stdlib/qsort.c

   1 /* Copyright (C) 1991 Free Software Foundation, Inc.
   2 This file is part of the GNU C Library.
   3 Written by Douglas C. Schmidt (schmidt@ics.uci.edu).
   4
   5 The GNU C Library is free software; you can redistribute it and/or modify
   6 it under the terms of the GNU General Public License as published by
   7 the Free Software Foundation; either version 1, or (at your option)
   8 any later version.
   9
  10 The GNU C Library is distributed in the hope that it will be useful,
  11 but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  12 MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  13 GNU General Public License for more details.
  14
  15 You should have received a copy of the GNU General Public License
  16 along with the GNU C Library; see the file COPYING.  If not, write to
  17 the Free Software Foundation, 675 Mass Ave, Cambridge, MA 02139, USA.  */
  18
  19 #include <ansidecl.h>
  20 #include <stdlib.h>
  21 #include <string.h>
  22
  23 /* Byte-wise swap two items of size SIZE. */
  24 #define SWAP(a, b, size)                                                      \
  25   do                                                                          \
  26     {                                                                         \
  27       register size_t __size = (size);                                        \
  28       register char *__a = (a), *__b = (b);                                   \
  29       do                                                                      \
  30         {                                                                     \
  31           char __tmp = *__a;                                                  \
  32           *__a++ = *__b;                                                      \
  33           *__b++ = __tmp;                                                     \
  34         } while (--__size > 0);                                               \
  35     } while (0)
  36
  37 /* Discontinue quicksort algorithm when partition gets below this size.
  38    This particular magic number was chosen to work best on a Sun 4/260. */
  39 #define MAX_THRESH 4
  40
  41 /* Stack node declarations used to store unfulfilled partition obligations. */
  42 typedef struct
  43   {
  44     char *lo;
  45     char *hi;
  46   } stack_node;
  47
  48 /* The next 4 #defines implement a very fast in-line stack abstraction. */
  49 #define STACK_SIZE      (8 * sizeof(unsigned long int))
  50 #define PUSH(low, high) ((void) ((top->lo = (low)), (top->hi = (high)), ++top))
  51 #define POP(low, high)  ((void) (--top, (low = top->lo), (high = top->hi)))
  52 #define STACK_NOT_EMPTY (stack < top)
  53
  54
  55 /* Order size using quicksort.  This implementation incorporates
  56    four optimizations discussed in Sedgewick:
  57
  58    1. Non-recursive, using an explicit stack of pointer that store the
  59       next array partition to sort.  To save time, this maximum amount
  60       of space required to store an array of MAX_INT is allocated on the
  61       stack.  Assuming a 32-bit integer, this needs only 32 *
  62       sizeof(stack_node) == 136 bits.  Pretty cheap, actually.
  63
  64    2. Chose the pivot element using a median-of-three decision tree.
  65       This reduces the probability of selecting a bad pivot value and
  66       eliminates certain extraneous comparisons.
  67
  68    3. Only quicksorts TOTAL_ELEMS / MAX_THRESH partitions, leaving
  69       insertion sort to order the MAX_THRESH items within each partition.
  70       This is a big win, since insertion sort is faster for small, mostly
  71       sorted array segements.
  72
  73    4. The larger of the two sub-partitions is always pushed onto the
  74       stack first, with the algorithm then concentrating on the
  75       smaller partition.  This *guarantees* no more than log (n)
  76       stack size is needed (actually O(1) in this case)!  */
  77
  78 void
  79 DEFUN(qsort, (pbase, total_elems, size, cmp),
  80       PTR CONST pbase AND size_t total_elems AND size_t size AND
  81       int EXFUN((*cmp), (CONST PTR, CONST PTR)))
  82 {
  83   register char *base_ptr = (char *) pbase;
  84
  85   /* Allocating SIZE bytes for a pivot buffer facilitates a better
  86      algorithm below since we can do comparisons directly on the pivot. */
  87   char *pivot_buffer = (char *) __alloca (size);
  88   CONST size_t max_thresh = MAX_THRESH * size;
  89
  90   if (total_elems > MAX_THRESH)
  91     {
  92       char *lo = base_ptr;
  93       char *hi = &lo[size * (total_elems - 1)];
  94       /* Largest size needed for 32-bit int!!! */
  95       stack_node stack[STACK_SIZE];
  96       stack_node *top = stack + 1;
  97
  98       while (STACK_NOT_EMPTY)
  99         {
 100           char *left_ptr;
 101           char *right_ptr;
 102
 103           char *pivot = pivot_buffer;
 104
 105           /* Select median value from among LO, MID, and HI. Rearrange
 106              LO and HI so the three values are sorted. This lowers the
 107              probability of picking a pathological pivot value and
 108              skips a comparison for both the LEFT_PTR and RIGHT_PTR. */
 109
 110           char *mid = lo + size * ((hi - lo) / size >> 1);
 111
 112           if ((*cmp)((PTR) mid, (PTR) lo) < 0)
 113             SWAP(mid, lo, size);
 114           if ((*cmp)((PTR) hi, (PTR) mid) < 0)
 115             SWAP(mid, hi, size);
 116           else
 117             goto jump_over;
 118           if ((*cmp)((PTR) mid, (PTR) lo) < 0)
 119             SWAP(mid, lo, size);
 120         jump_over:;
 121           memcpy(pivot, mid, size);
 122           pivot = pivot_buffer;
 123
 124           left_ptr  = lo + size;
 125           right_ptr = hi - size;
 126
 127           /* Here's the famous ``collapse the walls'' section of quicksort.
