排序10个数字的最快方法?(数字为32位)

我正在解决一个问题，它涉及到快速排序10个数字(int32)。我的应用程序需要以尽可能快的速度对10个数字进行百万次排序。我正在对一个包含数十亿个元素的数据集进行采样，每次我都需要从中挑选10个数字(简化)并对它们进行排序(并从排序的10个元素列表中得出结论)。

目前我正在使用插入排序，但我想我可以为我的10个数字的特定问题实现一个非常快速的自定义排序算法，这将击败插入排序。

我该如何处理这个问题呢?

当前回答

我最近写了一个小类，它使用Bose-Nelson算法在编译时生成排序网络。

它可以用来为10个数字创建一个非常快速的排序。

/**
 * A Functor class to create a sort for fixed sized arrays/containers with a
 * compile time generated Bose-Nelson sorting network.
 * \tparam NumElements  The number of elements in the array or container to sort.
 * \tparam T            The element type.
 * \tparam Compare      A comparator functor class that returns true if lhs < rhs.
 */
template <unsigned NumElements, class Compare = void> class StaticSort
{
    template <class A, class C> struct Swap
    {
        template <class T> inline void s(T &v0, T &v1)
        {
            T t = Compare()(v0, v1) ? v0 : v1; // Min
            v1 = Compare()(v0, v1) ? v1 : v0; // Max
            v0 = t;
        }

        inline Swap(A &a, const int &i0, const int &i1) { s(a[i0], a[i1]); }
    };

    template <class A> struct Swap <A, void>
    {
        template <class T> inline void s(T &v0, T &v1)
        {
            // Explicitly code out the Min and Max to nudge the compiler
            // to generate branchless code.
            T t = v0 < v1 ? v0 : v1; // Min
            v1 = v0 < v1 ? v1 : v0; // Max
            v0 = t;
        }

        inline Swap(A &a, const int &i0, const int &i1) { s(a[i0], a[i1]); }
    };

    template <class A, class C, int I, int J, int X, int Y> struct PB
    {
        inline PB(A &a)
        {
            enum { L = X >> 1, M = (X & 1 ? Y : Y + 1) >> 1, IAddL = I + L, XSubL = X - L };
            PB<A, C, I, J, L, M> p0(a);
            PB<A, C, IAddL, J + M, XSubL, Y - M> p1(a);
            PB<A, C, IAddL, J, XSubL, M> p2(a);
        }
    };

    template <class A, class C, int I, int J> struct PB <A, C, I, J, 1, 1>
    {
        inline PB(A &a) { Swap<A, C> s(a, I - 1, J - 1); }
    };

    template <class A, class C, int I, int J> struct PB <A, C, I, J, 1, 2>
    {
        inline PB(A &a) { Swap<A, C> s0(a, I - 1, J); Swap<A, C> s1(a, I - 1, J - 1); }
    };

    template <class A, class C, int I, int J> struct PB <A, C, I, J, 2, 1>
    {
        inline PB(A &a) { Swap<A, C> s0(a, I - 1, J - 1); Swap<A, C> s1(a, I, J - 1); }
    };

    template <class A, class C, int I, int M, bool Stop = false> struct PS
    {
        inline PS(A &a)
        {
            enum { L = M >> 1, IAddL = I + L, MSubL = M - L};
            PS<A, C, I, L, (L <= 1)> ps0(a);
            PS<A, C, IAddL, MSubL, (MSubL <= 1)> ps1(a);
            PB<A, C, I, IAddL, L, MSubL> pb(a);
        }
    };

    template <class A, class C, int I, int M> struct PS <A, C, I, M, true>
    {
        inline PS(A &a) {}
    };

public:
    /**
     * Sorts the array/container arr.
     * \param  arr  The array/container to be sorted.
     */
    template <class Container> inline void operator() (Container &arr) const
    {
        PS<Container, Compare, 1, NumElements, (NumElements <= 1)> ps(arr);
    };

