バイナリクイックソートを使用する

バイナリクイックソート (binary quick sort) は、キーをビット列と見なし、最上位ビットから 1 ビットずつ見て配列を「そのビットが 0 の側」と「1 の側」に分割し、両側へ同じ処理を再帰する整列法である。基数交換ソート (radix-exchange sort) とも呼ばれる。

ロムート分割型クイックソートが要素値そのものをピボットにするのに対し、こちらは「現在見ているビットが 0 か 1 か」が分割の基準になる。分割の形はクイックソートに近く、桁の扱い方は最上位桁優先の基数ソートアメリカ国旗ソートに近い。

  1. ビット位置の選択: キー幅のうち最上位の有効ビットから始める。部分配列が十分短ければ挿入ソートなどで終える。
  2. 2 分割: 左右の走査ポインタで、現在ビットが 0 の要素を左へ、1 の要素を右へ寄せる(Hoare 分割と同型)。
  3. 再帰: 0 側・1 側それぞれについて、1 つ下のビット位置で手順 1〜2 を繰り返す。ビットが尽きるか要素が 1 個以下なら終了する。
procedure binary_quick_sort(A, bit)
  if length(A) <= 1 or bit < 0 then
    return
  if length(A) <= INSERTION_THRESHOLD then
    insertion_sort(A)
    return
  i = 0
  j = length(A)
  while i < j
    while i < j and bit(A[i], bit) = 0
      i = i + 1
    while i < j and bit(A[j - 1], bit) = 1
      j = j - 1
    if i < j then
      swap(A[i], A[j - 1])
      i = i + 1
      j = j - 1
  mid = i
  binary_quick_sort(A[0 .. mid), bit - 1)
  binary_quick_sort(A[mid .. length(A)), bit - 1)

キー幅を w ビットとすると、各要素は高々 w 回のビット検査で行き先が決まるため、計算量は概ね O(n · w) である(下の計測では、入力の最大値から始めて無駄な上位ゼロビットを飛ばす)。補助配列は使わず、再帰の深さは高々 w なので作業領域は O(w) 程度に抑えられる。一般に不安定である。

以下のデモでは値を 1〜15(4 ビット)に抑え、最上位ビットから分割が進む様子を示す。

類似アルゴリズムとの相違点

ロムート分割型クイックソートは値の大小比較でピボット周辺へ分ける。バイナリクイックソートは比較の代わりにビット検査で 2 分割するため、ピボット選択の偏りというよりキーのビット分布が深さと走査量を決める。

基数ソートは最下位桁優先(LSD; Least Significant Digit)かつ十進カウンティングで桁ごとに安定なバケット集計を行い、補助配列を使うのが典型である。バイナリクイックソートは最上位桁優先(MSD; Most Significant Digit)かつ二進、インプレース交換が中心で安定性も補助領域も異なる。

アメリカ国旗ソートは記号集合が大きい(例: 1 バイトで 256 通り)最上位桁優先のインプレース分割である。バイナリクイックソートはその記号幅を 2 に固定した極端な場合とみなせる。

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 0.000007 0.000049 0 0
512 0.000017 0.000083 0 0
1024 0.000036 0.000087 0 0
2048 0.000079 0.000141 0 0
4096 0.000171 0.000290 0 0
8192 0.000376 0.000598 0 0
16384 0.000850 0.003165 0 0
32768 0.001743 0.002693 0 0
65536 0.003782 0.008057 0 0
131072 0.008157 0.254469 0 0
262144 0.017062 0.241280 0 0
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::{
    alloc::{GlobalAlloc, Layout, System},
    env,
    process::Command,
    sync::atomic::{AtomicUsize, Ordering},
    time::{Duration, Instant},
};