 128              Gotta like those tight inner loops!  They are the main reason
 129              that this algorithm runs much faster than others. */
 130           do
 131             {
 132               while ((*cmp)((PTR) left_ptr, (PTR) pivot) < 0)
 133                 left_ptr += size;
 134
 135               while ((*cmp)((PTR) pivot, (PTR) right_ptr) < 0)
 136                 right_ptr -= size;
 137
 138               if (left_ptr < right_ptr)
 139                 {
 140                   SWAP(left_ptr, right_ptr, size);
 141                   left_ptr += size;
 142                   right_ptr -= size;
 143                 }
 144               else if (left_ptr == right_ptr)
 145                 {
 146                   left_ptr += size;
 147                   right_ptr -= size;
 148                   break;
 149                 }
 150             }
 151           while (left_ptr <= right_ptr);
 152
 153           /* Set up pointers for next iteration.  First determine whether
 154              left and right partitions are below the threshold size.  If so,
 155              ignore one or both.  Otherwise, push the larger partition's
 156              bounds on the stack and continue sorting the smaller one. */
 157
 158           if ((size_t) (right_ptr - lo) <= max_thresh)
 159             {
 160               if ((size_t) (hi - left_ptr) <= max_thresh)
 161                 /* Ignore both small partitions. */
 162                 POP(lo, hi);
 163               else
 164                 /* Ignore small left partition. */
 165                 lo = left_ptr;
 166             }
 167           else if ((size_t) (hi - left_ptr) <= max_thresh)
 168             /* Ignore small right partition. */
 169             hi = right_ptr;
 170           else if ((right_ptr - lo) > (hi - left_ptr))
 171             {
 172               /* Push larger left partition indices. */
 173               PUSH(lo, right_ptr);
 174               lo = left_ptr;
 175             }
 176           else
 177             {
 178               /* Push larger right partition indices. */
 179               PUSH(left_ptr, hi);
 180               hi = right_ptr;
 181             }
 182         }
 183     }
 184
 185   /* Once the BASE_PTR array is partially sorted by quicksort the rest
 186      is completely sorted using insertion sort, since this is efficient
 187      for partitions below MAX_THRESH size. BASE_PTR points to the beginning
 188      of the array to sort, and END_PTR points at the very last element in
 189      the array (*not* one beyond it!). */
 190
 191 #define min(x, y) ((x) < (y) ? (x) : (y))
 192
 193   {
 194     char *CONST end_ptr = &base_ptr[size * (total_elems - 1)];
 195     char *tmp_ptr = base_ptr;
 196     char *thresh = min(end_ptr, base_ptr + max_thresh);
 197     register char *run_ptr;
 198
 199     /* Find smallest element in first threshold and place it at the
 200        array's beginning.  This is the smallest array element,
 201        and the operation speeds up insertion sort's inner loop. */
 202
 203     for (run_ptr = tmp_ptr + size; run_ptr <= thresh; run_ptr += size)
 204       if ((*cmp)((PTR) run_ptr, (PTR) tmp_ptr) < 0)
 205         tmp_ptr = run_ptr;
 206
 207     if (tmp_ptr != base_ptr)
 208       SWAP(tmp_ptr, base_ptr, size);
 209
 210     /* Insertion sort, running from left-hand-side up to right-hand-side.  */
 211
 212     run_ptr = base_ptr + size;
 213     while ((run_ptr += size) <= end_ptr)
 214       {
 215         tmp_ptr = run_ptr - size;
 216         while ((*cmp)((PTR) run_ptr, (PTR) tmp_ptr) < 0)
 217           tmp_ptr -= size;
 218
 219         tmp_ptr += size;
 220         if (tmp_ptr != run_ptr)
 221           {
 222             char *trav;
 223
 224             trav = run_ptr + size;
 225             while (--trav >= run_ptr)
 226               {
 227                 char c = *trav;
 228                 char *hi, *lo;
 229
 230                 for (hi = lo = trav; (lo -= size) >= tmp_ptr; hi = lo)
 231                   *hi = *lo;
 232                 *hi = c;
 233               }
 234           }
 235       }
 236   }
 237 }
 238