マルチキークイックソートを使用する

マルチキークイックソート (multi-key quicksort) は、キーを文字・桁・バイトなどの記号列と見なし、現在見ている記号位置だけで三分割クイックソート と同じ 3 色分割を行い、等値帯だけ次の記号位置へ進めて再帰する整列法である。

要素全体を 1 回の比較で片付ける通常のクイックソートと違い、「いま見ている桁が小さい/等しい/大きい」だけで仕分ける。等しい側は次の桁へ進むので、共通接頭辞の長いキーでも、すでに揃った桁を何度も見なくてよい。

  1. 記号位置の選択: 最上位の記号(文字列なら先頭文字、整数なら最上位バイトや桁)から始める。部分配列が十分短ければ挿入ソートなどで終える。
  2. 3 分割: 現在位置の記号をピボットに、<=> の 3 領域へインプレース分割する。
  3. 再帰: 未満側と超過側は同じ記号位置のまま再帰する。等値帯だけ記号位置を 1 つ進めて再帰する。記号が尽きるか要素が 1 個以下なら終了する。
procedure multi_key_quick_sort(A, lo, hi, d)
  if hi <= lo then
    return
  if hi - lo < THRESHOLD then
    insertion_sort(A[lo .. hi])
    return
  if d >= key_width then
    return
  pivot = digit(A[lo], d)
  lt = lo
  i = lo + 1
  gt = hi
  while i <= gt
    t = digit(A[i], d)
    if t < pivot then
      swap(A[lt], A[i])
      lt = lt + 1
      i = i + 1
    else if t > pivot then
      swap(A[i], A[gt])
      gt = gt - 1
    else
      i = i + 1
  multi_key_quick_sort(A, lo, lt - 1, d)
  multi_key_quick_sort(A, lt, gt, d + 1)
  multi_key_quick_sort(A, gt + 1, hi, d)

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 digit(x, d) を取り、記号集合サイズ σ = 256 として上記を適用するのが典型である。

キー幅を w、平均の分岐の深さを考えると時間はおおよそ O(n · w) 程度に収まりやすく、補助配列は使わず再帰の深さ分の作業領域で済む。一般に不安定である。

記号ごとに全バケットを数える アメリカ国旗ソート より、ピボット周りの 3 分割だけで進む点が比較ベースの特徴である。

以下のデモでは視認性のため十進の各桁(σ = 10)を上位桁から同じ手順で示す。バイト列版と違いは記号の取り方だけで、3 分割と「等値帯だけ次桁へ」の流れは同じである。

類似アルゴリズムとの相違点

三分割クイックソートはキー全体を 1 回比較して等値帯を確定する。マルチキー版は記号位置ごとの比較に落とし、等値帯では次の記号へ進む。

アメリカ国旗ソートポストマンソートも最上位桁優先だが、記号値ごとのバケットを数えて配る。こちらはピボット 1 値まわりの 3 分割だけで進む。

バイナリクイックソートは 1 ビットずつの 2 分割である。マルチキー版は記号(バイトや桁)単位の 3 分割で、等値帯の扱いが明示的である。

トライソートバーストソートも桁で分岐する点は近いが、木やバケット構造を育てる。マルチキークイックソートは配列上の交換中心である。

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 0.000006 0.000049 0 0
512 0.000014 0.000059 0 0
1024 0.000030 0.000076 0 0
2048 0.000064 0.000116 0 0
4096 0.000135 0.000382 0 0
8192 0.000287 0.000487 0 0
16384 0.000616 0.000890 0 0
32768 0.001316 0.001871 0 0
65536 0.002811 0.003822 0 0
131072 0.005986 0.007770 0 0
262144 0.012567 0.044685 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 as AtomicOrdering},
    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, AtomicOrdering::Relaxed) + size;
    PEAK_BYTES.fetch_max(live, AtomicOrdering::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(), AtomicOrdering::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(), AtomicOrdering::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 multi_key_digit(value: usize, byte: usize) -> usize {
    let width = std::mem::size_of::<usize>();
    if byte >= width {
        return 0;
    }
    let shift = (width - 1 - byte) * 8;
    (value >> shift) & 0xFF
}

fn multi_key_quick_sort_range(a: &mut [usize], lo: usize, hi: usize, byte: usize) {
    const THRESHOLD: usize = 16;
    const WIDTH: usize = std::mem::size_of::<usize>();

    if hi <= lo {
        return;
    }
    if hi - lo < THRESHOLD {
        insertion_sort(&mut a[lo..=hi]);
        return;
    }
    if byte >= WIDTH {
        return;
    }

    let pivot = multi_key_digit(a[lo], byte);
    let mut lt = lo;
    let mut i = lo + 1;
    let mut gt = hi;

    while i <= gt {
        let d = multi_key_digit(a[i], byte);
        if d < pivot {
            a.swap(lt, i);
            lt += 1;
            i += 1;
        } else if d > pivot {
            a.swap(i, gt);
            gt -= 1;
        } else {
            i += 1;
        }
    }

    if lt > lo {
        multi_key_quick_sort_range(a, lo, lt - 1, byte);
    }
    if gt >= lt {
        multi_key_quick_sort_range(a, lt, gt, byte + 1);
    }
    if gt < hi {
        multi_key_quick_sort_range(a, gt + 1, hi, byte);
    }
}

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


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

    multi_key_quick_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),
        );
    }
    // Small-input cutoffs (insertion sort below 32 elements, etc.) hide duplicate-key
    // bugs in the recursive path, so repeat the duplicate cases at the smallest
    // benchmark size, which every algorithm must handle within reasonable time.
    check_correctness_case("all_equal_len256", vec![7; 256]);
    for seed in 1..=4 {
        check_correctness_case(
            &format!("few_keys_len256_seed_{seed}"),
            few_unique_values(256, 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 bytes (explicit buffers such as swap).
/// Kept in bytes so the parent can average before rounding; converting to KiB here
/// would truncate sub-KiB buffers to 0 in every run and hide them from the average.
fn run_once(size: usize, seed: usize) -> (u128, usize) {
    let mut array = input_array(size, seed as u64);

    let base_bytes = LIVE_BYTES.load(AtomicOrdering::Relaxed);
    PEAK_BYTES.store(base_bytes, AtomicOrdering::Relaxed);

    let start = Instant::now();

    benchmark_sort(&mut array);

    let elapsed = start.elapsed();
    let peak_bytes = PEAK_BYTES.load(AtomicOrdering::Relaxed);
    let aux_bytes = peak_bytes.saturating_sub(base_bytes);

    let expected: Vec<usize> = (1..=size).collect();
    if array != expected {
        panic!(
            "sort failed with seed {} for size {}",
            seed,
            size
        );
    }

    (micros(elapsed), aux_bytes)
}

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;
        // Memory is summed in bytes and converted to KiB once, after averaging.
        let avg_mem_kb = total_mem / RUNS / 1024;
        let max_mem_kb = max_mem / 1024;

        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_kb,
            max_mem_kb
        );
    }
}
RUST

RUN cargo build --release

CMD ["./target/release/rust-benchmark"]
EOF

docker build -t rust-benchmark "$WORKDIR"
docker run --rm --init rust-benchmark