ホーア分割型クイックソートを使用する

ホーア分割型クイックソート (quick sort with Hoare partition) は、ピボットを 1 つ選び、両端から内側へ向かう 2 本のポインタで「逆転している組」を見つけて交換し、交差した位置で部分配列を二分する。

分割(partition)にホーアの方式を使う点が特徴である。ロムート分割型クイックソートが片方向走査と境界インデックスでピボットの最終位置を返すのに対し、ホーア分割は左右からの詰め合いで交換回数を抑えやすく、返り値は「左側の末尾」でありピボット要素そのものの最終添字とは限らない。

  1. ピボットの選択: 部分配列の中央(など)の要素値をピボットとする。要素を端へ移す必要はない。
  2. ホーア分割: i を左端の手前、j を右端の向こうから始め、A[i] < pivot のあいだ i を進め、A[j] > pivot のあいだ j を戻す。i < j なら A[i]A[j] を交換して続け、i ≥ j なら j を分割位置として返す。
  3. 再帰: lo … jj + 1 … hi に同じ処理を繰り返す(ピボット添字を除外するロムート型とは区間の切り方が異なる)。
procedure hoare_quick_sort(A, lo, hi)
  if lo >= hi then
    return
  p = hoare_partition(A, lo, hi)
  hoare_quick_sort(A, lo, p)
  hoare_quick_sort(A, p + 1, hi)

procedure hoare_partition(A, lo, hi)
  pivot = A[lo + floor((hi - lo) / 2)]
  i = lo - 1
  j = hi + 1
  loop
    do
      i = i + 1
    while A[i] < pivot
    do
      j = j - 1
    while A[j] > pivot
    if i >= j then
      return j
    swap(A[i], A[j])

等値は < / > のどちら側にも残りうる。分割後にピボットが j に固定される保証はないため、再帰は pp + 1 で切る(p - 1p + 1 ではない)。

ロムート分割より平均の交換は少なくなりやすい一方、境界条件と再帰区間の取り扱いに注意が要る。末尾固定ピボットのロムートと同様、ピボット選びが偏ると最悪計算量は O(n²) になり得る。

平均計算量は O(n log n) で、一般に不安定である。

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片方向走査でピボットを最終位置に置き、p - 1 / p + 1 で再帰する。 ホーア分割は両端からの交換が中心で、返り値 j を境に j / j + 1 で切る。

三分割クイックソートは等値帯をその場で確定する。デュアルピボットクイックソートはピボットを 2 つ使い 3 区間に分ける。

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 0.000066 0 0
1024 0.000036 0.000259 0 0
2048 0.000075 0.000152 0 0
4096 0.000170 0.001208 0 0
8192 0.000354 0.000611 0 0
16384 0.000747 0.001309 0 0
32768 0.001605 0.002451 0 0
65536 0.003462 0.011929 0 0
131072 0.007363 0.015832 0 0
262144 0.015174 0.026003 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 quick_hoare_partition(a: &mut [usize], lo: usize, hi: usize) -> usize {
    let pivot = a[lo + (hi - lo) / 2];
    let mut i = lo as isize - 1;
    let mut j = hi as isize + 1;
    loop {
        loop {
            i += 1;
            if a[i as usize] >= pivot {
                break;
            }
        }
        loop {
            j -= 1;
            if a[j as usize] <= pivot {
                break;
            }
        }
        if i >= j {
            return j as usize;
        }
        a.swap(i as usize, j as usize);
    }
}

fn quick_hoare_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 p = quick_hoare_partition(a, lo, hi);
    quick_hoare_sort_range(a, lo, p);
    quick_hoare_sort_range(a, p + 1, hi);
}

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


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

    quick_hoare_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