ランダムピボット型クイックソートを使用する

ランダムピボット型クイックソート (quick sort with random pivot) は、分割のたびに部分配列から一様に選んだ要素をピボットにし、偏った分割が続く確率を下げる。

ロムート分割型クイックソートが右端固定だと昇順・降順に近い入力で最悪計算量 O(n²) になりやすいのに対し、乱択ピボットは入力の並び方に依存しにくく、期待計算量を O(n log n) に近づけやすい。分割そのものはロムート方式を使い、違いは「どの位置をピボットにするか」にある。

  1. 乱択ピボット: 部分配列 lo … hi から添字を一様に 1 つ選び、その要素を右端へ移す。
  2. ロムート分割: 右端をピボットとして片方向走査し、「未満」と「以上」に分ける。返り値 p がピボットの最終位置になる。
  3. 再帰: lo … p - 1p + 1 … hi 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 random_pivot_quick_sort(A, lo, hi)
  if lo >= hi then
    return
  if hi - lo < INSERTION_THRESHOLD then
    insertion_sort(A, lo, hi)
    return
  r = random_integer(lo, hi)
  swap(A[r], A[hi])
  p = lomuto_partition(A, lo, hi)
  random_pivot_quick_sort(A, lo, p - 1)
  random_pivot_quick_sort(A, p + 1, hi)

procedure lomuto_partition(A, lo, hi)
  pivot = A[hi]
  i = lo
  for j from lo to hi - 1
    if A[j] < pivot then
      swap(A[i], A[j])
      i = i + 1
  swap(A[i], A[hi])
  return i

乱数は擬似乱数で足りる。最悪計算量の上界は依然として O(n²) だが、固定ピボットと比べて「いつも最悪になる入力」を攻撃者が作りにくくなる。一般に不安定である。

平均(期待)計算量は O(n log n)、追加空間は再帰スタックの O(log n) 程度を見込む。

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分割手順が同じだが、ピボットを右端固定にする。本アルゴリズムはその右端へ移す前に乱択する点が違う。

ホーア分割型クイックソートは両端ポインタの分割で、返り値の意味と再帰区間の切り方が異なる。乱択ピボットはホーア分割とも組み合わせられるが、ここではロムート分割との組み合わせを示す。

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。いずれもピボット選びの乱択とは直交する改良である。

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 0.000071 58 64
512 0.000011 0.000098 69 76
1024 0.000024 0.000102 73 80
2048 0.000051 0.000101 62 68
4096 0.000110 0.000314 61 68
8192 0.000237 0.000373 62 68
16384 0.000514 0.003550 78 84
32768 0.001103 0.001896 74 80
65536 0.002338 0.003196 66 72
131072 0.005010 0.007096 62 68
262144 0.011068 0.015481 77 84
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 partition_at(a: &mut [usize], lo: usize, hi: usize, pivot_idx: usize) -> usize {
    a.swap(pivot_idx, hi);
    let pivot = a[hi];
    let mut i = lo;
    for j in lo..hi {
        if a[j] < pivot {
            a.swap(i, j);
            i += 1;
        }
    }
    a.swap(i, hi);
    i
}



fn quick_random_pivot_next(state: &mut u64) -> u64 {
    let mut s = *state;
    s ^= s << 13;
    s ^= s >> 7;
    s ^= s << 17;
    *state = s;
    s
}

fn quick_random_pivot_sort_range(a: &mut [usize], lo: usize, hi: usize, rng: &mut u64) {
    if hi <= lo {
        return;
    }
    if hi - lo < 16 {
        insertion_sort(&mut a[lo..=hi]);
        return;
    }
    let pivot_idx = lo + (quick_random_pivot_next(rng) as usize % (hi - lo + 1));
    let p = partition_at(a, lo, hi, pivot_idx);
    if p > 0 {
        quick_random_pivot_sort_range(a, lo, p - 1, rng);
    }
    quick_random_pivot_sort_range(a, p + 1, hi, rng);
}

fn quick_random_pivot_sort(a: &mut [usize]) {
    if let Some(hi) = a.len().checked_sub(1) {
        let mut rng = 0x9e3779b97f4a7c15u64 ^ (a.len() as u64);
        quick_random_pivot_sort_range(a, 0, hi, &mut rng);
    }
}


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

    quick_random_pivot_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 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