高性能凑票工具：从给定金额列表中计算满足目标金额的所有组合

Posted 2020-11-28 chenqionghe

目录

• 一、需求
• 二、实现思路
• 三、最终方案：动态规划
• 四、使用方式
  • 1.直接调用代码（适合用来开发自己的软件）
  • 2.命令行模式（适合不会编程的人使用）
• 五、总结

一、需求

公司有一个比较坑爹的报销方案，需要根据一堆碎的发票中，凑出一个目标金额，要求误差在1块钱以内
缺点：每次人肉去对比，浪费大量的时间。
大概是这样的，新建一个excel表格，将所有的金额录入，然后自己勾选发票，直到目标金额出现，如下图

二、实现思路

1. 最差方案：全组和
   使用全组合，搜索所有组合方案，遍历满足的结果输出，时间复杂度为O(n!)，原先调用了python的排列组合函数实现，结果卡得不行，有时候能把程序跑挂了

2. 中等方案：回溯暴力破解
   利用回溯输出，存在重复递归，时间复杂度为O(2^n)，一般来说已经满足正常需求，但是如果n很大，还是影响性能

3. 最优方案：动态规划
   时间复杂度为O(n*w)，为最快的方案

三、最终方案：动态规划

最终用动态规划思想实现，空间换时间，200个碎票匹配1万的金额秒出结果，大概使用800M内存，

代码已经贴到github：chenqionghe/amount-calculator

核心代码如下

package main

import (
    "fmt"
    "github.com/shopspring/decimal"
    "strconv"
    "time"
)

type InvoiceCounter struct {
    maxValue int   //期望值（单元为分）
    items    []int //发票金额（单元为分）
    overflow int   //允许的误差值（单元为分）
}

//items:所有发票 maxValue:目标金额 overflow:允许误差金额
func NewInvoiceCounter(items []float64, maxValue float64, overflow float64) *InvoiceCounter {
    obj := &InvoiceCounter{}
    obj.maxValue = obj.dollarToCent(maxValue)
    obj.overflow = obj.dollarToCent(overflow)
    centItems := make([]int, len(items))
    for i, v := range items {
        centItems[i] = obj.dollarToCent(v)
    }
    obj.items = centItems
    return obj
}

//元转分
func (this *InvoiceCounter) dollarToCent(value float64) int {
    value, _ = strconv.ParseFloat(fmt.Sprintf("%.2f", value), 64)
    decimalValue := decimal.NewFromFloat(value)
    decimalValue = decimalValue.Mul(decimal.NewFromInt(100))
    res, _ := decimalValue.Float64()
    return int(res)
}
//分转元
func (this *InvoiceCounter) centToDollar(v int) float64 {
    value := float64(v)
    value, _ = strconv.ParseFloat(fmt.Sprintf("%.2f", value/100), 64)
    return value
}

//执行计算，返回所有方案
func (this *InvoiceCounter) Run() [][]float64 {
    items := this.items
    n := len(this.items)
    max := this.maxValue + this.overflow
    states := this.createStates(len(this.items), max+1)
    states[0][0] = true
    if items[0] <= max {
        states[0][items[0]] = true
    }
    for i := 1; i < n; i++ {
        //不选
        for j := 0; j <= max; j++ {
            if states[i-1][j] {
                states[i][j] = states[i-1][j]
            }
        }
        //选中
        for j := 0; j <= max-items[i]; j++ {
            if states[i-1][j] {
                states[i][j+items[i]] = true
            }
        }
    }
    //获取最终所有满足的方案
    res := make([][]float64, 0)
    for j := this.maxValue; j <= max; j++ {
        for i := 0; i < n; i++ {
            if states[i][j] {
                //判断必须最后一个选中才算，要不区间有重合 比如前5个元素已经满足目标金额了，state[5][w]=true，然后state[6][w]也是true，存在重复的方案
                if j-items[i] >= 0 && states[i-1][j-items[i]] == true {
                    res = append(res, this.getSelected(states, items, i, j))
                }
            }
        }
    }
    return res
}