    /**
     * Sorts the array arr.
     * \param  arr  The array to be sorted.
     */
    template <class T> inline void operator() (T *arr) const
    {
        PS<T*, Compare, 1, NumElements, (NumElements <= 1)> ps(arr);
    };
};

#include <iostream>
#include <vector>

int main(int argc, const char * argv[])
{
    enum { NumValues = 10 };

    // Arrays
    {
        int rands[NumValues];
        for (int i = 0; i < NumValues; ++i) rands[i] = rand() % 100;
        std::cout << "Before Sort: \t";
        for (int i = 0; i < NumValues; ++i) std::cout << rands[i] << " ";
        std::cout << "\n";
        StaticSort<NumValues> staticSort;
        staticSort(rands);
        std::cout << "After Sort: \t";
        for (int i = 0; i < NumValues; ++i) std::cout << rands[i] << " ";
        std::cout << "\n";
    }

    std::cout << "\n";

    // STL Vector
    {
        std::vector<int> rands(NumValues);
        for (int i = 0; i < NumValues; ++i) rands[i] = rand() % 100;
        std::cout << "Before Sort: \t";
        for (int i = 0; i < NumValues; ++i) std::cout << rands[i] << " ";
        std::cout << "\n";
        StaticSort<NumValues> staticSort;
        staticSort(rands);
        std::cout << "After Sort: \t";
        for (int i = 0; i < NumValues; ++i) std::cout << rands[i] << " ";
        std::cout << "\n";
    }

    return 0;
}

注意，我们没有使用if (compare)交换语句，而是显式地为min和max编写了三元运算符。这有助于推动编译器使用无分支代码。

# #基准

下面的基准测试是用clang -O3编译的，并在我2012年年中的MacBook Air上运行。

###排序随机数据

将它与DarioP的代码进行比较，下面是排序100万个大小为10的32位整型数组所需的毫秒数:

硬编码排序网络10:88.774毫秒模板化玻色-纳尔逊排序10:27.815毫秒

使用这种模板化方法，我们还可以在编译时为其他数量的元素生成排序网络。

排序100万个不同大小的数组的时间(以毫秒为单位)。

大小为2、4、8的数组的毫秒数分别为1.943、8.655、20.246。

感谢格伦·泰特鲍姆的展开插入排序。

下面是6个元素的小数组每次排序的平均时钟。基准测试代码和示例可以在以下问题中找到:

最快的固定长度6 int数组排序

Direct call to qsort library function       : 326.81
Naive implementation (insertion sort)       : 132.98
Insertion Sort (Daniel Stutzbach)           : 104.04
Insertion Sort Unrolled                     : 99.64
Insertion Sort Unrolled (Glenn Teitelbaum)  : 81.55
Rank Order                                  : 44.01
Rank Order with registers                   : 42.40
Sorting Networks (Daniel Stutzbach)         : 88.06
Sorting Networks (Paul R)                   : 31.64
Sorting Networks 12 with Fast Swap          : 29.68
Sorting Networks 12 reordered Swap          : 28.61
Reordered Sorting Network w/ fast swap      : 24.63
Templated Sorting Network (this class)      : 25.37

对于6个元素，它的执行速度和问题中最快的例子一样快。

###排序数据的性能

通常，输入数组可能已经排序或基本排序。在这种情况下，插入排序可能是更好的选择。

您可能希望根据数据选择合适的排序算法。

用于基准测试的代码可以在这里找到。

2016-03-24 20:19:15

其他回答

以下是运行在10个CUDA线程上的CUDA内核(秩排序算法)，在42毫秒内对1000个数组排序1000次，每次排序42纳秒或每次排序~70个周期(1.7 GHz):

inline
__device__ int findOrder(const int mask, const int data0)
{
    const int order1 = data0>__shfl_sync(mask,data0,0);
    const int order2 = data0>__shfl_sync(mask,data0,1);
    const int order3 = data0>__shfl_sync(mask,data0,2);
    const int order4 = data0>__shfl_sync(mask,data0,3);
    const int order5 = data0>__shfl_sync(mask,data0,4);
    const int order6 = data0>__shfl_sync(mask,data0,5);
    const int order7 = data0>__shfl_sync(mask,data0,6);
    const int order8 = data0>__shfl_sync(mask,data0,7);
    const int order9 = data0>__shfl_sync(mask,data0,8);
    const int order10 = data0>__shfl_sync(mask,data0,9);
    return order1 + order2 + order3 + order4 + order5 + order6 + order7 + order8 + order9 + order10;
}

