スプレッドソートを使用する

スプレッドソート (spreadsort) は、キーの最小値・最大値から値域を n/c 個程度のビンに等分して仕分け、各ビン内では要素数に応じて再帰的にスプレッドソートを続けるか、比較ベースの整列(典型例は挿入ソートやクイックソート)へ切り替える。

ハイブリッド型の分布ソートである。

フラッシュソートプロックスマップソート と同系統だが、ビン数の決め方と再帰/フォールバックの判定が最悪ケース性能を意識して設計されている点が特徴的である。Boost.Sort ライブラリにも実装があり、整数・浮動小数・文字列向けに最適化された派生が含まれる。

  1. 値域の把握: 部分配列の最小値 min・最大値 max を求め、値域幅 log₂(max - min) を記録する。
  2. ビン数の決定: 平均ビンサイズ c(典型値は 4 前後)からビン数 m ≈ n/c を設定し、値域を m 等分する。
  3. 仕分け: 各要素 x について k = ⌊m · (x - min) / (max - min)⌋ でビン番号を求め、補助配列へ集める。
  4. ビン内整列: 各ビンについて要素数が閾値 get_max_count 未満なら比較ソート(ここでは挿入ソート)、以上なら再帰的に手順 1〜4 を適用する。
procedure spreadsort(A)
  n = length(A)
  if n < get_max_count(logRange, n) then
    insertion_sort(A)
    return
  minVal = minimum(A)
  maxVal = maximum(A)
  if minVal = maxVal then return
  m = max(MIN_BINS, floor(n / MEAN_BIN_SIZE))
  if m ≥ (maxVal - minVal + 1) then
    insertion_sort(A)
    return
  scatter A into m bins by value mapping
  for each bin b with count ≥ 2
    if count(b) < get_max_count(logRange, n) then
      insertion_sort(bin b)
    else
      spreadsort(bin b)

分布が一様なら線形に近づくが、同一ビンに偏ると比較ソートへフォールバックする。

基数ソートが固定桁数で区分するのに対し、スプレッドソートは現在の部分配列の値域に応じてビン幅を動的に決める。フラッシュソートがクラス内を挿入ソートで仕上げるのに対し、スプレッドソートは get_max_count により再帰継続と比較ソートの切り替えを行い、偏った分布でも最悪性能を抑える設計となっている。

以下のデモでは視認性のためビン数を 5 に固定し、仕分け後の各ビン内整列を挿入ソートで示す(本番実装では要素数に応じて再帰または比較ソートへ切り替える)。

フラッシュソートとの違い

フラッシュソート も値域をクラスに分割して仕分けるが、スプレッドソートはビン内のサイズに応じて再帰継続か比較ソートかを動的に選ぶ。

観点 スプレッドソート フラッシュソート
区分数 n/c(平均ビンサイズ c 付近) ⌈√(2n log₂ n)⌉ 程度
ビン内整列 閾値で再帰/比較ソートを切替 挿入ソートが典型
最悪性能 O(n log n) 比較へフォールバック可能 同一クラス集中で O(n²)
実装例 Boost.Sort spreadsort 各種教科書実装

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 0.000003 0.000026 1682 1688
512 0.000006 0.000048 1690 1696
1024 0.000011 0.000067 1706 1712
2048 0.000021 0.000064 1734 1740
4096 0.000043 0.000110 1793 1800
8192 0.000091 0.000232 1914 1920
16384 0.000181 0.000405 2029 2036
32768 0.000345 0.000818 2499 2532
65536 0.000696 0.001460 3452 3556
131072 0.001460 0.005788 5442 5476
262144 0.002981 0.007061 9282 9316
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;
        }
    }
}



const MEAN_BIN_SIZE: usize = 4;
const MIN_BIN_COUNT: usize = 16;

fn rough_log2_size(n: usize) -> u32 {
    if n == 0 {
        0
    } else {
        usize::BITS - 1 - n.leading_zeros()
    }
}

fn get_max_count(log_range: u32, count: usize) -> usize {
    const MAX_SPLITS: u32 = 11;
    const LOG_CONST: u32 = 2;
    const LOG_MEAN_BIN_SIZE: u32 = 2;
    const LOG_MIN_SPLIT_COUNT: u32 = 4;
    let data_size = usize::BITS;

    let log_size = rough_log2_size(count);
    let denom = log_size.min(MAX_SPLITS).max(1);
    let mut relative_width = (LOG_CONST * log_range) / denom;
    if data_size <= relative_width {
        relative_width = data_size - 1;
    }
    let shift = if relative_width < LOG_MEAN_BIN_SIZE + LOG_MIN_SPLIT_COUNT {
        LOG_MEAN_BIN_SIZE + LOG_MIN_SPLIT_COUNT
    } else {
        relative_width
    };
    1usize << shift.min(31)
}

fn spread_bin_index(x: usize, min: usize, max: usize, bin_count: usize) -> usize {
    if max == min {
        0
    } else {
        (((x - min) as u128 * bin_count as u128 / (max - min) as u128) as usize)
            .min(bin_count.saturating_sub(1))
    }
}

fn spreadsort_rec(a: &mut [usize]) {
    let n = a.len();
    let max_count = get_max_count(rough_log2_size(a.iter().max().copied().unwrap_or(0)), n);
    if n < max_count {
        insertion_sort(a);
        return;
    }

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

    let log_range = rough_log2_size(max - min);
    let bin_count = (n / MEAN_BIN_SIZE).max(MIN_BIN_COUNT).min(n);
    let range = max - min;

    if bin_count >= range + 1 {
        insertion_sort(a);
        return;
    }

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

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

    let mut temp = vec![0usize; n];
    let mut cursor = offset.clone();
    for &x in a.iter() {
        let bin = spread_bin_index(x, min, max, bin_count);
        temp[cursor[bin]] = x;
        cursor[bin] += 1;
    }
    a.copy_from_slice(&temp);

    let fallback = get_max_count(log_range, n);
    for i in 0..bin_count {
        let start = offset[i];
        let end = offset[i + 1];
        let len = end - start;
        if len < 2 {
            continue;
        }
        if len < fallback {
            insertion_sort(&mut a[start..end]);
        } else {
            spreadsort_rec(&mut a[start..end]);
        }
    }
}

fn spread_sort(a: &mut [usize]) {
    if !a.is_empty() {
        spreadsort_rec(a);
    }
}


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

    spread_sort(array);

}

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 {
    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 run_once(size: usize, seed: usize) -> (u128, usize) {
    let expected: Vec<usize> = (1..=size).collect();
    let mut array = shuffled(size, seed as u64);

    let start = Instant::now();

    benchmark_sort(&mut array);

    let elapsed = start.elapsed();

    if array != expected {
        panic!(
            "sort failed with seed {} for size {}",
            seed,
            size
        );
    }

    (micros(elapsed), memory_usage_kb())
}

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 == "--run-once") {
        run_child(&args);
        return;
    }

    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 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;
            }

            total_mem += mem;

            if mem > max_mem {
                max_mem = 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