イントロソートで配列を並び替える
イントロソートを使用する
イントロソート (introspective sort) は、クイックソートを主役にし、再帰が深くなりすぎた区間をヒープソートに切り替え、十分に短い部分配列は挿入ソートで仕上げる。
クイックソート単体は入力次第でピボット選びが偏り、再帰深度が O(n) に達して最悪計算量 O(n²) になり得る。
そこでイントロソートは許容する再帰の深さに上限(多くの実装で 2·⌊log₂ n⌋ 前後)を設け、それを超えそうな区間だけヒープソートにフォールバックする。比較ソートとしての下界 Ω(n log n) に張り付いたまま、最悪ケースを回避できる。
- クイックソート: 通常どおり分割と再帰を行う。
- 深さの監視: 再帰の残り許容深度が
0になった区間は、クイックソートを続けずヒープソートで処理する。 - 小区間の挿入: 要素数が閾値以下の部分配列は挿入ソートで済ませる(再帰オーバーヘッドとマージコストを抑える)。
procedure introsort(A, lo, hi, depth_limit)
if hi - lo <= INSERTION_THRESHOLD then
insertion_sort(A, lo, hi)
return
if depth_limit = 0 then
heapsort(A, lo, hi)
return
p = partition(A, lo, hi)
introsort(A, lo, p - 1, depth_limit - 1)
introsort(A, p + 1, hi, depth_limit - 1)
procedure sort(A)
introsort(A, 0, length(A) - 1, max(2 * floor(log2(length(A))), 1))
この切り替えにより最悪計算量は O(n log n) に保たれるが、ピボット型の分割や挿入ソートの交換が相対順序を変えうるため、一般に不安定である。
類似アルゴリズムとの相違点
クイックソートに深さ監視とヒープソートへの切り替え、挿入ソートによる小区間仕上げを加えたものである。
クイックソート単体の最悪計算量 O(n²) を避けつつ、平均性能を維持しようとする設計である。
計算時間量および空間計算量を計測する
| Size | Average time | Maximum time | Average memory | Maximum memory |
|---|---|---|---|---|
| 256 | 0.000005 | 0.000631 | 1661 | 1668 |
| 512 | 0.000012 | 0.000033 | 1665 | 1672 |
| 1024 | 0.000026 | 0.000644 | 1674 | 1680 |
| 2048 | 0.000058 | 0.000668 | 1690 | 1696 |
| 4096 | 0.000124 | 0.000520 | 1722 | 1728 |
| 8192 | 0.000269 | 0.000598 | 1785 | 1792 |
| 16384 | 0.000581 | 0.000873 | 1917 | 1924 |
| 32768 | 0.001255 | 0.001718 | 2178 | 2184 |
| 65536 | 0.002758 | 0.009310 | 2689 | 2696 |
| 131072 | 0.005840 | 0.019221 | 3714 | 3720 |
| 262144 | 0.012282 | 0.031689 | 5761 | 5768 |
計測に使用したコードを表示する
set -euo pipefail
WORKDIR="$(mktemp -d)"
trap 'rm -rf "$WORKDIR"' EXIT
cat > "$WORKDIR/Dockerfile" <<'EOF'
FROM rust:1.95.0
WORKDIR /app
RUN mkdir -p src
RUN cat > Cargo.toml <<'CARGO'
[package]
name = "rust-benchmark"
version = "0.1.0"
edition = "2021"
[profile.release]
lto = true
codegen-units = 1
panic = "abort"
CARGO
RUN cat > src/main.rs <<'RUST'
use std::{
env,
process::Command,
time::{Duration, Instant},
};
const MIN_POWER: u32 = 8;
const MAX_POWER: u32 = 18;
const RUNS: usize = 8192;
fn insertion_sort(a: &mut [usize]) {
for i in 1..a.len() {
let mut j = i;
while j > 0 && a[j - 1] > a[j] {
a.swap(j - 1, j);
j -= 1;
}
}
}
fn partition_at(a: &mut [usize], lo: usize, hi: usize, pivot_idx: usize) -> usize {
a.swap(pivot_idx, hi);
let pivot = a[hi];
let mut i = lo;
for j in lo..hi {
if a[j] < pivot {
a.swap(i, j);
i += 1;
}
}
a.swap(i, hi);
i
}
fn partition(a: &mut [usize], lo: usize, hi: usize) -> usize {
partition_at(a, lo, hi, lo + (hi - lo) / 2)
}
fn sift_down(a: &mut [usize], mut root: usize, end: usize) {
loop {
let child = root * 2 + 1;
if child > end {
break;
}
let mut swap_idx = child;
if child < end && a[child] < a[child + 1] {
swap_idx = child + 1;
}
if a[root] >= a[swap_idx] {
break;
}
a.swap(root, swap_idx);
root = swap_idx;
}
}
fn heap_sort(a: &mut [usize]) {
