RingBuffer(待ち行列)のQueueを作って100万回処理してみる




Swiftの場合、Queueを作るとしたら次のようなプログラミングが考えられます。
Queue.swift

var max:Int!
var data:[Any] = []

init(_ max:Int) {
    self.max = max
}

func enqueue(_ obj:Any) -> Bool {
    if data.count > self.max - 1 {
        return false
    }
    data.append(obj)
    return true
}

func dequeue() -> Any? {
    if data.count > 0 {
        let obj = data[0]
        data.remove(at: 0)
        return obj
    }
    return nil
}


単純なプログラムでサクッと作れました。
しかしこのようなアルゴリズムは、特にC言語の場合では問題があるようです。先頭配列を削除するというのは、配列を前方にシフトする処理を行うというこになるので、速度が遅くなってしまうのです。何か良い方法があるのではと思いQueueのプログラムを調べていくと、リングバッファーというアルゴリズムが見つかりました。




サイズの決まった配列を作り、輪のように見立てて考えます。0番から順番にデータを入れていきます。一周回ったら、また0番に戻ってデータを入れていきます。こうすることで、配列をシフトする処理の必要が無くなります。カウントの管理はheadとnumの値で管理します。enqueueしたらnumカウントを1プラスするようにし、dequeueしたら、headカウンタを1プラスします。enqueueすべきインデックスはhead+num番となります。dequeueすべきインデックスはhead番となります。

リングバッファーの説明およびプログラミングは、こちらのサイトが大変参考になりました。
http://www.cc.kyoto-su.ac.jp/~yamada/ap/queue.html


さて、このリングバッファーのQueueを、Swiftでもやってみたいと思いプログラミングしてみました。
RingQueue.swift
var head:Int = 0
var num:Int = 0
var max:Int = 0
var data:[Any]!
var debug = false

init(_ max:Int) {
    self.max = max
    self.data = Array<Any>(repeating: -1, count: max)
}

@discardableResult
func enqueue(_ obj:Any) -> Bool { // キューが一杯だったらfalseを返す
    if num < max {
        self.data[(head + num) % max] = obj
        num = num + 1
        return true
    }
    return false
}

@discardableResult
func dequeue() -> Any? {
    if num > 0 {
        let obj = data[head]
        data[head] = -1
        num = num - 1
        head = (head + 1) % max;
        return obj
    }
    return nil
}


動作確認を行うために、XCTestで次のプログラムを組んで確認してみます。
let max = 5
let loop = 3
var num = 0
func sequenceNo() -> Int {
    num = num + 1
    return num
}

func testRingQueue() {
    let q = RingQueue(max)
    
    for _ in 0..<loop {
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.dequeue()
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
    }

}


動作確認の結果です。一つ一つ丁寧に追っていくと、ちゃんとキューイングできていることがわかります。



さらに、最初に作ったQueue.swiftと、先ほどのRingQueue.swiftで速度比較実験を行ってみました。
次のようなXCTestCaseを書いて、速度を比較してみます。
let max = 1000
let loop = 100*100*100

var num = 0
func sequenceNo() -> String {
    num = num + 1
    return "hogehogehogehoge\(num)"
}

func testQueue() {
    print("[Queue.swift]\n\n\n")
    let q = Queue(max)


    for _ in 0..<loop {
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.dequeue()
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
    }

}


func testRingQueue() {
    print("[RingQueue.swift]\n\n\n")
    let q = RingQueue(max)
    
    for _ in 0..<loop {
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.dequeue()
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.dequeue()
        q.dequeue()
        q.enqueue(sequenceNo())
        q.enqueue(sequenceNo())
    }

}


QueueのMax sizeを変えて実験してみました。100万回のループ処理における速度結果を次に示します。

Queue max Queue.swift(seconds) RingQueue.swift(seconds)
10 9.954 11.201
100 12.377 10.863
1000 33.233 11.789
10000 232.331 10.712

上記データをグラフにしてみました。縦軸はQueueのMax size、横軸は100万回処理にかかった秒数を表します。


QueueのMax sizeが小さい場合は、どちらのアルゴリズムでも大した差はありません。しかし、Max sizeが大きくなるほどQueue.swiftでは顕著に速度が遅くなってしまいました。これは最初に説明した通り、C言語と同様にSwiftでもArrayをシフト処理をしているからだと思われます。
一方、RingQueue.swiftの方は、Max sizeを変えても速度変化はみられませんでした。それもそのはず、Arrayそのものは増やしたり、減らしたりせず、参照するインデックスを足したり減らしたりしているだけなので、QueueのMax sizeには依存しないのです。