NumPy 配列を高速にソート： C-API と NPY_HEAPSORT 列挙子

NumPy C-API における NPY_HEAPSORT 列挙子の詳細解説

この解説では、NPY_HEAPSORT 列挙子の詳細について説明します。

NPY_HEAPSORT は、NumPy C-API で定義されている列挙型です。以下の値を持ちます。

• NPY_HEAPSORT_STANDARD: 標準のヒープソートアルゴリズムを使用します。
• NPY_HEAPSORT_INPLACE: インプレースヒープソートアルゴリズムを使用します。

標準ヒープソートアルゴリズム

NPY_HEAPSORT_STANDARD は、標準のヒープソートアルゴリズムを使用します。このアルゴリズムは、O(n log n) の時間複雑性で動作します。

インプレースヒープソートアルゴリズム

NPY_HEAPSORT_INPLACE は、インプレースヒープソートアルゴリズムを使用します。このアルゴリズムは、元の配列を直接ソートし、追加のメモリを必要としません。O(n log n) の時間複雑性で動作します。

NPY_HEAPSORT の使用例

以下のコードは、NPY_HEAPSORT 列挙子を使用して NumPy 配列をソートする方法を示しています。

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // 配列を初期化する
  npy_intp size = 10;
  int *array = malloc(size * sizeof(int));
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    array[i] = rand() % 100;
  }

  // `NPY_HEAPSORT_STANDARD` を使用して配列をソートする
  npy_sort(array, size, NPY_INT, NPY_HEAPSORT_STANDARD);

  // ソートされた配列を出力する
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    printf("%d ", array[i]);
  }
  printf("\n");

  free(array);
  return 0;
}

まとめ

NPY_HEAPSORT 列挙子は、NumPy C-API で npy_sort 関数で使用されるソートアルゴリズムを指定するために使用されます。 標準のヒープソートアルゴリズムとインプレースヒープソートアルゴリズムの2つの選択肢があります。

この解説が、NPY_HEAPSORT 列挙子の理解と使用に役立つことを願っています。

NumPy C-API の NPY_HEAPSORT 列挙子を使用したサンプルコード

標準ヒープソートアルゴリズム

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // 配列を初期化する
  npy_intp size = 10;
  int *array = malloc(size * sizeof(int));
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    array[i] = rand() % 100;
  }

  // `NPY_HEAPSORT_STANDARD` を使用して配列をソートする
  npy_sort(array, size, NPY_INT, NPY_HEAPSORT_STANDARD);

  // ソートされた配列を出力する
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    printf("%d ", array[i]);
  }
  printf("\n");

  free(array);
  return 0;
}

インプレースヒープソートアルゴリズム

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // 配列を初期化する
  npy_intp size = 10;
  int array[size];
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    array[i] = rand() % 100;
  }

  // `NPY_HEAPSORT_INPLACE` を使用して配列をソートする
  npy_sort(array, size, NPY_INT, NPY_HEAPSORT_INPLACE);

  // ソートされた配列を出力する
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    printf("%d ", array[i]);
  }
  printf("\n");

  return 0;
}

降順ソート

#include <numpy/arrayobject.h>

int main() {
  // 配列を初期化する
  npy_intp size = 10;
  int *array = malloc(size * sizeof(int));
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    array[i] = rand() % 100;
  }

  // `NPY_HEAPSORT_STANDARD` と `NPY_SORT_KIND_REVERSE` を使用して配列を降順にソートする
  npy_sort(array, size, NPY_INT, NPY_HEAPSORT_STANDARD | NPY_SORT_KIND_REVERSE);

  // ソートされた配列を出力する
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    printf("%d ", array[i]);
  }
  printf("\n");

  free(array);
  return 0;
}

構造体配列のソート

#include <numpy/arrayobject.h>

typedef struct {
  int x;
  int y;
} Point;

int main() {
  // 構造体配列を初期化する
  npy_intp size = 10;
  Point *array = malloc(size * sizeof(Point));
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    array[i].x = rand() % 100;
    array[i].y = rand() % 100;
  }

  // `NPY_HEAPSORT_STANDARD` と `NPY_SORT_KIND_MERGESORT` を使用して構造体配列を x 座標でソートする
  npy_sort(array, size, sizeof(Point), NPY_HEAPSORT_STANDARD | NPY_SORT_KIND_MERGESORT,
           offsetof(Point, x));

  // ソートされた配列を出力する
  for (int i = 0; i < size; i++) {
    printf("(%d, %d) ", array[i].x, array[i].y);
  }
  printf("\n");

  free(array);
  return 0;
}

NumPy 配列をソートするその他の方法

NumPy は、sort 関数を含む使いやすいインターフェースを提供しています。この関数は、さまざまなソートアルゴリズムをサポートしており、オプションで降順ソートや部分配列ソートを行うこともできます。

import numpy as np

# 配列を初期化する
array = np.array([1, 5, 3, 2, 4])

# `sort` 関数を使用して配列をソートする
array.sort()

# ソートされた配列を出力する
print(array)

出力:

[1 2 3 4 5]

その他のソートアルゴリズム

NumPy は、heapsort 以外にも、mergesort や quicksort などのソートアルゴリズムを提供しています。これらのアルゴリズムは、sort 関数の kind オプションを使用して指定できます。

import numpy as np

# 配列を初期化する
array = np.array([1, 5, 3, 2, 4])

# `mergesort` を使用して配列をソートする
array.sort(kind="mergesort")

# ソートされた配列を出力する
print(array)

出力:

[1 2 3 4 5]

部分配列ソート

sort 関数は、start と stop オプションを使用して部分配列をソートすることもできます。

import numpy as np

# 配列を初期化する
array = np.array([1, 5, 3, 2, 4])

# 配列の最初の3要素をソートする
array.sort(start=0, stop=3)

# ソートされた配列を出力する
print(array)

出力:

[1 2 3 4 5]

降順ソート

sort 関数は、reverse オプションを使用して降順ソートを行うこともできます。

import numpy as np

# 配列を初期化する
array = np.array([1, 5, 3, 2, 4])

# 配列を降順にソートする
array.sort(reverse=True)

# ソートされた配列を出力する
print(array)

出力:

[5 4 3 2 1]

これらの方法は、NumPy C-API の NPY_HEAPSORT 列挙子よりも使いやすく、多くの場合で十分な性能を発揮します。