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 0.000008 0.000048 0 0
512 0.000018 0.000075 0 0
1024 0.000038 0.000089 0 0
2048 0.000079 0.000161 0 0
4096 0.000173 0.000279 0 0
8192 0.000371 0.000557 0 0
16384 0.000793 0.001327 0 0
32768 0.001705 0.002453 0 0
65536 0.003658 0.007289 0 0
131072 0.007686 0.010795 0 0
262144 0.016326 0.027027 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 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 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