大文本文件阅读器设计

     我们项目中需要实现一个日志查看控件，这本是一个很简单的需求：写一个通用的控件，将字符串绑定到RichTextBox， 如果要查看日志，将日志赋值给字符串即可。这个控件很简单，在绝大多数情况下工作的都很好。但是最近经常有客户报告说日志打不开，或者打开后就无法响应了。检查后发现这些无法打开的日志都很巨大，文件长度大多都超过几千万行。显然不带任何优化的文本阅读器都撑不住这个级别的文本。通过观察及与客户的沟通，他们的典型的操作是鼠标上下滚动，翻阅前后内容。拖拽滚动条到某一个段落，然后在局部操作，如果文件很大，他们几乎不会全文阅读。客户希望操作的过程能够尽量不卡，或者少卡。

      要实现这个需求并不容易。首先想到的就是不能一口气将所有字符都载入内存。只能一段一段的载入，同时这些段落又不能是离散的， 因为他们还需要上下滚动鼠标也能够平滑。通过比较简单的需求分析，我们发现最初的设计一个文本阅读器已经分裂成两个子任务了：1）文件操作 2）界面显示。

1）文件操作

  我们需要实现一个类似于StreamReader的类，但是需要另外增加ReadNextLine(), ReadPreviousLine(), Locate() 方法。即读下一行的内容，读上一行的内容，定位到某一行。我们想到了以行为单位做索引。比如说，一个文件有一千万行，类初始化时，我们先将每行的偏移值算出，当要定位（Locate）到某一行时，直接通过索引找到这个偏移值，然后file seek。这个操作是瞬时的。但是前面的索引太耗时了。我做了一个实验，在我的笔记本上（lenovo T430s）计算一千万行文件的索引需要将近2分钟。而且如果所有的索引都保存在内存，需要将近400MB内存。这对于客户是不可以接受的。

     建立索引这个思路应该是不错的，不过我们可以做进一步的优化。仔细研究一下一般使用习惯不难发现打开文件永远是从头开始的，然后鼠标上下滚滚查看临近的内容，偶尔需要跳转。这里，上下滚动鼠标是一个连续的动作，跳转是一个离散的动作。连续动作（ReadNextLine, ReadPreviousLine)显然用户不希望有卡的感觉，但是跳转(Locate)，有一个停顿的过程应该是可以接受的。基于这个假设，我们又有了进一步的优化：类初始化时不需要建立全部的索引，只需要将文件的开始几行索引建立即可（在我们项目中先建立前100行）。如果ReadNextLine，就再建立后面连续多行的索引，ReadPreviousLine则建立前面多行的索引。这是基于局部原理：如果调用过一次，下一次也继续调用同样的操作的可能性也很大。通过这个方法能够确保连续的向前向后滚动鼠标不会有卡顿的现象。那如何做到Locate呢？比如说，在一个一千万行的文件，我们现在想跳转到第30万行，显然在计算偏移量之前我们需要确认这一行是否已经被索引过了？这样就要求存储索引的数据结构查询的时间复杂度尽可能的低，最好能够达到O(1)，这里我们偷了下懒，直接使用Dictionary。如果索引没有建立好，我们就不得不重新建立。最理想的情况是，如果知道第299999行已经建立过索引了， 我们只需要再多计算一行即可。如果我们只使用Dictionary来存储索引，我们并不知道前面有哪几行已经建立过了，不得不从第一行开始扫描，这是很低效的。于是想到了用链表和字典来配合：链表用来保存索引的前后关系，字典用来随机检查索引是否已经建立。所以逻辑就是：

long FindOffset(int target)
{long offset;if (IsIndexCreated(target, out offset) == true)
{return offset;
}
else
{int nearest = FindNearestIndex(target);GenerateIndex(nearest, target);return FindOffset(target);
}

IsIndexCreated 即检查Dictionary是否包含这个index

FindNearestIndex 即检查LinkedList 找到离target最近的index结点

GenerateIndex 创建从nearest到target结点的所有索引

通过两个数据结构能够快速定位并更新，但是又有新的问题了：存索引的内存加倍了。存一千万个索引现在需要800MB内存。在极端情况下，比如说，打开文件后，直接跳转到第一千万行。这样GenereateIndex(1, 10000000)会很耗时：不仅要计算偏移量，还要插入Dictionary。 当数据量很大的时候，插入Dictionary的时间也是需要考虑的。所以为了减少内存使用，提高速度，GenereateIndex的过程我们不会将计算的所有偏移量都保存，仅仅从距离target最近的100个结点开始保存。这样效果非常显著。 这里还有一个地方是可以优化的：如果有人有这个耐心，从第一行连续的滚动鼠标直到最后一行（一千万行），那么真个文件的索引都将生成。基于这个我们可以使用LRU算法仅保留最近的10000个索引。

2）界面显示

    粗看上去这个方案已经很完美了，但是我们回避了一个问题。由于初始化类的时候我们并没有创建整个文件的索引，我们并不知道这个文件到底有多少行。文件操作中，如果对于一个只有5千行的文件调用Locate(1000000)，我们只索引到最大行数。这在界面显示就有问题了，因为滚动条在读取下一行时每次滚动多少是取决于最大行数的。我们的做法是在界面处理中提供一个CalcuateMaxiumLineNumber函数，这个函数可以设置一个timeout参数（例如100毫秒），如果最大行数能在timeout内算出，直接返回最大行数，如何算不出来，先返回一个一百万，然后启动一个线程在后台慢慢算，每隔一段时间（例如500毫秒）更新一下最大行数。这样就不会影响界面的打开了。