Обзор счётчиков Морриса28.05.2021 14:16

Подсчёт количества элементов в потоке ограниченными средствами в представлении художника

Мы рады представить вашему вниманию заметку, написанную инженером Qrator Labs Дмитрием @dimak24Камальдиновым. Если вы хотите быть частью нашей команды Core и заниматься подобными задачами — пишите нам на hr@qrator.net.

1 Введение

При реализации потоковых алгоритмов часто возникает задача подсчёта каких-то событий: приход пакета, установка соединения; при этом доступная память может стать узким местом: обычный -битный счётчик позволяет учесть не более 2^n - 1 событий. Одним из способов обработки большего диапазона значений, используя то же количество памяти, является вероятностный подсчёт. В этой статье будет предложен обзор известного алгоритма Морриса, а также некоторых его обобщений.

Другой способ уменьшить количество бит, необходимое для хранения значения счётчика, — использование распада. Об этом подходе мы рассказываем здесь, а также собираемся в ближайшее время опубликовать ещё одну заметку по теме.

Мы начнём с разбора простейшего алгоритма вероятностного подсчёта, выделим его недостатки (раздел 2). Затем (раздел 3) опишем алгоритм, впервые преложенный Робертом Моррисом в 1978 году, укажем его важнейшие свойства и приемущества. Для большинства нетривиальных формул и утверждений в тексте присутствуют наши доказательства — интересующийся читатель сможет найти их под спойлером. В трёх последующих разделах мы изложим полезные расширения классического алгоритма: вы узнаете, что общего у счётчиков Морриса и экспоненциального распада, как можно уменьшить ошибку, пожертвовав максимальным значением, и как эффективно обрабатывать взвешенные события.

2 Вероятностный подсчёт, проблемы тривиального подхода

Основная идея вероятностного подсчёта — учёт очередного события с некоторой вероятностью. Рассмотрим сначала пример с постоянной вероятностью обновления:

$\begin{equation*} C_{n+1} = \left\{\begin{array}{ll} C_n + 1 & \textit{с вероятностью $p = const$} \\ C_n & \textit{с вероятностью $1-p$.} \end{array}\right. \end{equation*}$

Где через C_n обозначено значение счётчика после -ой попытки обновления. Несложно понять, что C_n задаёт количество успехов среди независимых испытаний Бернулли. Иначе говоря, C_n имеет биномиальное распределение:

$\begin{align*} C_n \sim Bin(&n, p) \\ {\sf E} C_n = &np \\ {\sf D} C_n = &np(1-p). \end{align*}$

В качестве оценки числа событий естественно использовать $\widehat{n}(C) := C/p$ . Ясно, что такая оценка несмещённая: ${\sf E}\widehat{n}(C_n) = ({\sf E}C_n)/p = np/p = n$ .

Описанный подход имеет несколько недостатков: во-первых, он позволяет учесть лишь в 1/p = const раз больше событий по сравнению с простым инкрементальным счётчиком, чем заметно уступает счётчикам Морриса, как мы увидим далее. Во-вторых, относительная ошибка оценки велика при маленьких . Например, при n=1 она вообще равна 100%. Оценить относительную ошибку можно с помощью коэффициента вариации:

$\begin{align*} {\sf CV}\widehat{n}(C_n) = \frac{\sqrt{{\sf D}\widehat{n}(C_n)}}{{\sf E} \widehat{n}(C_n)} = \sqrt{\frac{1-p}{pn}}. \end{align*}$

3 Счётчики Морриса

Счётчик Морриса обновляется с вероятностью, зависящей от текущего значения: первое обновление происходит с вероятностью 1, следующее с вероятностью ½, потом ¼ и т.д.:

$\begin{equation*} C_{n+1} = \left\{\begin{array}{ll} C_n + 1 & \textit{с вероятностью $2^{-C_n}$} \\ C_n & \textit{с вероятностью $1 - 2^{-C_n}$.} \end{array}\right. \end{equation*}$

Как по значению счётчика оценить, сколько было событий? Обновление счётчика с на x + 1 происходит в среднем за 2^x итераций, отсюда оценка числа событий:

$\widehat{n}(C) := \sum_{i=0}^{C-1} 2^{i} = 2^C - 1.$

Важнейшими свойствами этой оценки являются

её несмещённость, то есть значение оценки после вероятностных обновлений в среднем равно ,

Доказательство

а также независимость её относительной ошибки от .