if a.len() <= 1 {
return;
}
for start in (0..a.len() / 2).rev() {
sift_down(a, start, a.len() - 1);
}
for end in (1..a.len()).rev() {
a.swap(0, end);
sift_down(a, 0, end - 1);
}
}
fn intro_sort_range(a: &mut [usize], lo: usize, hi: usize, depth: usize) {
if hi <= lo {
return;
}
if hi - lo < 16 {
insertion_sort(&mut a[lo..=hi]);
return;
}
if depth == 0 {
heap_sort(&mut a[lo..=hi]);
return;
}
let p = partition(a, lo, hi);
if p > 0 {
intro_sort_range(a, lo, p - 1, depth - 1);
}
intro_sort_range(a, p + 1, hi, depth - 1);
}
fn intro_sort(a: &mut [usize]) {
if let Some(hi) = a.len().checked_sub(1) {
let depth = usize::BITS as usize - a.len().leading_zeros() as usize;
intro_sort_range(a, 0, hi, depth * 2);
}
}
fn benchmark_sort(array: &mut [usize]) {
intro_sort(array);
}
fn is_non_decreasing(a: &[usize]) -> bool {
a.windows(2).all(|w| w[0] <= w[1])
}
fn same_multiset(a: &[usize], b: &[usize]) -> bool {
if a.len() != b.len() {
return false;
}
let mut left = a.to_vec();
let mut right = b.to_vec();
left.sort_unstable();
right.sort_unstable();
left == right
}
fn check_correctness_case(label: &str, mut input: Vec<usize>) {
let original = input.clone();
benchmark_sort(&mut input);
if !is_non_decreasing(&input) {
panic!("correctness case {}: output is not sorted", label);
}
if !same_multiset(&input, &original) {
panic!("correctness case {}: elements were lost or added", label);
}
}
fn few_unique_values(size: usize, unique: usize, seed: u64) -> Vec<usize> {
let mut state = seed;
(0..size)
.map(|_| {
state ^= state << 13;
state ^= state >> 7;
state ^= state << 17;
(state as usize % unique) + 1
})
.collect()
}
fn run_correctness_checks() {
check_correctness_case("empty", vec![]);
check_correctness_case("single", vec![42]);
check_correctness_case("duplicates", vec![3, 1, 3, 2, 1, 2]);
check_correctness_case("sorted", vec![1, 2, 3, 4, 5]);
check_correctness_case("reverse", vec![5, 4, 3, 2, 1]);
check_correctness_case("all_equal", vec![7, 7, 7, 7]);
check_correctness_case("skewed_range", vec![1_000_000, 2, 1_000_001, 1, 999_999]);
// Static-buffer Grail skips the in-buffer build when key collection is sparse
// (ideal_buffer = false). Exercising that path catches regressions in buffer gating.
check_correctness_case(
"few_keys_len16",
vec![2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 2, 4, 3, 1, 2, 3, 4, 1, 4],
);
for seed in 0..32 {
check_correctness_case(
&format!("few_keys_len32_seed_{seed}"),
few_unique_values(32, 4, seed),
);
}
}
fn shuffled(size: usize, seed: u64) -> Vec<usize> {
let mut v: Vec<usize> = (1..=size).collect();
let mut state = seed;
for i in (1..size).rev() {
state ^= state << 13;
state ^= state >> 7;
state ^= state << 17;
let j = (state as usize) % (i + 1);
v.swap(i, j);
}
v
}
fn memory_usage_kb() -> usize {
// VmHWM (peak RSS, KiB). Reported memory subtracts a per-size baseline that only
// holds the input array, so the table reflects auxiliary space during sorting.
