ファンエンデボアスソートで配列を並び替える
ファンエンデボアスソートを使用する
ファンエンデボアスソート (van emde boas sort) は、整数宇宙 [0, U) 上のファン・エムデ・ボアス木(vEB 木)へキーを挿入し、最小値から順に後続(successor)をたどって取り出す非比較ソートである。
vEB 木は最小値・最大値を定数時間で返し、挿入・後続探索を O(log log U) で行う。そのため n 個のキーを整列する全体の時間は O(n log log U) になる。宇宙サイズ U が入力長 n に近い整数データでは、比較ソートの Ω(n log n) より漸近的に有利になりうる。
構造の要点は、宇宙を高位桁と低位桁に再帰的に分割することである。U = 2^{2k}(またはそれに近い 2 の冪)のとき、各ノードは次を持つ。
- min / max: その部分宇宙に含まれる最小・最大キー(木全体から切り離して保持する)。
- cluster: 低位桁用の部分木を
√U本(実際には上側平方根本)。キーxの高位high(x)がクラスタ番号、低位low(x)がクラスタ内の位置になる。 - summary: 「どのクラスタが空でないか」を表す、宇宙サイズ
√Uの vEB 木。
空でないクラスタだけを遅延確保すれば、疎なキー集合でも全宇宙分の配列を一気に確保しなくてよい。重複キーは出現回数を別配列で数え、vEB 木にはユニークなオフセットだけを入れる。
- 値域の正規化: 最小値
minを引き、オフセット0 … max-minへ写す。宇宙サイズUは値域幅以上の最小の 2 の冪(ただし 2 以上)とする。 - 集計と挿入: 各オフセットの出現回数を数え、回数が正のキーだけを vEB 木へ挿入する。
- 昇順取り出し: 木の最小値から始め、
successorで次のキーへ進みながら、出現回数ぶん出力配列へ書き戻す。
procedure veb_insert(V, x)
if V.min = NIL then
V.min = V.max = x; return
if x < V.min then swap x with V.min
if V.u > 2 then
h = high(x); l = low(x)
if V.cluster[h] is empty then
veb_insert(V.summary, h)
V.cluster[h].min = V.cluster[h].max = l
else
veb_insert(V.cluster[h], l)
if x > V.max then V.max = x
procedure veb_successor(V, x)
if V.u = 2 then
if x = 0 and V.max = 1 then return 1 else return NIL
if V.min ≠ NIL and x < V.min then return V.min
h = high(x); l = low(x)
if low-part of cluster h has a key > l then
return index(h, veb_successor(V.cluster[h], l))
succ = veb_successor(V.summary, h)
if succ = NIL then return NIL
return index(succ, V.cluster[succ].min)
procedure van_emde_boas_sort(A)
if length(A) ≤ 1 then return
minVal = minimum(A); maxVal = maximum(A)
span = maxVal - minVal + 1
count[0..span-1] = 0
for each x in A
count[x - minVal] = count[x - minVal] + 1
U = next_power_of_two(max(span, 2))
V = empty vEB tree with universe U
for v from 0 to span - 1
if count[v] > 0 then veb_insert(V, v)
idx = 0; cur = V.min
while cur ≠ NIL
repeat count[cur] times
A[idx] = minVal + cur; idx = idx + 1
cur = veb_successor(V, cur)
キー同士の大小比較は行わず、ビット分割と再帰的な summary 操作で順序を決める。同値は集計配列側でまとめて出力するため、入力を左から数えた実装では安定ソートになる。一方で補助構造は宇宙サイズに依存し、U が極端に大きいとメモリと定数倍が膨らむ。
類似アルゴリズムとの相違点
カウンティングソート や 鳩の巣ソート は値域 k に対し
O(n + k) で直接バケットを走査する。本アルゴリズムはバケット配列を線形走査する代わりに、vEB 木の
O(log log U) 操作で「次に小さいキー」だけをたどる。ツリーソート が比較で二分探索木を育てるのに対し、
ここでは宇宙のビット分割が順序を決める。トライソート の桁トライとも「桁で空間を割る」点は近いが、
summary による空クラスタのスキップが vEB 木の特徴である。
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 | 0.000025 | 0.000256 | 98 | 104 |
| 512 | 0.000046 | 0.000236 | 141 | 148 |
| 1024 | 0.000089 | 0.000305 | 198 | 204 |
| 2048 | 0.000179 | 0.000457 | 334 | 340 |
| 4096 | 0.000350 | 0.006436 | 550 | 556 |
| 8192 | 0.000816 | 0.002562 | 968 | 1004 |
| 16384 | 0.001450 | 0.003449 | 1923 | 1944 |
| 32768 | 0.003111 | 0.007243 | 3820 | 3860 |
| 65536 | 0.006850 | 0.019965 | 8168 | 8208 |
| 131072 | 0.014069 | 0.026511 | 16488 | 16528 |
| 262144 | 0.033484 | 0.134041 | 33003 | 33044 |
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;
struct VebTree {
universe: usize,
min: Option<usize>,
max: Option<usize>,