Доказательство

отметим здесь также, что покрываемый диапазон количества событий при использовании ${\bf X}$ бит памяти будет $2^{2^{\bf X}} - 1$ . Иначе говоря, для учёта событий достаточно $\mathcal{O}(\log \log n)$ бит памяти!

Рис. 1: Относительная ошибка оценки числа событий при использовании биномиальных счётчиков и счётчиков Морриса (для построения графика sample_size=100 раз запускался процесс обновления счётчика, затем каждой точке n сопоставлялось среднее значение по этой выборке относительной ошибки после n обновлений)

4 Взвешенные обновления

Счётчики Морриса можно использовать для подсчёта взвешенных событий: например, для суммирования размеров приходящих пакетов. Простейший способ — обновление счётчика <вес события> раз — приводит к линейной по весу сложности обновления.

Заметим, что в каждый момент времени мы знаем, как распределено количество неудач до ближайшего изменения счётчика, — это геометрическое рапределение:

$\begin{align*} {\sf P}(n_{fail} = k) = (1 - 2^{-C})^k 2^{-C} \implies n_{fail} \sim Geom(2^{-C}). \end{align*}$

Учитывая этот факт, мы можем ускорить алгоритм, сразу пропуская все подряд идущие неудачные попытки обновления:

5 Распад

Часто возникает потребность учитывать самые новые события с большим весом. Например, при поиске интенсивных ключей в потоке интереснее понять, какой ключ интенсивен прямо сейчас, а не имеет высокую среднюю интенсивность за счёт своего бурного прошлого. В статье мы рассказывали о распадных счётчиках, спроектированных специально для решения этой задачи. Другой предпосылкой для некоего распада является то, что несмотря на суперэкономное использование памяти, когда-то и счётчик Морриса переполнится. Оказывается, счётчики Морриса тоже могут распадаться, причём очень похожим на EMA способом, но гораздо эффективнее.

Идея очень проста: будем периодически вычитать из счётчика. Напомним, что значение оценивает количество событий как $\sum_{i=0}^{C-1} 2^i = 2^C - 1 =: n_0$ . Соответственно, после вычитания оценка станет $2^{C-1} - 1 = \frac{1}{2}n_0 - \frac{1}{2}$ . Иначе говоря, вычитание уменьшает оценку в $\sim 2$ раза! Мы можем добиться распада ровно в раза, обновив с вероятностью $\frac{1}{2}$ счётчик сразу после вычитания :

6 Мантисса и экспонента

Рассмотрим следующее обобщение счётчика Морриса: вероятность обновления уменьшается в раза не на каждое успешное обновление, а на каждые ${\bf X}$ . Возможной реализацией такого подхода будет разделение битов счётчика на две части: экспоненту, отвечающую за вероятность, и мантиссу, считающую количество успешных обновлений при текущей вероятности (чем-то похоже на представление чисел с плавающей точкой).

Рис. 2: разбиение битов счётчика на мантиссу (M=5 бит) и экспоненту (E=3 бит)

Введём обозначения для мантиссы и экспоненты:

$\begin{align*} {\rm e}(C) &= C \gg {\bf M} \\ {\rm m}(C) &= C \& (2^{\bf M} - 1). \end{align*}$

Теперь правило обновления и оценка числа событий записывается так:

$\begin{align*} C_{n+1} &= \left\{\begin{array}{ll} C_n + 1, & \textit{с вероятностью $2^{-{\rm e}(C)}$} \\ C_n, & \textit{с вероятностью $1 - 2^{-{\rm e}(C)}$} \end{array}\right. \\ \widehat{n}(C) &= (2^{{\rm e}(C)} - 1)2^{\bf M} + 2^{{\rm e}(C)}{\rm m}(C). \end{align*}$

Например, на рисунке 2 значение счётчика C = 89 , мантисса и экспонента равны ${\rm m} = 25$ и ${\rm e} = 2$ соответственно. А значит число событий оценивается как $\widehat{n} = (2^2 - 1) \times 2^5 + 2^2 \times 25 = 196$ .

При таком разбиении биты экспоненты будут отвечать за покрываемый диапазон количества событий, а биты мантиссы за точность оценки (далее мы поясним подробнее, что это значит). Наилучшее распределение битов счётчика зависит от задачи; мы предлагаем отдавать как можно больше мантиссе, но чтобы экспоненциальных битов хватало для покрытия интересующего диапазона значений.

