (var (x, y) in pairs)
{
    if (AreSimilar(x, y))
        Console.WriteLine($"{x.Path} and {y.Path} are similar!");
}

我目前不知道如何實作這種方法。這看起來像是一項嚴肅的事業。我現在只有下面的簡單版本,它成對加載影像并忽略sizeSelectormaxConcurrentSize引數:

static IEnumerable<(TItem, TItem)> GetPairs<TSource, TItem>(
    IReadOnlyList<TSource> source,
    Func<TSource, long> sizeSelector,
    Func<TSource, TItem> itemLoader,
    long maxConcurrentSize) where TItem : IDisposable
{
    for (int i = 0; i < source.Count; i  )
    {
        using var first = itemLoader(source[i]);
        for (int j = i   1; j < source.Count; j  )
        {
            using var second = itemLoader(source[j]);
            yield return (first, second);
        }
    }
}

顯然性能很糟糕,因為每張圖片平均加載了約 500 次。

uj5u.com熱心網友回復:

這是一個適用于您的問題的解決方案,其中包含單元測驗。不幸的是,它在一次只能加載少量影像的情況下表現不佳,導致最壞的加載數量是您建議的解決方案的 2 倍。但是,當一次可以加載大量影像時,此演算法開始優于您的演算法,隨著允許的記憶體大小增加,限制為每個影像加載 1 個。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using Microsoft.VisualStudio.TestTools.UnitTesting;

namespace UnitTest;


[TestClass]
public class TestComparison
{
    [TestMethod]
    public void Test()
    {
        const int imageCount = 10;
        var (totalLoads, max, pairs) = RunTest(1, 5, 1000, imageCount);
        Assert.AreEqual(10, totalLoads);
        Assert.AreEqual(1, max);

        (_, max, var pairs2) = RunTest(5, 5, 12, imageCount);
        Assert.AreEqual(9, max);

        var expectedPairs = (imageCount - 1) * imageCount / 2;
        Assert.AreEqual(expectedPairs, pairs.Count);
        Assert.AreEqual(expectedPairs, pairs2.Count);
    }

    private (int totalLoads, int maxLoads, List<(ImageInfo, ImageInfo)> pairs) RunTest(int minImageSize, int maxImageSize, long memorySize, int imageCount)
    {
        var images = GenerateImages(imageCount, minImageSize, maxImageSize);
        var paths = images.Keys.ToList();
        var imageLoadCounts = new Dictionary<string, int>();
        var pairs = GetPairs(paths,p=>images[p].Size,LoadImage,memorySize).ToList();

        var totalLoads = imageLoadCounts.Values.Sum();
        var maxLoad = imageLoadCounts.Values.Max();
        return new(totalLoads, maxLoad,pairs);

        ImageInfo LoadImage(string path)
        {
            if (!imageLoadCounts.TryGetValue(path, out int count))
            {
                count = 0;
            }

            count  ;
            imageLoadCounts[path] = count;

            return images[path];
        }
    }

    private Dictionary<string, ImageInfo> GenerateImages(int imageCount, int minImageSize, int maxImageSize)
    {
        var images = new Dictionary<string,ImageInfo>();
        for (int i = 0; i < imageCount; i  )
        {
            images[RandomString()] = new() { Value = _random.NextSingle(), Size = _random.Next(minImageSize, maxImageSize) };
        }

        return images;
    }

    class ImageInfo:IDisposable
    {
        public int Size { get; set; }
        public float Value { get; set; }

        public void Dispose()
        {
        }
    }

    private static readonly Random _random = new();


    static string RandomString()
    {
        const int length = 10;
        var str = string.Empty;
        for (int i = 0; i < length; i  )
        {
            str  = (char)_random.Next(65, 90);
        }

        return str;
    }



    static bool AreSimilar(ImageInfo x, ImageInfo y) => Math.Abs(y.Value-x.Value)<.1f;
    record Comparison<T>(T Path1, T Path2)
    {
        public bool Contains(T path) => Path1.Equals(path) || Path2.Equals(path);


        public T Other(T path)
        {
            if (Path1.Equals(path)) return Path2;
            if (Path2.Equals(path)) return Path1;
            throw new Exception("invalid path");
        }

        public bool IsEquivalentTo(Comparison<T> other) => (other.Path1.Equals(Path1) && other.Path2.Equals(Path2)) ||
                                                           (other.Path2.Equals(Path1) && other.Path1.Equals(Path2));
    }
    static IEnumerable<(TItem, TItem)> GetPairs<TSource, TItem>(
        IReadOnlyList<TSource> source,
        Func<TSource, long> sizeSelector,
        Func<TSource, TItem> itemLoader,
        long maxConcurrentSize) where TItem : IDisposable
    {

