三分割クイックソートを使用する

三分割クイックソート (3-way quick sort) は、単一のピボットを基準に部分配列を < pivot= pivot> pivot の 3 区間へ一度で分け、等値区間を確定させたうえで両外側だけを再帰する。

Dijkstra のオランダ国旗問題(Dutch National Flag)と同じ 3 色分割が原型で、Bentley と McIlroy の工学的なクイックソート改良でも同値の扱いに使われる。

通常のクイックソートが 2 分割だけだと等値キーが多いときに再帰が深くなるのに対し、こちらは等値帯をその場で確定できるため、重複の多い入力で有利になりやすい。

  1. ピボットの選択: 部分配列の先頭(など)から 1 要素をピボットとする。
  2. 3 分割: 走査ポインタで要素をピボット未満・等値・超過の 3 領域へ仕分ける。
  3. 等値帯の確定: ピボットと等値連続区間はすでに最終位置にある。
  4. 再帰: 未満側と超過側だけ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 three_way_quick_sort(A, lo, hi)
  if hi - lo <= INSERTION_THRESHOLD then
    insertion_sort(A, lo, hi)
    return
  pivot = A[lo]
  lt = lo
  i = lo + 1
  gt = hi
  while i <= gt
    if A[i] < pivot then
      swap(A[lt], A[i])
      lt = lt + 1
      i = i + 1
    else if A[i] > pivot then
      swap(A[i], A[gt])
      gt = gt - 1
    else
      i = i + 1
  three_way_quick_sort(A, lo, lt - 1)
  three_way_quick_sort(A, gt + 1, hi)

平均計算量は O(n log n) で、キーの種類が定数個なら線形に近づく。ピボットが偏ると最悪計算量は 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、等値を左右どちらに寄せるかの規約に依存し、重複が多いと偏りやすい。

デュアルピボットクイックソートも 1 回の走査で 3 区間に分けるが、ピボットが 2 つで区間の意味が異なる。

三分割版は単一ピボットのまま等値帯を明示的に切り出す点が主題である。

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 0.000005 0.000074 62 68
512 0.000011 0.000060 66 72
1024 0.000024 0.000417 61 68
2048 0.000053 0.000131 58 64
4096 0.000116 0.000214 62 68
8192 0.000255 0.000479 58 64
16384 0.000558 0.000818 57 64
32768 0.001197 0.001971 62 68
65536 0.002579 0.007840 62 68
131072 0.005431 0.009733 61 68
262144 0.011323 0.019386 58 64
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 three_way_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;
    }

    let pivot = a[lo];
    let mut lt = lo;
    let mut i = lo + 1;
    let mut gt = hi;

    while i <= gt {
        if a[i] < pivot {
            a.swap(lt, i);
            lt += 1;
            i += 1;
        } else if a[i] > pivot {
            a.swap(i, gt);
            gt -= 1;
        } else {
            i += 1;
        }
    }

    if lt > lo {
        three_way_quick_sort_range(a, lo, lt - 1);
    }
    if gt < hi {
        three_way_quick_sort_range(a, gt + 1, hi);
    }
}

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


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

    three_way_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