安定な優先順位付きキュー（stable_priority_queue）を作る

モチベ

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安定なstd::priority_queueが欲しい。

std::priority_queueは大きい値から順番に値を取り出せるデータ構造である。内部実装ではヒープを用いることが想定されている。そのため、値の挿入順序は保持されず、同値（同じ優先度）の要素のpop順は不定である。

例えば、以下のコードを考える。

#include <queue>
#include <cstdlib>
#include <iostream>

struct Entry {
  int val;
  int order;

  bool operator<(const Entry& entry) const noexcept {
    return this->val < entry.val;
  }

  void print(void) const {
    std::cout << val << " " << order << std::endl;
  }
};


int main(void) {
  std::priority_queue<Entry> queue;

  queue.push(Entry { 3, 0 });
  queue.push(Entry { 2, 1 });
  queue.push(Entry { 4, 2 });
  queue.push(Entry { 3, 3 });
  queue.push(Entry { 2, 4 });

  for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    auto top = queue.top();
    queue.pop();

    top.print();
  }

  queue.push(Entry { 4, 5 });
  queue.push(Entry { 2, 6 });
  queue.push(Entry { 3, 7 });

  while (!queue.empty()) {
    auto top = queue.top();
    queue.pop();

    top.print();
  }

  return EXIT_SUCCESS;
}

上記のコードはstd::priority_queueへ3, 2, 4, 3, 2を挿入し、3つ値を取り出した後に4, 2, 3を追加で挿入するサンプルである。安定性を分かりやすくするために、何番目に挿入した要素かをEntryのメンバへ加えている（優先度には影響しない）。

このサンプルコードを実行すると、以下のような出力が得られる。出力の1個目の値が優先度、2個目の値が何番目に挿入したかを表す数である。

$ ./priority_queue.out
4 2
3 0
3 3
4 5
3 7
2 1
2 6
2 4

最後の優先度2の出力順序が挿入順序に合っていない。挿入順序はEntry{2, 4} -> Entry{2, 6}の順だが、取り出し順序は逆になっている。

このように、std::priority_queueは同値な要素の挿入順序とは関係なく値が取り出される。

格納したい構造体に「何番目に挿入したか」のメンバを追加して、これを加味して優先度を定義すれば安定なpriority_queueを実現できる。しかし、ダサい上にカウンタのオーバーフローのことも考えなくてはいけないので面倒くさい。

// 「ダサい」実装の例
// キューに格納する要素に連番を振る
template <typename Key>
struct Elem {
  Key key;
  unsigned order;

  Elem(const Key& key)
      : key(key), order(s_order++) {}

  bool operator<(const Elem& elem) const {
    if key < elem.key {
      return true;
    }
    // orderが小さい方の優先度を大きくしたいのでoperatorの向きに注意
    return order > elem.order;
  }

private:
  static unsigned s_order = 0;
};

そこで、同値な値は到着順に値が出てくる安定なpriority_queueを自作した。作成したkomori::stable_priority_queueのコードは以下のリポジトリで確認できる。

stable_priority_queue の作り方

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以下のように、Keyの型に応じて実装の切り替えを行っている。要素がcopyableでないときはstd::multiset<Key>を、copyableのときはstd::map<Key, std::queue<Key>>を用いる¹。

  template <typename Key,
      typename Compare = std::less<Key>>
  using stable_priority_queue = typename std::conditional<
    std::is_copy_constructible<Key>::value &&
      std::is_copy_assignable<Key>::value,
    copyable_queue<Key, Compare>,                // std::map<Key, std::queue<Key>>実装
    noncopyable_queue<Key, Compare>>::type;      // std::multiset<Key>実装

mapを用いる方の実装は、要素をkeyとvalueの2箇所で保つ必要があるので、Keyがcopyableでなければ使えない。一方で、std::multisetを用いる方法はcopyableかどうかに依らず使える。そのため、copyableかどうかに関係なくstd::multisetの方の実装を用いる方法も考えられる。しかし、要素の重複個数が多くなった際にstd::map<Key, std::queue<Key>>の方が木の高さが低く抑えられ、木の更新コストが小さく済むことが実装中に判明したので、上記のデータ構造を採用している。

基本的には素直に実装するだけだが、std::multimapで降順に要素を並べるために、渡されたCompareの順序を反転させるreverse_compareを挟んでいる²。

速度比較

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std::priority_queueとkomori::stable_priority_queueの速度比較を行った。計測条件は以下の通りである³。

• Entry：72 bytes（priorityは4 bytes）
• 要素数： 100000
• 計測区間：全要素のpush+全要素のpopにかかった時間

速度比較に用いたコードは https://github.com/komori-n/stable_priority_queue のexamples以下を参照。

要素がnoncopyableの場合

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それぞれ、経過時間は以下のようになった。

komori::stable_priority_queueはstd::priority_queueの1/2倍程度の速度で動作した。std::priority_queueに安定性が加わっていることを考えると、まずまずのパフォーマンスだと考えられる。

要素がcopyableの場合

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それぞれ、経過時間は以下のようになった。

komori::stable_priority_queueはstd::priority_queueの4倍程度高速に動作している⁴。また、実装を切り替えることによりnoncopyable_queue（std::multimapを用いた実装）よりも高速に動作していることが読み取れる