//获取所有选中的元素（倒推）
func (this *InvoiceCounter) getSelected(states [][]bool, items []int, n, max int) []float64 {
    var selected = make([]int, 0)
    for i := n; i >= 1; i-- {
        //元素被选中
        if max-items[i] >= 0 && states[i-1][max-items[i]] == true {
            selected = append([]int{items[i]}, selected...)
            max = max - items[i]
        } else {
            //没选，max重量不变，直接进入下一次
        }
    }
    if max != 0 {
        selected = append([]int{items[0]}, selected...)
    }
    dollarItems := make([]float64, len(selected))
    for i, v := range selected {
        dollarItems[i] = this.centToDollar(v)
    }
    return dollarItems
}

//初始化所有状态
func (this *InvoiceCounter) createStates(n, max int) [][]bool {
    states := make([][]bool, n)
    for i, _ := range states {
        states[i] = make([]bool, max)
    }
    return states
}

四、使用方式

1.直接调用代码（适合用来开发自己的软件）

package main

import (
    "fmt"
    "github.com/chenqionghe/amount-calculator"
    "time"
)

func main() {
    //所有碎票
    items := []float64{100, 101, 103, 105, 106, 132, 129, 292, 182, 188, 224.3, 40.5, 35.9, 32.5, 39, 12, 17.5, 28, 35, 34, 26.32, 28, 35, 39, 25, 1, 24, 35, 45, 47, 32.11, 45, 32, 38.88, 44, 36.5, 35.8, 45, 26.5, 33, 25, 364, 27.3, 39.2, 180, 279, 282, 281, 285, 275, 277, 278, 200, 201, 1959.12, 929.53, 1037.03, 1033.9}
    //目标金额
    target := float64(5000)
    //允许超出
    overflow := float64(1)
    obj := amountcalculator.New(items, target, overflow)

    startTime := time.Now()

    //获取所有的组合
    res := obj.GetCombinations()
    for _, v := range res {
        fmt.Println(v)
    }
    fmt.Printf("total:%d used time：%s
", len(res), time.Now().Sub(startTime))
}

运行结果

[100 101 103 105 106 132 129 292 182 188 224.3 40.5 12 17.5 35 34 26.32 28 35 39 25 1 24 35 45 47 45 32 38.88 44 36.5 45 26.5 33 25 364 27.3 39.2 180 279 282 281 285 275 277 278]
[100 101 103 105 132 129 292 182 188 35.9 39 12 17.5 28 35 34 26.32 28 35 39 25 1 24 35 45 47 32.11 45 32 38.88 44 36.5 35.79 45 26.5 33 25 364 27.3 39.2 180 279 282 281 285 275 277 278 200]
...
[35.9 25 24 38.88 36.5 35.79 45 26.5 33 25 27.3 39.2 180 279 282 281 285 275 277 278 200 201 1037.03 1033.9]
total:577 used time：97.048224ms

耗时97毫秒，共计算出577种方案，性能高到令人忍不住想鼓掌！

这种方式适合在自己开发的程序中使用，比如要出一个web界面，给前端提供数据

2.命令行模式（适合不会编程的人使用）

这种方式适合不会go语言，或者不会编程的人使用，只需编译出对应平台的版本就行。
一次编译多次分发，相当于copy了个绿色版软件到电脑上直接使用

编译过程如下

• 新建一个go文件：main.go

package main

import (
    "github.com/chenqionghe/amount-calculator"
)

func main() {
    amountcalculator.RunCliMode()
}

• 编译

go build -o amount-calculator

• 运行该工具

 ./amount-calculator -max=156 -overflow=1 -items=12,135,11,12,15,16,18,32,64,76,50
156 [11 15 16 18 32 64]
156 [16 64 76]
156 [12 18 76 50]
157 [12 15 16 18 32 64]
157 [15 16 18 32 76]
157 [15 16 76 50]

可以看到，命令行直接输出了所有匹配的组合，还给出了每个组合的金额，对于使用者来说，不会编程语言也完全没有关系，只需要自己执行一下即可，相当方便。

另外，命令行模式省了一个编译的过程，效率更高，推荐！

五、总结

技术解放生产力，这种重复且费时的劳动完全应该由程序去做，可惜的是

1. 一般的产品提不出这样的需求
2. 产品即使能提这样的需求，开发也不一定能实现出来
3. 开发即使实现出来，也不一定能跑得动，很可能复杂度太高太费内存CPU，太卡，还没等结果运行出来程序就挂了

哈哈，稍微有点吹牛逼了，不管怎么样，就一句话：yeah buddy! light weight baby! 让我听到你们的尖叫声！