ポストマンソートで配列を並び替える
ポストマンソートを使用する
ポストマンソート (postman's sort) は、キーを階層的な属性(文字・桁・地域コードなど)として扱い、最上位の属性から順にバケットへ配り、各バケットを次の属性で再帰的に仕分ける分布型の整列である。郵便区分機が郵便番号の上位桁/集配局/町域/配達順と段階的に手紙を振り分ける様子に例えられる。
トップダウン(最上位桁優先)の基数ソートの工学的変種とされ、要素同士を比較せずバケットへ配るため、キー幅とバケット数に依存する係数 c に対し時間は O(c · n) と説明される。
- 属性(桁)の選択: 最上位の記号から処理する。部分列が十分小さければ挿入ソートなどで終える。
- バケットへの配布: 現在位置の記号
0..σ-1ごとに補助リストへ要素を追加する(デモでは十進桁でσ = 10)。 - 再帰: 要素が 2 個以上ある各バケットについて、次の記号位置で手順 1〜2 を繰り返す。
- 連結: 記号
0, 1, …の順にバケットを並べれば、全体が昇順になる。
procedure postman_sort(A, exp)
if length(A) <= THRESHOLD then
insertion_sort(A)
return
if exp = 0 then
return
buckets = empty list of σ arrays
for each x in A
append x to buckets[digit(x, exp)]
out = empty list
for d from 0 to σ - 1
if length(buckets[d]) > 1 then
postman_sort(buckets[d], next_exp(exp))
append buckets[d] to out
A = out
整数キーを usize として整列するときは、最上位バイトから下位バイトへと記号を取り、σ = 256 として上記を適用するのが典型である(下の計測コードもこの方式)。デモは視認性のため十進の各桁を上位から同じ手順で示す。
記号幅を w、記号集合サイズを σ とすると時間はおおよそ O(w · (n + σ))、補助空間はバケット分 O(n + σ) である。配布を入力順に行い同記号の相対順を保てば安定ソートになる。
郵便の住所のように属性が階層になっているデータや、可変長キーを上位から切りたい場面向きである。固定幅整数なら アメリカ国旗ソート のようなインプレース MSD も選択肢になる。
以下のデモでは 2 桁の整数を十進の十の位・一の位の順に下のバケットへ配り、連結してから下位桁で再帰する。「シャッフル」で別の並びに差し替えられます。
類似アルゴリズムとの相違点
バケットソートは値域を一度だけ等分してから各バケットを別ソートする。
バーストソートは閾値を超えたときだけ下位桁へトライを伸ばす。
アメリカ国旗ソートは同じ MSD の多区分だが、補助リストではなくインプレースでバケット境界へ集める。
基数ソートの記事は LSD 中心で、ポストマンはトップダウン(MSD)の配布である。
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 | 0.000028 | 0.003066 | 22 | 22 |
| 512 | 0.000038 | 0.002309 | 36 | 36 |
| 1024 | 0.000054 | 0.000117 | 64 | 64 |
| 2048 | 0.000115 | 0.000258 | 120 | 120 |
| 4096 | 0.000207 | 0.000337 | 232 | 232 |
| 8192 | 0.000405 | 0.001489 | 456 | 456 |
| 16384 | 0.000761 | 0.002211 | 904 | 904 |
| 32768 | 0.001540 | 0.007308 | 1800 | 1800 |
| 65536 | 0.003467 | 0.013471 | 3592 | 3592 |
| 131072 | 0.006973 | 0.020928 | 6664 | 6664 |
| 262144 | 0.014685 | 0.068146 | 12808 | 12808 |
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 postman_sort_bytes(a: &mut [usize], byte: usize) {
const W: usize = 256;
const THRESHOLD: usize = 16;
if a.len() <= THRESHOLD {
insertion_sort(a);
return;
}
if byte >= std::mem::size_of::<usize>() {
return;
}
let shift = (std::mem::size_of::<usize>() - 1 - byte) * 8;
let mut buckets: [Vec<usize>; W] = std::array::from_fn(|_| Vec::new());
for &value in a.iter() {
let digit = ((value >> shift) & 0xFF) as usize;
buckets[digit].push(value);
}
let mut offset = 0usize;
for bucket in buckets.iter_mut() {
if bucket.len() > 1 {
postman_sort_bytes(bucket, byte + 1);
}
let len = bucket.len();
if len > 0 {
a[offset..offset + len].copy_from_slice(bucket);
offset += len;
}
}
}
fn postman_sort(a: &mut [usize]) {
if !a.is_empty() {
postman_sort_bytes(a, 0);
}
}
fn benchmark_sort(array: &mut [usize]) {
postman_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