コタソートで配列を並び替える
コタソートを使用する
コタソート(KotaSort)は、ボトムアップのマージソートの枠組みで、長さ O(√n) 程度のブロック単位で併合し、併合のあとにブロック選択ソートでブロックの順序を整える。
グレイルソートが併合前にブロック選択を行い、ウィキソートが併合と同時にブロック選択を行うのに対し、コタソートは併合後にブロック選択を行う。ブロックマージのロジックが最も単純で実装しやすく、移動回数と併合比較が最適化されている。多方向ブロックマージへの一般化も可能である。
- 小さなラン整列: 長さ 16 程度以下の区間は挿入ソートで整える。
- ボトムアップ併合: 隣接する整列済み部分列を段階的に倍化しながらマージする。
- ブロック併合: 区間が十分大きくなると、長さ
√n程度のブロックに分割し、外部バッファを使って隣接ブロックを順にマージする。 - ブロック選択: マージが終わったブロック列に対し、各ブロックの先頭要素をキーとして選択ソートを行い、ブロック全体の順序を決める。安定性のため、別のキーバッファでブロックの元の相対順序を追跡する。
- キーの復元: 収集した一意なキー列(約
3√n個)を挿入ソートし、全体へマージして整列を完了する。
procedure kota_sort(A)
if length(A) < 16 then
insertion_sort(A)
return
block_len = floor(sqrt(length(A)))
keys = collect_unique_keys(A, about 3 * block_len)
build_sorted_runs_bottom_up(A, block_len)
level = block_len
while level < length(A)
for each adjacent pair of sorted runs of length level
merge_blocks_with_buffer(A, block_len, buffer)
block_select_sort(A, keys, block_len) // Kota: selection after merge
level = level * 2
insertion_sort(keys)
merge keys back into A
コタソートはバッファレス変種を持たないため、配列全体を完結させるには別のブロックマージソート(グレイルソートやウィキソートなど)との組み合わせが必要になる。キー数は他のブロックマージ変種と比べて最も多く、約 3√n 個を要する。
最悪計算量 O(n log n) の安定ソートで、ブロックマージ系の中では実装が単純である。
類似アルゴリズムとの相違点
グレイルソートは併合前、ウィキソートは併合と同時にブロック選択する。コタは併合後にブロック選択し、3 者のうちロジックが最も単純である。
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 | 0.000006 | 0.000515 | 1666 | 1672 |
| 512 | 0.000012 | 0.000707 | 1669 | 1676 |
| 1024 | 0.000027 | 0.000476 | 1677 | 1684 |
| 2048 | 0.000062 | 0.000437 | 1698 | 1704 |
| 4096 | 0.000135 | 0.000481 | 1737 | 1744 |
| 8192 | 0.000296 | 0.000599 | 1821 | 1828 |
| 16384 | 0.000640 | 0.001047 | 1986 | 1992 |
| 32768 | 0.001386 | 0.003197 | 2306 | 2312 |
| 65536 | 0.003019 | 0.003812 | 2820 | 2824 |
| 131072 | 0.006439 | 0.012326 | 4096 | 4096 |
| 262144 | 0.014072 | 0.023600 | 6659 | 6768 |
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 kota_insertion_sort(a: &mut [usize], lo: usize, hi: usize) {
for i in lo + 1..hi {
let key = a[i];
let mut j = i;
while j > lo && a[j - 1] > key {
a[j] = a[j - 1];
j -= 1;
}
a[j] = key;
}
}
fn kota_block_swap(a: &mut [usize], start: usize, block_len: usize, i: usize, j: usize) {
let bi = start + i * block_len;
let bj = start + j * block_len;
for k in 0..block_len {
a.swap(bi + k, bj + k);
}
}
fn kota_block_select(a: &mut [usize], start: usize, block_count: usize, block_len: usize) {
for i in 0..block_count {
let mut min = i;
for j in i + 1..block_count {
if a[start + j * block_len] < a[start + min * block_len] {
min = j;
}
}
if min != i {
kota_block_swap(a, start, block_len, i, min);
}
}
}
fn kota_merge_with_buffer(a: &mut [usize], lo: usize, mid: usize, hi: usize, buf: &mut Vec<usize>) {
let left_len = mid - lo;
buf.resize(left_len, 0);
buf[..left_len].copy_from_slice(&a[lo..mid]);
let mut i = 0usize;
let mut j = mid;
let mut k = lo;
while i < left_len && j < hi {
if buf[i] <= a[j] {
a[k] = buf[i];
i += 1;
} else {
a[k] = a[j];
j += 1;
}
k += 1;
}
while i < left_len {
a[k] = buf[i];
i += 1;
k += 1;
}
}
fn kota_sort(a: &mut [usize]) {
let n = a.len();
if n <= 1 {
return;
}
let run_size = 16usize;
let block_len = (n as f64).sqrt() as usize;
let block_len = block_len.max(1);
if n < run_size {
kota_insertion_sort(a, 0, n);
return;
}
for start in (0..n).step_by(run_size) {
let end = (start + run_size).min(n);
kota_insertion_sort(a, start, end);
}
let mut merge_buf = Vec::new();
let mut width = run_size;
while width < n {
for lo in (0..n).step_by(width * 2) {
let mid = (lo + width).min(n);
let hi = (lo + width * 2).min(n);
if mid >= hi {
continue;
}
kota_merge_with_buffer(a, lo, mid, hi, &mut merge_buf);
let span = hi - lo;
if span >= block_len * 2 {
let block_count = span / block_len;
kota_block_select(a, lo, block_count, block_len);
}
}
width *= 2;
}
}
fn benchmark_sort(array: &mut [usize]) {
kota_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