適応型シバーズソートで配列を並び替える
適応型シバーズソートを使用する
適応型シバーズソート (Adaptive ShiversSort) は、入力にすでに存在する単調な連続区間(ラン)を検出し、ラン長の「レベル」に基づいてマージ順を決める自然マージソートである。
ティムソートと同じく、スタック上端 3 本のラン長だけを見てマージを決める方針を保ちつつ、シバーズソート由来のレベル比較で最悪時のマージコストを抑えやすくした折衷案と捉えられる。マージコストがラン長エントロピーに対して nH + O(n) に収まることが示されている。
- ランの検出: 左から昇順または厳密な降順の連続区間を見つける。降順ランは反転して昇順にそろえる。
- ランの拡張: 長さが最小ラン長
min_run未満なら挿入ソートで伸ばす(デモでは見やすさのため 4 に固定。計測実装では 32)。 - レベルの計算: ラン長
rに対しℓ = ⌊log₂(r)⌋(パラメータc = 1)をレベルとする。 - スタックに従ったマージ: ランを左から 1 本ずつ積み、スタック高さが 3 以上かつ
ℓ_{h-2} ≤ max{ℓ_{h-1}, ℓ_h}なら上から 2 本目と 3 本目(R_{h-2}とR_{h-1})を併合する。最上段R_hはそのまま残す。 - 仕上げ: 入力のランをすべて積み終わったあと、スタックに 2 本以上残っていれば上から順に 2 本ずつ併合する。
ティムソートはラン長そのものの大小関係でマージを決めるのに対し、適応型シバーズソートは長さを 2 の冪の段階(レベル)に丸めてから比較する。その結果、同程度の長さのランを早めにまとめる方針が明示的になり、最悪ケースの定数が改善しやすい。
procedure level(r) // c = 1
return floor(log2(r))
procedure adaptive_shivers_sort(A)
runs := run_decomposition(A) // 反転・min_run 拡張済み
S := empty stack
while true
h := height(S)
if h >= 3 and level(len(R_{h-2})) <= max(level(len(R_{h-1})), level(len(R_h)))
merge R_{h-2} and R_{h-1} on S
else if runs is not empty
push next run from runs onto S
else
break
while height(S) >= 2
merge R_{h-1} and R_h on S
安定ソートであり、整列済みに近い入力では検出した長いランを活かして O(n) に近づく。最悪でもマージソートと同程度の O(n log n) を保つ。
ティムソートからの差し替えはマージ抑制条件をレベル比較に変える程度で済む一方、パワーソートのような中点ベースのパワー計算は不要で、実装と証明の両方が短い点が利点である。
類似アルゴリズムとの相違点
ティムソートはスタック上端のラン長そのものでマージを決める。パワーソートは隣接ランの中点からパワーを求め、ほぼ最適な二分マージ木に沿う。
適応型シバーズソートはティムソート同様、スタック上端 3 本だけを見てマージを決めるが、長さを ⌊log₂(r)⌋ に丸めてから比較する。
古典的なシバーズソートは条件成立時に最上段 2 本をマージするのに対し、適応型はティムソート寄りに R_{h-2} と R_{h-1} をマージして最上段を残す。その差が最悪マージコストの改善につながる。
ナチュラルマージソートは自然ランを使うが、マージ順は単純なペア併合にとどまる。
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 | 0.000009 | 0.000060 | 66 | 72 |
| 512 | 0.000020 | 0.000119 | 70 | 76 |
| 1024 | 0.000039 | 0.000103 | 74 | 80 |
| 2048 | 0.000090 | 0.000240 | 89 | 96 |
| 4096 | 0.000195 | 0.001333 | 106 | 112 |
| 8192 | 0.000447 | 0.000930 | 150 | 156 |
| 16384 | 0.000989 | 0.004583 | 142 | 152 |
| 32768 | 0.002105 | 0.005306 | 334 | 340 |
| 65536 | 0.004591 | 0.025612 | 751 | 792 |
| 131072 | 0.010018 | 0.032057 | 1559 | 1604 |
| 262144 | 0.024700 | 0.091013 | 3167 | 3212 |
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;
}
}
}
#[derive(Clone, Copy)]
struct ShiversRun {
lo: usize,
hi: usize,
}
fn run_level(len: usize) -> u32 {
debug_assert!(len > 0);
(usize::BITS - 1 - len.leading_zeros()) as u32
}
fn merge_shivers_runs(a: &mut [usize], left: ShiversRun, right: ShiversRun) -> ShiversRun {
let lo = left.lo;
let hi = right.hi;
let mid = left.hi + 1;
let mut merged = Vec::with_capacity(hi - lo + 1);
let (mut l, mut r) = (left.lo, mid);
while l <= left.hi && r <= right.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..=left.hi]);
merged.extend_from_slice(&a[r..=right.hi]);
a[lo..=hi].copy_from_slice(&merged);
ShiversRun { lo, hi }
}
fn prepare_shivers_run(a: &mut [usize], start: usize, min_run: usize) -> usize {
let n = a.len();
let mut i = start + 1;
if i < n && a[i - 1] > a[i] {
while i < n && a[i - 1] > a[i] {
i += 1;
}
a[start..i].reverse();
} else {
while i < n && a[i - 1] <= a[i] {
i += 1;
}
}
let end = (start + min_run).min(n).max(i);
insertion_sort(&mut a[start..end]);
end
}
fn adaptive_shivers_sort(a: &mut [usize]) {
const MIN_RUN: usize = 32;
let n = a.len();
if n <= 1 {
return;
}
let mut pending: Vec<ShiversRun> = Vec::new();
let mut start = 0usize;
while start < n {
let end = prepare_shivers_run(a, start, MIN_RUN);
pending.push(ShiversRun {
lo: start,
hi: end - 1,
});
start = end;
}
let mut stack: Vec<ShiversRun> = Vec::new();
let mut next = 0usize;
loop {
let h = stack.len();
if h >= 3 {
let r_hm2 = stack[h - 3];
let r_hm1 = stack[h - 2];
let r_h = stack[h - 1];
let ell_hm2 = run_level(r_hm2.hi - r_hm2.lo + 1);
let ell_hm1 = run_level(r_hm1.hi - r_hm1.lo + 1);
let ell_h = run_level(r_h.hi - r_h.lo + 1);
if ell_hm2 <= ell_hm1.max(ell_h) {
let top = stack.pop().unwrap();
let mid = stack.pop().unwrap();
let left = stack.pop().unwrap();
let merged = merge_shivers_runs(a, left, mid);
stack.push(merged);
stack.push(top);
continue;
}
}
if next < pending.len() {
stack.push(pending[next]);
next += 1;
continue;
}
break;
}
while stack.len() >= 2 {
let right = stack.pop().unwrap();
let left = stack.pop().unwrap();
stack.push(merge_shivers_runs(a, left, right));
}
}
fn benchmark_sort(array: &mut [usize]) {
adaptive_shivers_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