フラッシュソートを使用する

フラッシュソート (flash sort) は、キーの最小値・最大値から値域を m 個のクラス(区分)に等分し、各要素を対応クラスへ仕分けてからクラス内を挿入ソートで仕上げる。バケットソートと同様、分布が一様なら平均時間計算量は線形に近づく。違いは大きなバケット配列を持たず、インプレースの循環交換でクラス境界へ要素を集める点にある。

  1. 値域とクラス数: 配列の最小値 min・最大値 max を求め、クラス数 m⌈√(2 n log₂ n)⌉ 程度(実装によっては 0.45 n 付近)に設定する。
  2. 出現数の集計: 各要素 x について k = ⌊(m - 1)(x - min) / (max - min)⌋ でクラス番号を求め、クラスごとの要素数を数える。
  3. 境界の確定: 累積和から各クラスが最終配列のどの区間 [start_k, end_k) を占めるかを決める。
  4. インプレース配置: 右端から走査し、属するクラスがまだ確定していない要素を、対応クラスの未確定先頭位置と交換して前進させる(循環交換)。
  5. クラス内整列: 各区間について挿入ソートを行えば全体が昇順になる。
procedure flash_sort(A)
  n = length(A)
  if n ≤ 1 then return
  minVal = minimum(A)
  maxVal = maximum(A)
  if minVal = maxVal then return
  m = max(2, ceil(sqrt(2 * n * log2(n))))
  count[0..m-1] = 0
  for each x in A
    k = floor((m - 1) * (x - minVal) / (maxVal - minVal))
    count[k] = count[k] + 1
  boundary[0] = 0
  for k from 0 to m - 1
    boundary[k + 1] = boundary[k] + count[k]
  permute A in-place using boundary as class tails
  for k from 0 to m - 1
    insertion_sort(A[boundary[k] .. boundary[k + 1] - 1])

分布が一様であれば O(n) に近づくが、多くの要素が同一クラスへ集中するとクラス内の挿入ソートが重なり O(n²) になりうる。

以下のデモでは視認性のためクラス数を 5 に固定し、配置フェーズはクラス境界へ集めた結果を示す(本番実装では上記の循環交換を用いる)。

類似アルゴリズムとの相違点

バケットソートと同様に値域を区分するが、大きなバケット配列を持たずインプレースの循環交換でクラスへ集める点が異なる。スプレッドソートも値域をビンに分けるが、ビン内を要素数に応じて再帰か比較ソートへ動的に切り替え、偏った分布でも最悪性能を抑える設計となっている。

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 0.000007 0.000143 186 192
512 0.000011 0.000085 186 192
1024 0.000019 0.000750 189 196
2048 0.000034 0.000125 206 212
4096 0.000071 0.000170 222 228
8192 0.000162 0.000928 266 272
16384 0.000305 0.000653 234 272
32768 0.000604 0.003592 368 404
65536 0.001284 0.003090 612 648
131072 0.002895 0.011203 1128 1164
262144 0.006478 0.011719 2151 2188
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 flash_class_index(x: usize, min: usize, max: usize, m: usize) -> usize {
    if max == min {
        0
    } else {
        ((x - min) as f64 / (max - min) as f64 * (m - 1) as f64) as usize
    }
}

fn flash_sort(a: &mut [usize]) {
    let n = a.len();
    if n <= 1 {
        return;
    }

    let min = *a.iter().min().unwrap();
    let max = *a.iter().max().unwrap();
    if min == max {
        return;
    }

    let m = ((n as f64 * (2.0 * n as f64).log2()).sqrt().ceil() as usize).clamp(2, n);

    let mut count = vec![0usize; m];
    for &x in a.iter() {
        count[flash_class_index(x, min, max, m)] += 1;
    }

    let mut boundary = vec![0usize; m + 1];
    for i in 0..m {
        boundary[i + 1] = boundary[i] + count[i];
    }

    let mut temp = vec![0usize; n];
    let mut cursor = boundary.clone();
    for &x in a.iter() {
        let k = flash_class_index(x, min, max, m);
        temp[cursor[k]] = x;
        cursor[k] += 1;
    }
    a.copy_from_slice(&temp);

    for i in 0..m {
        let start = boundary[i];
        let end = boundary[i + 1];
        if end - start > 1 {
            insertion_sort(&mut a[start..end]);
        }
    }
}


fn benchmark_sort(array: &mut [usize]) {

    flash_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