デュアルピボットクイックソートを使用する

デュアルピボットクイックソート (dual-pivot quick sort) は、部分配列の両端から 2 つのピボットを選び、 3 つの区間(第 1 ピボット未満・2 ピボットの間・第 2 ピボット超)に一度で分割してから、各区間を再帰的に整列する。

クイックソートが 1 つのピボットで左右 2 分割するのに対し、 こちらは 1 回の走査で 3 分割する。Java の Arrays.sort(プリミティブ型)などで採用されており、 キャッシュ効率や比較回数の面で単一ピボット版より有利になりやすいと報告されている。

  1. 2 ピボットの選択: 部分配列の先頭と末尾(など)から 2 要素をピボット p₁, p₂ とする。必要なら p₁ ≤ p₂ になるよう交換する。
  2. 3 分割: 走査ポインタで要素を < p₁p₁ ≤ · ≤ p₂> p₂ の 3 領域へ仕分ける。
  3. ピボットの確定: p₁, p₂ をそれぞれ中間領域の両端に置く。
  4. 再帰: 左・中・右の 3 部分配列に同じ処理を繰り返す。十分短い区間は挿入ソートで仕上げる。
procedure dual_pivot_quick_sort(A, lo, hi)
  if hi - lo <= INSERTION_THRESHOLD then
    insertion_sort(A, lo, hi)
    return
  if A[lo] > A[hi] then
    swap(A[lo], A[hi])
  p1 = A[lo]
  p2 = A[hi]
  less = lo + 1
  great = hi - 1
  k = less
  while k <= great
    if A[k] < p1 then
      swap(A[k], A[less])
      less = less + 1
      k = k + 1
    else if A[k] > p2 then
      while k < great and A[great] > p2
        great = great - 1
      swap(A[k], A[great])
      great = great - 1
      if A[k] < p1 then
        swap(A[k], A[less])
        less = less + 1
      k = k + 1
    else
      k = k + 1
  swap(A[lo], A[less - 1])
  swap(A[hi], A[great + 1])
  dual_pivot_quick_sort(A, lo, less - 2)
  dual_pivot_quick_sort(A, less, great)
  dual_pivot_quick_sort(A, great + 2, hi)

平均計算量は O(n log n) だが、ピボットの偏り次第で最悪計算量 O(n²) になり得る。一般に不安定である。

類似アルゴリズムとの相違点

クイックソートは 1 ピボットで 2 分割するが、デュアルピボット版は 1 回の分割で 3 区間に分ける。 サンプルソートも複数の分割点を使うが、標本からスプリッターを選び並列化を想定した設計であるのに対し、 デュアルピボット版は両端 2 要素をピボットに据えるインプレースな再帰である。

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 0.000010 0.000254 58 64
512 0.000019 0.000103 62 68
1024 0.000041 0.000273 82 88
2048 0.000080 0.000195 61 68
4096 0.000187 0.000397 62 68
8192 0.000447 0.001076 62 68
16384 0.000887 0.002198 82 88
32768 0.002008 0.009033 58 64
65536 0.004223 0.015791 58 64
131072 0.010088 0.040626 58 64
262144 0.016550 0.024620 62 68
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 dual_pivot_quick_sort_range(a: &mut [usize], lo: usize, hi: usize) {
    if hi <= lo {
        return;
    }
    if hi - lo < 16 {
        insertion_sort(&mut a[lo..=hi]);
        return;
    }

    if a[lo] > a[hi] {
        a.swap(lo, hi);
    }
    let pivot1 = a[lo];
    let pivot2 = a[hi];

    let mut less = lo + 1;
    let mut great = hi - 1;
    let mut k = less;

    while k <= great {
        if a[k] < pivot1 {
            a.swap(k, less);
            less += 1;
            k += 1;
        } else if a[k] > pivot2 {
            while k < great && a[great] > pivot2 {
                great -= 1;
            }
            a.swap(k, great);
            great -= 1;
            if a[k] < pivot1 {
                a.swap(k, less);
                less += 1;
            }
            k += 1;
        } else {
            k += 1;
        }
    }

    a.swap(lo, less - 1);
    a.swap(hi, great + 1);

    if lo + 1 < less {
        dual_pivot_quick_sort_range(a, lo, less - 2);
    }
    if less < great {
        dual_pivot_quick_sort_range(a, less, great);
    }
    if great + 1 < hi {
        dual_pivot_quick_sort_range(a, great + 2, hi);
    }
}

fn dual_pivot_quick_sort(a: &mut [usize]) {
    if let Some(hi) = a.len().checked_sub(1) {
        dual_pivot_quick_sort_range(a, 0, hi);
    }
}


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

    dual_pivot_quick_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