Описанный вариант счётчиков Морриса обладает следующими свойствами:

покрываемый диапазон значений равен

$\begin{align*} {\bf N}_{max} = 2^{2^{\bf E} + {\bf M}} - \left(2^{2^{\bf E} - 1} + 2^{\bf M}\right); \end{align*}$ Доказательство

Покрываемый диапазон получить несложно, подставив в формулу для $\widehat{n}$ максимальные возможные значения ${\rm m} = 2^{\bf M} - 1$ и ${\rm e} = 2^{\bf E} - 1$ :

$\begin{align*} {\bf N}_{max} = \left(2^{2^{\bf E} - 1} - 1\right)2^{\bf M} + 2^{2^{\bf E} - 1}\left(2^{\bf M} - 1\right) = 2^{2^{\bf E} + {\bf M}} - \left(2^{2^{\bf E} - 1} + 2^{\bf M}\right) \end{align*}$

новая оценка $\widehat{n}$ также несмещённая: ${\sf E}\widehat{n}(C_n) = n$ ;

Доказательство

коэффициент вариации (и относительная ошибка) становятся ещё меньше! Мы не знаем его точное значение, но имеется такая оценка (сравните её с аналогичной для классического счётчика Морриса):

$\begin{align*} {\sf CV}\widehat{n}(C_n) \le 2^{-\frac{{\bf M} + 1}{2}}. \end{align*}$ Рис. 3: Чтение и обновление счётчика Морриса с ненулевой мантиссой

Рис. 3: Чтение и обновление счётчика Морриса с ненулевой мантиссой

Алгоритмы взвешенных обновлений и распада тоже немного изменятся.

Аналогично подходу, описанному в разделе 4, чтобы эффективно выполнить взвешенное обновление, нужно понять, через сколько попыток обновления вероятность изменится. При отсутствии мантиссы вероятность меняется после каждого успешного обновления, теперь же после каждых $2^{\bf M}$ . А значит нам нужно распределение количества испытаний Бернулли (искомое число событий), среди которых ровно $2^{\bf M}$ успешных. Такое распределение называется отрицательным биномиальным.

Замечание. Существует несколько определений отрицательного биномиального распределения. Будем придерживаться написанного в русскоязычной википедии, где сказано, что это распределение задаёт не общее число событий, а число неудач. Тогда чтобы получить число событий, нужно к случайной величине добавить количество успехов:

$\begin{align*} n \sim \underbrace{ NegativeBinomial\left(2^{-{\rm e}(C)}, 2^{\bf M} - {\rm m}(C)\right)}_{\textit{неудач}} + \underbrace{\left(2^{\bf M} - {\rm m}(C)\right)}_{\textit{успехов}}. \end{align*}$

Чтобы не генерировать отрицательное биномиальное распределение, можно загрубить алгоритм, всегда выбирая среднее этого распределения:

Чтобы выполнить распад, будем вычитать из экспоненциальной части (иначе говоря, $2^{\bf M}$ из значения счётчика). Тогда

$\begin{align*} \widehat{n}(C - 2^{\bf M}) = (2^{{\rm e}(C) - 1} - 1)2^{\bf M} + 2^{{\rm e}(C) - 1}{\rm m}(C) = 1/2\widehat{n}(C) - 2^{{\bf M} - 1}. \end{align*}$

Заметим, что при ${\bf M} > 0» src=«https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/c84/87b/dff/c8487bdffc66c3e847876c19c476e598.svg» />(а именно этот случай изучается в этом разделе) <img alt=$ . Поэтому исправить оценку можно, вероятностно увеличив счётчик на $2^{{\bf M} - 1}$ :

7 Заключение

Счётчики Морриса — это очень круто! Пользуйтесь!

Последний раздел не содержит полезных на практике результатов, но…

8 Обобщённые вероятностные счётчики

В общем виде правило обновления счётчика определяется функцией вероятности $F : C \mapsto [0, 1]$ :

$\begin{equation*} C_{n+1} = \left\{\begin{array}{ll} C_n + 1 & \textit{с вероятностью $F(C_n)$} \\ C_n & \textit{с вероятностью $1 - F(C_n)$.} \end{array}\right. \end{equation*}$

В случае счётчиков Морриса $F(C_n) = 2^{-C_n}$ . При изучении вероятностных счётчиков мы попробовали взять линейную функцию вероятности: $F(C_n) = 1 - \frac{C_n}{C_{max}}$ ( $C_{max}$ — некоторая константа, максимальное значение счётчика). Это привело к некоторым интересным результатам, которые будут кратко изложены в этом разделе.

