スプレッドソートで配列を並び替える
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 や 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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