/// Counts live heap bytes and the high-water mark so auxiliary sort buffers
/// (swap Vecs, etc.) are measured as explicit heap growth during the sort.
struct TrackingAllocator;

static LIVE_BYTES: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);
static PEAK_BYTES: AtomicUsize = AtomicUsize::new(0);

fn record_alloc(size: usize) {
    let live = LIVE_BYTES.fetch_add(size, Ordering::Relaxed) + size;
    PEAK_BYTES.fetch_max(live, Ordering::Relaxed);
}

unsafe impl GlobalAlloc for TrackingAllocator {
    unsafe fn alloc(&self, layout: Layout) -> *mut u8 {
        let ptr = System.alloc(layout);
        if !ptr.is_null() {
            record_alloc(layout.size());
        }
        ptr
    }

    unsafe fn dealloc(&self, ptr: *mut u8, layout: Layout) {
        LIVE_BYTES.fetch_sub(layout.size(), Ordering::Relaxed);
        System.dealloc(ptr, layout);
    }

    unsafe fn alloc_zeroed(&self, layout: Layout) -> *mut u8 {
        let ptr = System.alloc_zeroed(layout);
        if !ptr.is_null() {
            record_alloc(layout.size());
        }
        ptr
    }

    unsafe fn realloc(&self, ptr: *mut u8, layout: Layout, new_size: usize) -> *mut u8 {
        let new_ptr = System.realloc(ptr, layout, new_size);
        if !new_ptr.is_null() {
            LIVE_BYTES.fetch_sub(layout.size(), Ordering::Relaxed);
            record_alloc(new_size);
        }
        new_ptr
    }
}

#[global_allocator]
static GLOBAL: TrackingAllocator = TrackingAllocator;
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 binary_quick_sort_bit(a: &mut [usize], bit: i32) {
    const THRESHOLD: usize = 16;

    if a.len() <= 1 || bit < 0 {
        return;
    }
    if a.len() <= THRESHOLD {
        insertion_sort(a);
        return;
    }

    let mut i = 0usize;
    let mut j = a.len();
    while i < j {
        while i < j && ((a[i] >> bit) & 1) == 0 {
            i += 1;
        }
        while i < j && ((a[j - 1] >> bit) & 1) == 1 {
            j -= 1;
        }
        if i < j {
            a.swap(i, j - 1);
            i += 1;
            j -= 1;
        }
    }

    let mid = i;
    binary_quick_sort_bit(&mut a[..mid], bit - 1);
    binary_quick_sort_bit(&mut a[mid..], bit - 1);
}

fn binary_quick_sort(a: &mut [usize]) {
    if a.len() <= 1 {
        return;
    }
    let max = *a.iter().max().unwrap();
    let bit = if max == 0 {
        0
    } else {
        (usize::BITS - 1 - max.leading_zeros()) as i32
    };
    binary_quick_sort_bit(a, bit);
}


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

    binary_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],
    );
    // Seed 0 is a fixed point of the xorshift below, so it would degenerate into
    // yet another all-equal case instead of a 4-value mix. Start at 1.
    for seed in 1..=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 micros(d: Duration) -> u128 {
    d.as_micros()
}

fn input_array(size: usize, seed: u64) -> Vec<usize> {
    shuffled(size, seed)
}

/// Peak heap growth during `benchmark_sort`, in KiB (explicit buffers such as swap).
fn run_once(size: usize, seed: usize) -> (u128, usize) {
    let mut array = input_array(size, seed as u64);

    let base_bytes = LIVE_BYTES.load(Ordering::Relaxed);
    PEAK_BYTES.store(base_bytes, Ordering::Relaxed);

    let start = Instant::now();

    benchmark_sort(&mut array);

    let elapsed = start.elapsed();
    let peak_bytes = PEAK_BYTES.load(Ordering::Relaxed);
    let aux_kb = peak_bytes.saturating_sub(base_bytes) / 1024;

    let expected: Vec<usize> = (1..=size).collect();
    if array != expected {
        panic!(
            "sort failed with seed {} for size {}",
            seed,
            size
        );
    }

    (micros(elapsed), aux_kb)
}

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 == "--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 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 aux_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;
            }

            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