        var itemCount = source.Count;
        var comparisons = new List<Comparison<TSource>>(itemCount * itemCount / 2);
        for (int i = 0; i < itemCount - 1; i  )
        {
            for (int j = i   1; j < itemCount; j  )
            {
                comparisons.Add(new(source[i], source[j]));
            }
        }

        return GetPairs(comparisons,sizeSelector,itemLoader,maxConcurrentSize);
    }

    static IEnumerable<(TItem, TItem)> GetPairs<TSource,TItem>(List<Comparison<TSource>> remainingComparisons,
        Func<TSource, long> sizeSelector,
        Func<TSource, TItem> itemLoader,
        long maxConcurrentSize) where TItem:IDisposable
    {
        if(!remainingComparisons.Any()) yield break;
        var images = LoadImages(remainingComparisons,sizeSelector,itemLoader,maxConcurrentSize);//load as many images as possible from the remaining comparisons
        var imageCount = images.Count;
        for (int i = 0; i < imageCount - 1; i  )
        {
            var (path1, image1) = images[i];
            for (int j = i   1; j < imageCount; j  )
            {
                var (path2, image2) = images[j];
                yield return new(image1, image2);
                var comparison = new Comparison<TSource>(path1, path2);
                remainingComparisons.RemoveAll(c => c.IsEquivalentTo(comparison));
            }
        }

        //dispose
        foreach (var image in images.Select(i => i.Image))
        {
            image.Dispose();
        }

        images = null;//allow GC
        foreach (var pair in GetPairs(remainingComparisons,sizeSelector,itemLoader,maxConcurrentSize))
        {
            yield return pair;
        }
    }

    /// <summary>
    /// Loads as many images into memory as possible from the remaining comparison list
    /// </summary>
    static List<(TSource Path, TITem Image)> LoadImages<TSource,TITem>(List<Comparison<TSource>> remainingComparisons, Func<TSource, long> sizeSelector,
        Func<TSource, TITem> itemLoader,
        long maxConcurrentSize)
    {
        var availableMemory = maxConcurrentSize;
        remainingComparisons = remainingComparisons.ToList();//copy the list so we can alter it in local scope
        var loadedImages = new List<(TSource Path, TITem Image)>();
        if (!TryGetSeed(out var seed)) throw new Exception("One of the images is too large to load into memory");
        while (remainingComparisons.Any())
        {
            if (!remainingComparisons.TryGetFirst(c => c.Contains(seed),out var comparison ))
            {
                if (!TryGetSeed(out seed)) break;
                continue;
            }

            var other = comparison.Other(seed);
            remainingComparisons.Remove(comparison);
            if (!TryLoad(other)) break;

        }

        return loadedImages;

        bool TryLoad(TSource path)
        {
            var fileSize = sizeSelector(path);
            if (fileSize > availableMemory) return false;
            loadedImages.Add(new(path, itemLoader(path)));
            availableMemory -= fileSize;
            return true;
        }

        bool TryGetSeed(out TSource seed)
        {
            //first, remove any comparisons that are relevant to the current loaded list
            var loadedImageCount = loadedImages.Count;
            for (int i = 0; i < loadedImageCount-1; i  )
            {
                for (int j = 1; j < loadedImageCount; j  )
                {
                    var localComparison = new Comparison<TSource>(loadedImages[i].Path, loadedImages[j].Path);
                    remainingComparisons.RemoveAll(c => c.IsEquivalentTo(localComparison));
                }
            }

            if (!remainingComparisons.TryGetFirst(out var firstRemaining))
            {
                seed = default;
                return false;
            }

            seed = firstRemaining.Path1;
            return TryLoad(seed);
        }

  


    }
}
public static class Extensions
{
    public static bool TryGetFirst<T>(this IEnumerable<T> items, out T value) =>
        items.TryGetFirst(t => true, out value);
    public static bool TryGetFirst<T>(this IEnumerable<T> items, Predicate<T> condition, out T value)
    {
        foreach (var item in items)
        {
            if (condition(item))
            {
                value = item;
                return true;
            }
        }
        value = default;
        return false;
    }
}

為了回答你的問題,時間復雜度被忽略了。當前的實作TryGetSeed使得時間復雜度 O(N^3) 但這可以很容易地改進。我懷疑可以在 O(N^2) 時間內撰寫相同的演算法,這是解決此問題的最佳時間復雜度。

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標籤:C# 表现 内存管理 比较 高效记忆

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