let contents = std::fs::read_to_string("/proc/self/status")
.unwrap_or_default();
for line in contents.lines() {
if let Some(rest) = line.strip_prefix("VmHWM:") {
let kb = rest
.split_whitespace()
.next()
.unwrap_or("0")
.parse::<usize>()
.unwrap_or(0);
return kb;
}
}
0
}
fn micros(d: Duration) -> u128 {
d.as_micros()
}
fn input_array(size: usize, seed: u64) -> Vec<usize> {
shuffled(size, seed)
}
fn run_baseline(size: usize) -> usize {
let _hold = input_array(size, 1);
memory_usage_kb()
}
fn run_once(size: usize, seed: usize) -> (u128, usize) {
let mut array = input_array(size, seed as u64);
let start = Instant::now();
benchmark_sort(&mut array);
let elapsed = start.elapsed();
let mem = memory_usage_kb();
let expected: Vec<usize> = (1..=size).collect();
if array != expected {
panic!(
"sort failed with seed {} for size {}",
seed,
size
);
}
(micros(elapsed), mem)
}
fn run_baseline_child(args: &[String]) {
let size = args[2].parse::<usize>().expect("invalid size");
let mem = run_baseline(size);
println!("{}", mem);
}
fn run_child(args: &[String]) {
let size = args[2].parse::<usize>().expect("invalid size");
let seed = args[3].parse::<usize>().expect("invalid seed");
let (elapsed_us, mem) = run_once(size, seed);
println!("{} {}", elapsed_us, mem);
}
fn main() {
let args: Vec<String> = env::args().collect();
if args.get(1).is_some_and(|arg| arg == "--baseline-once") {
run_baseline_child(&args);
return;
}
if args.get(1).is_some_and(|arg| arg == "--run-once") {
run_child(&args);
return;
}
run_correctness_checks();
println!(
"| {:>10} | {:>15} | {:>15} | {:>15} | {:>15} |",
"Size",
"Average time",
"Maximum time",
"Average memory",
"Maximum memory"
);
println!(
"|{:-<11}:|{:-<16}:|{:-<16}:|{:-<16}:|{:-<16}:|",
"",
"",
"",
"",
""
);
for power in MIN_POWER..=MAX_POWER {
let size = 1usize << power;
let baseline_output = Command::new(env::current_exe().expect("failed to find current executable"))
.arg("--baseline-once")
.arg(size.to_string())
.output()
.expect("failed to run benchmark baseline process");
if !baseline_output.status.success() {
panic!(
"benchmark baseline process failed: {}",
String::from_utf8_lossy(&baseline_output.stderr)
);
}
let baseline_stdout = String::from_utf8(baseline_output.stdout)
.expect("baseline process returned non-UTF-8 output");
let baseline_mem = baseline_stdout
.split_whitespace()
.next()
.expect("missing baseline memory usage")
.parse::<usize>()
.expect("invalid baseline memory usage");
let mut total_time: u128 = 0;
let mut max_time: u128 = 0;
let mut total_mem: usize = 0;
let mut max_mem: usize = 0;
for seed in 1..=RUNS {
let output = Command::new(env::current_exe().expect("failed to find current executable"))
.arg("--run-once")
.arg(size.to_string())
.arg(seed.to_string())
.output()
.expect("failed to run benchmark child process");
if !output.status.success() {
panic!(
"benchmark child process failed: {}",
String::from_utf8_lossy(&output.stderr)
);
}
let stdout = String::from_utf8(output.stdout)
.expect("child process returned non-UTF-8 output");
let mut fields = stdout.split_whitespace();
let elapsed_us = fields
.next()
.expect("missing elapsed time")
.parse::<u128>()
.expect("invalid elapsed time");
let mem = fields
.next()
.expect("missing memory usage")
.parse::<usize>()
.expect("invalid memory usage");
total_time += elapsed_us;
if elapsed_us > max_time {
max_time = elapsed_us;
}
let aux_mem = mem.saturating_sub(baseline_mem);
total_mem += aux_mem;
if aux_mem > max_mem {
max_mem = aux_mem;
}
}
let avg_time = total_time / RUNS as u128;
let avg_mem = total_mem / RUNS;
println!(
"| {:>10} | {:>15} | {:>15} | {:>15} | {:>15} |",
size,
format!("{}.{:06}", avg_time / 1_000_000, avg_time % 1_000_000),
format!("{}.{:06}", max_time / 1_000_000, max_time % 1_000_000),
avg_mem,
max_mem
);
}
}
RUST
RUN cargo build --release
CMD ["./target/release/rust-benchmark"]
EOF
docker build -t rust-benchmark "$WORKDIR"
docker run --rm --init rust-benchmark