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 MSD(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(本サイトの記事は LSD・十進カウンティング)は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 MSD・2 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)MSD 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 0.000005 0.000058 73 80
512 0.000011 0.000087 74 80
1024 0.000025 0.001818 66 72
2048 0.000053 0.000116 58 64
4096 0.000115 0.000187 62 68
8192 0.000251 0.000453 61 68
16384 0.000542 0.000846 78 84
32768 0.001165 0.001930 78 84
65536 0.002489 0.003728 57 64
131072 0.005325 0.017339 58 64
262144 0.011352 0.022315 57 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 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],
    );
    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