ナチュラルマージソートを使用する

ナチュラルマージソート (natural merge sort) は、入力にすでに存在する昇順の連続区間(自然ラン)を検出し、隣接するラン同士をマージソートと同じ要領で併合していく。

通常のボトムアップ型マージソートが長さ 1 のランから機械的に倍々で併合するのに対し、最初から「すでに整っている部分」をランとして取り込む点が名前の由来である。

  1. ランの検出: 配列を左から走査し、隣接要素が非減少(A[i] <= A[i+1])であるあいだは同じランとして伸ばす。降順に落ちたところで区切り、次のランを始める。
  2. ペア併合: 見つかったランが 2 本以上なら、隣接する 2 本ずつを先頭からペアにしてマージする。奇数本目の末尾ランは次のパスまで持ち越す。
  3. 繰り返し: マージ後の配列を再び走査し、ランが 1 本になるまで手順 1〜2 を繰り返す。ランが 1 本になった時点で全体が昇順である。

パスのたびにランを再検出するため、併合の境界でたまたま非減少がつながれば、次パスではより長いランとして扱われる。

procedure natural_merge_sort(A)
  n = length(A)
  if n <= 1 then
    return
  loop
    runs = empty list of (start, end)  // half-open [start, end)
    i = 0
    while i < n
      start = i
      i = i + 1
      while i < n and A[i - 1] <= A[i]
        i = i + 1
      append (start, i) to runs
    if length(runs) <= 1 then
      return
    k = 0
    while k + 1 < length(runs)
      (lo, mid) = runs[k]
      (_, hi) = runs[k + 1]
      merge(A, lo, mid, hi)  // stable two-way merge into A[lo .. hi)
      k = k + 2

整列済み入力では最初の走査でランが 1 本だけになり O(n) で終わる。ランダム入力ではラン数が多く、最悪計算量は通常のマージソートと同様に O(n log n) である。マージを安定実装すれば安定ソートになる。

類似アルゴリズムとの相違点

マージソートは分割位置を中央で固定するため、入力の既存順序を活かさない。ナチュラル・マージは自然ランから始める分、整列済みや部分的に整った入力でパス数を減らせる。

ティムソートパワーソートは、降順ランの反転・短いランの挿入ソート拡張・スタック上のマージ抑制など、自然ラン活用をさらに洗練した実用実装である。本記事の手続きは、その原型にあたる単純な自然ラン+ペア併合に絞っている。

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 0.000026 0.002400 70 80
512 0.000049 0.000311 76 84
1024 0.000104 0.000445 84 92
2048 0.000212 0.000776 99 116
4096 0.000422 0.001911 125 148
8192 0.000862 0.002831 181 196
16384 0.001847 0.004077 281 332
32768 0.003790 0.008569 474 576
65536 0.007729 0.041187 938 1096
131072 0.015961 0.042356 1843 2116
262144 0.033838 0.067317 3641 4172
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 natural_merge_sort(a: &mut [usize]) {
    let n = a.len();
    if n <= 1 {
        return;
    }
    loop {
        let mut runs = Vec::new();
        let mut i = 0;
        while i < n {
            let start = i;
            i += 1;
            while i < n && a[i - 1] <= a[i] {
                i += 1;
            }
            runs.push((start, i));
        }
        if runs.len() <= 1 {
            return;
        }
        let mut k = 0;
        while k + 1 < runs.len() {
            let (lo, mid) = runs[k];
            let (_, hi) = runs[k + 1];
            let mut merged = Vec::with_capacity(hi - lo);
            let (mut l, mut r) = (lo, mid);
            while l < mid && r < hi {
                if a[l] <= a[r] {
                    merged.push(a[l]);
                    l += 1;
                } else {
                    merged.push(a[r]);
                    r += 1;
                }
            }
            merged.extend_from_slice(&a[l..mid]);
            merged.extend_from_slice(&a[r..hi]);
            a[lo..hi].copy_from_slice(&merged);
            k += 2;
        }
    }
}


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

    natural_merge_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