// launch this with 10 CUDA threads in 1 block in 1 grid
// sorts 10 elements using only SIMT registers
__global__ void rankSort(int * __restrict__ buffer)
{    
    const int id  = threadIdx.x;

    // enable first 10 lanes of warp for shuffling 
    const int mask = __activemask();

    __shared__ int data[10000];

    for(int i=0;i<1000;i++)
    {
        data[id+i*10] = buffer[id+i*10];
    }
    __syncwarp();
    // benchmark 1000 times
    for(int k=0;k<1000;k++)
    {

        // sort 1000 arrays
        for(int j=0;j<1000;j+=5)
        {
            // sort 5 arrays at once to hide latency
            const int data1 = data[id+j*10];
            const int data2 = data[id+(j+1)*10];
            const int data3 = data[id+(j+2)*10];
            const int data4 = data[id+(j+3)*10];
            const int data5 = data[id+(j+4)*10];

            const int order1 = findOrder(mask,data1);        
            const int order2 = findOrder(mask,data2);
            const int order3 = findOrder(mask,data3);
            const int order4 = findOrder(mask,data4);
            const int order5 = findOrder(mask,data5);

            data[order1+j*10]=data1;         
            data[order2+(j+1)*10]=data2;           
            data[order3+(j+2)*10]=data3;
            data[order4+(j+3)*10]=data4;
            data[order5+(j+4)*10]=data5;
        }

    }
    __syncwarp();
    for(int i=0;i<1000;i++)
    {
        buffer[id+i*10] = data[id+i*10];
    }
}

由于所有10个线程都在同一个SIMT单元上处理，它类似于运行在矢量寄存器上的AVX512优化版本，但除了更多的寄存器空间以隐藏更多的延迟之外。此外，SIMT单元是32宽的，因此它可以运行线性时间复杂度直到32个元素。

该算法假设元素是唯一的。对于重复的数据，需要一个额外的缩减步骤来将重复的顺序值解压缩为10个元素。首先，它计算每个元素的秩，然后直接将它们复制到数组中作为索引的秩。顺序值需要蛮力(O(N x N))次比较，为了减少延迟，使用warp-shuffles从(向量寄存器的)不同的warp-lanes收集数据。

2023-01-22 18:47:27

(根据@HelloWorld的建议，研究排序网络。)

似乎29个比较/交换网络是进行10个输入排序的最快方法。在这个例子中，我使用了Waksman在1969年发现的JavaScript网络，它应该直接转换成C语言，因为它只是一个if语句、比较和交换的列表。

这里是网络的图形表示，分为独立的阶段。

为了利用并行处理的优势，可以将5-4-3-3 - 4-4-2 -3-2分组改为4-4-4-2 -4-4-3-2分组。

2015-08-24 01:05:16

插入排序平均需要29,6次与排序10个输入的比较，最佳情况为9，最差情况为45(给定输入的顺序是相反的)。

{9,6,1} shellsort平均需要25.5次比较来排序10个输入。最好的情况是14次比较，最坏的情况是34次，对反向输入排序需要22次。

因此，使用shellsort而不是插入排序可以减少14%的平均情况。尽管最佳情况增加了56%，但最坏情况减少了24%，这对于控制最坏情况性能非常重要的应用程序来说意义重大。反之则减少51%。

因为你似乎对插入排序很熟悉，你可以将算法实现为{9,6}的排序网络，然后在那之后附加插入排序({1}):

i[0] with i[9]    // {9}

i[0] with i[6]    // {6}
i[1] with i[7]    // {6}
i[2] with i[8]    // {6}
i[3] with i[9]    // {6}

i[0 ... 9]        // insertion sort

2016-06-21 16:38:40