ペアリングヒープソートで配列を並び替える
ペアリングヒープソートを使用する
ペアリングヒープソート (pairing heap sort) は、要素をペアリングヒープへ挿入したあと、最小値を繰り返し取り出して昇順にする整列である。
ペアリングヒープは、根が最小(または最大)となる多分岐木である。子は左子・右兄弟形式で並べ、ヒープ条件は「親のキーはどの子のキー以下」だけを課す。二項ヒープのように次数を揃えたり、フィボナッチヒープのようにランクを管理したりしない代わりに、合併(meld) と 子のペアリング で構造を保つ。
- 合併: 2 本のヒープの根を比較し、キーの大きい方を小さい方の最左の子にする。比較は 1 回で、償却的に
O(1)。 - 挿入: 単一節点のヒープを既存ヒープと合併する。
- 抽出: 根を外し、その子たちを左から 2 本ずつ合併(第 1 パス)したあと、できたヒープを右から順に合併(第 2 パス)して新しい根を得る。償却的に
O(log n)。 - 書き戻し: 取り出したキーを配列の先頭から順に書けば昇順になる。
procedure meld(H1, H2)
if H1 is empty
return H2
if H2 is empty
return H1
if H1.key <= H2.key
make H2 the leftmost child of H1
return H1
else
make H1 the leftmost child of H2
return H2
procedure two_pass_meld(children) // children は兄弟リスト
// 第1パス: 左から隣り合う 2 本を meld
pairs = empty list
while children is not empty
a = take first child
if children is empty
append a to pairs
else
b = take first child
append meld(a, b) to pairs
// 第2パス: 右から順に meld
H = empty
for p in reverse(pairs)
H = meld(p, H)
return H
procedure pairing_heap_sort(A)
H = empty pairing heap
for x in A
H = meld(H, singleton(x))
for i from 0 to length(A) - 1
A[i] = H.key
H = two_pass_meld(children of H)
償却時間計算量は挿入・合併が O(1)、最小抽出が O(log n) であり、全体では O(n log n) になる。節点用に O(n) の追加記憶域が要る(インプレースではない)。等値キーの相対順序は合併時の規約に依存し、一般に不安定である。実装が単純な一方で、ポインタ経由の多分岐木はキャッシュ効率では配列上のヒープソートに劣りやすい。
優先度付きキューとしてのペアリングヒープは、合併が 1 比較で書け、減少キーも「切り離して再合併」で扱える点が実務寄りの実装で選ばれやすい。整列用途ではその操作を「すべて挿入してからすべて取り出す」形に固定したものがペアリングヒープソートである。
類似アルゴリズムとの相違点
ヒープソートは配列上の二分ヒープをインプレースで縮める。ペアリングヒープはポインタの多分岐木で、合併と子のペアリングが中心になる。
二項ヒープソートは次数の異なる二項木を二進加算のように結合する。ペアリングヒープは次数を持たず、抽出時に子を 2 本ずつペアにして畳み込む。
弱ヒープソートは配列上の不完全木と逆ビットで比較回数を抑える。ヒープ同士の合併を第一級には扱わない。
トーナメントソートも最小を繰り返し取り出すが、固定長のトーナメント木を更新する点が異なる。
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 | 0.000018 | 0.000399 | 6 | 7 |
| 512 | 0.000039 | 0.000132 | 13 | 14 |
| 1024 | 0.000087 | 0.000370 | 27 | 28 |
| 2048 | 0.000177 | 0.000392 | 54 | 56 |
| 4096 | 0.000416 | 0.001518 | 110 | 112 |
| 8192 | 0.000897 | 0.002152 | 220 | 224 |
| 16384 | 0.002085 | 0.007597 | 442 | 448 |
| 32768 | 0.004604 | 0.012753 | 884 | 896 |
| 65536 | 0.012509 | 0.054332 | 1770 | 1792 |
| 131072 | 0.053413 | 0.492478 | 3540 | 3584 |
| 262144 | 0.065955 | 0.239336 | 7083 | 7168 |
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;
struct PairingNode {
key: usize,
child: Option<Box<PairingNode>>,
sibling: Option<Box<PairingNode>>,
}
fn meld(
a: Option<Box<PairingNode>>,
b: Option<Box<PairingNode>>,
) -> Option<Box<PairingNode>> {
match (a, b) {
(None, x) | (x, None) => x,
(Some(mut x), Some(mut y)) => {
if x.key <= y.key {
y.sibling = x.child.take();
x.child = Some(y);
Some(x)
} else {
x.sibling = y.child.take();
y.child = Some(x);
Some(y)
}
}
}
}
fn two_pass_meld(mut first: Option<Box<PairingNode>>) -> Option<Box<PairingNode>> {
let mut pairs = Vec::new();
while let Some(mut a) = first.take() {
first = a.sibling.take();
if let Some(mut b) = first.take() {
first = b.sibling.take();
pairs.push(meld(Some(a), Some(b)));
} else {
pairs.push(Some(a));
}
}
let mut result = None;
for pair in pairs.into_iter().rev() {
result = meld(pair, result);
}
result
}
fn insert_key(heap: Option<Box<PairingNode>>, key: usize) -> Option<Box<PairingNode>> {
let node = Box::new(PairingNode {
key,
child: None,
sibling: None,
});
meld(heap, Some(node))
}
fn extract_min(heap: Option<Box<PairingNode>>) -> (Option<usize>, Option<Box<PairingNode>>) {
let Some(mut root) = heap else {
return (None, None);
};
let key = root.key;
let children = root.child.take();
(Some(key), two_pass_meld(children))
}
fn pairing_heap_sort(a: &mut [usize]) {
let mut heap = None;
for &key in a.iter() {
heap = insert_key(heap, key);
}
for slot in a.iter_mut() {
let (key, next) = extract_min(heap);
heap = next;
*slot = key.expect("pairing heap exhausted early");
}
}
fn benchmark_sort(array: &mut [usize]) {
pairing_heap_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