Прежде чем представить эти результаты, напомним о двух математических сущностях. Полный однородный симметрический многочлен степени от переменных $x_1, \dots, x_m$ — это сумма всех возможных одночленов степени от этих переменных с коэффициентами :

$\begin{align*} \mathcal{H}_n(x_1, \dots x_m) = \sum_{\begin{array}{cc} & 0 \le i_j \le n \\ & i_1 + \dots + i_m = n \end{array}} x_1^{i_1} \cdots x_m^{i_m}. \end{align*}$

Другая конструкция, которая нам понадобится, — число Стирлинга второго рода. Один из способов определить это число — комбинаторный: число Стирлинга второго рода $\genfrac\{\}{0pt}{}{n}{m}$ — количество разбиений -элементного множества на непустых подмножеств. Числа Стирлинга связаны с полными симметрическим многочленами:

$\begin{align*} \genfrac\{\}{0pt}{}{n+m}{m} = \mathcal{H}_m(1, 2, \dots, m). \end{align*}$

С помощью $\mathcal{H}$ можно записать в общем виде вероятность того, что после попыток обновления значение счётчика равно :

$\begin{align*} {\sf P}(C_n = m) = \left[\prod_{k=0}^{m-1} F(k) \right] \mathcal{H}_{n-m}(1-F(1), \dots 1-F(m)). \end{align*}$

Эту формулу легко доказать по индукции, но также она несложно следует из простых комбинаторных рассуждений: фактически в ней записано, что для того, чтобы получить значение , нужны успешных обновлений: с до , с до и т.д., — за это отвечает множитель $\prod_{k=0}^{m-1} F(k)$ , и n - m неудачных, которые разбиваются на групп: i_1 неудачных обновлений с до , i_2 с до и т.д., что выражено $\mathcal{H}_{n-m}$ .

Наконец, при использовании линейной функции вероятности $F(C) = 1 - \frac{C}{C_{max}}$ вероятность принимает вид

$\begin{equation*} {\sf P}(C_n = m) = \genfrac\{\}{0pt}{}{n}{m} \frac{C_{max}!}{(C_{max} - m)!C_{max}^n}. \end{equation*}$

Это и есть анонсированный выше интересный результат. Мы заметили число Стирлинга в значении вероятности достаточно случайно и до сих пор не знаем, можно ли обосновать его присутствие комбинаторынми рассуждениями (опираясь, на его комбинаторное определение). Другой вопрос — можно красиво записать аналогичную вероятность для счётчиков Морриса.

Математическое ожидание и дисперсия C_n (доказательства опускаем, но их несложно получить, используя формулу для ${\sf P}$ и свойства чисел Стирлинга).

$\begin{align*} {\sf E}C_n &= C_{max}\left(1 - \left(1 - \frac{1}{C_{max}}\right)^n\right) \\ {\sf D}C_n &= C_{max}^2\left(\frac{1}{C_{max}}\left(1 - \frac{1}{C_{max}}\right)^n + \left(1 - \frac{1}{C_{max}}\right)\left(1 - \frac{2}{C_{max}}\right)^n - \left(1 - \frac{1}{C_{max}}\right)^{2n}\right). \end{align*}$

Оценить число событий можно по методу моментов:

$\begin{equation*} \widehat{n}_{MM} := \frac{\ln \left(1 - \frac{C_n}{C_{max}}\right)}{\ln \left(1 - \frac{1}{C_{max}}\right)} \end{equation*}$

или аналогично счётчикам Морриса, учитывая, что $1 + 1/2 + \dots + 1/n \sim \ln n$ :

$\begin{equation*} \widehat{n} := C_{max}\ln \left(\frac{1}{1 - \frac{C_n}{C_{max}}}\right). \end{equation*}$

Список литературы

[1] Morris, R.Counting large numbers of events in small registersCommunications of the ACM, 1978 21(10), 840–842.

[2] http://gregorygundersen.com/blog/2019/11/11/morris-algorithm/ − хороший обзор счётчиков Морриса на английском языке

[3] https://habr.com/ru/company/qrator/blog/334354/ − наша статья про EMA-счётчики

[4] https://habr.com/ru/post/208268/ − сторонний материал про счётчики Морриса