summary: Option<Box<VebTree>>,
cluster: Vec<Option<Box<VebTree>>>,
}
fn lower_sqrt(universe: usize) -> usize {
1usize << (universe.trailing_zeros() / 2)
}
impl VebTree {
fn new(universe: usize) -> Self {
debug_assert!(universe.is_power_of_two());
debug_assert!(universe >= 2);
if universe == 2 {
return Self {
universe,
min: None,
max: None,
summary: None,
cluster: Vec::new(),
};
}
let lower = lower_sqrt(universe);
let upper = universe / lower;
Self {
universe,
min: None,
max: None,
summary: Some(Box::new(Self::new(upper))),
cluster: (0..upper).map(|_| None).collect(),
}
}
fn high(&self, x: usize) -> usize {
x / lower_sqrt(self.universe)
}
fn low(&self, x: usize) -> usize {
x % lower_sqrt(self.universe)
}
fn index(&self, high: usize, low: usize) -> usize {
high * lower_sqrt(self.universe) + low
}
fn minimum(&self) -> Option<usize> {
self.min
}
fn maximum(&self) -> Option<usize> {
self.max
}
fn cluster_mut(&mut self, i: usize) -> &mut VebTree {
let lower = lower_sqrt(self.universe);
self.cluster[i].get_or_insert_with(|| Box::new(Self::new(lower)))
}
fn empty_insert(&mut self, x: usize) {
self.min = Some(x);
self.max = Some(x);
}
fn insert(&mut self, mut x: usize) {
if self.min.is_none() {
self.empty_insert(x);
return;
}
if x < self.min.unwrap() {
let old_min = self.min.unwrap();
self.min = Some(x);
x = old_min;
}
if self.universe > 2 {
let h = self.high(x);
let l = self.low(x);
if self.cluster[h]
.as_ref()
.and_then(|c| c.minimum())
.is_none()
{
self.summary.as_mut().unwrap().insert(h);
self.cluster_mut(h).empty_insert(l);
} else {
self.cluster_mut(h).insert(l);
}
}
if x > self.max.unwrap() {
self.max = Some(x);
}
}
fn successor(&self, x: usize) -> Option<usize> {
if self.universe == 2 {
return if x == 0 && self.max == Some(1) {
Some(1)
} else {
None
};
}
if let Some(min) = self.min {
if x < min {
return Some(min);
}
} else {
return None;
}
let h = self.high(x);
let l = self.low(x);
let max_low = self.cluster[h].as_ref().and_then(|c| c.maximum());
if max_low.is_some_and(|m| l < m) {
let offset = self.cluster[h].as_ref().unwrap().successor(l).unwrap();
return Some(self.index(h, offset));
}
let succ_cluster = self.summary.as_ref().unwrap().successor(h)?;
let offset = self.cluster[succ_cluster]
.as_ref()
.and_then(|c| c.minimum())
.unwrap();
Some(self.index(succ_cluster, offset))
}
}
fn van_emde_boas_sort(a: &mut [usize]) {
if a.len() <= 1 {
return;
}
let min = *a.iter().min().unwrap();
let max = *a.iter().max().unwrap();
let span = max - min + 1;
let mut count = vec![0usize; span];
for &x in a.iter() {
count[x - min] += 1;
}
let universe = span.next_power_of_two().max(2);
let mut tree = VebTree::new(universe);
for (offset, &c) in count.iter().enumerate() {
if c > 0 {
tree.insert(offset);
}
}
let mut idx = 0;
let mut cur = tree.minimum();
while let Some(v) = cur {
let value = min + v;
for _ in 0..count[v] {
a[idx] = value;
idx += 1;
}
cur = tree.successor(v);
}
}
fn benchmark_sort(array: &mut [usize]) {
van_emde_boas_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