We've had a mix of min, max from libpspp/misc.h and MIN, MAX from
[pspp-builds.git] / src / math / sort.c
1 /* PSPP - computes sample statistics.
2    Copyright (C) 1997-9, 2000 Free Software Foundation, Inc.
3    Written by Ben Pfaff <blp@gnu.org>.
4
5    This program is free software; you can redistribute it and/or
6    modify it under the terms of the GNU General Public License as
7    published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
8    License, or (at your option) any later version.
9
10    This program is distributed in the hope that it will be useful, but
11    WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
12    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
13    General Public License for more details.
14
15    You should have received a copy of the GNU General Public License
16    along with this program; if not, write to the Free Software
17    Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA
18    02110-1301, USA. */
19
20 #include <config.h>
21
22 #include "sort.h"
23
24 #include <errno.h>
25 #include <limits.h>
26 #include <stdbool.h>
27 #include <stdio.h>
28 #include <stdlib.h>
29
30 #include <data/case-source.h>
31 #include <data/case.h>
32 #include <data/casefile.h>
33 #include <data/fastfile.h>
34 #include <data/procedure.h>
35 #include <data/settings.h>
36 #include <data/variable.h>
37 #include <data/storage-stream.h>
38 #include <language/expressions/public.h>
39 #include <libpspp/alloc.h>
40 #include <libpspp/array.h>
41 #include <libpspp/assertion.h>
42 #include <libpspp/message.h>
43 #include <libpspp/message.h>
44 #include <libpspp/misc.h>
45 #include <libpspp/str.h>
46
47 #include "minmax.h"
48
49 #include "gettext.h"
50 #define _(msgid) gettext (msgid)
51
52 /* These should only be changed for testing purposes. */
53 int min_buffers = 64;
54 int max_buffers = INT_MAX;
55 bool allow_internal_sort = true;
56
57 static int compare_record (const struct ccase *, const struct ccase *,
58                            const struct sort_criteria *);
59 static struct casefile *do_internal_sort (struct casereader *,
60                                           const struct sort_criteria *);
61 static struct casefile *do_external_sort (struct casereader *,
62                                           const struct sort_criteria *);
63
64
65 /* Sorts the active file in-place according to CRITERIA.
66    Returns true if successful. */
67 bool
68 sort_active_file_in_place (struct dataset *ds, 
69                            const struct sort_criteria *criteria) 
70 {
71   struct casefile *in, *out;
72
73   proc_cancel_temporary_transformations (ds);
74   if (!procedure (ds, NULL, NULL))
75     return false;
76   
77   in = proc_capture_output (ds);
78   out = sort_execute (casefile_get_destructive_reader (in), criteria);
79   if (out == NULL) 
80     return false;
81
82   proc_set_source (ds, storage_source_create (out));
83   return true;
84 }
85
86 /* Data passed to sort_to_casefile_callback(). */
87 struct sort_to_casefile_cb_data 
88   {
89     const struct sort_criteria *criteria;
90     struct casefile *output;
91   };
92
93 /* Sorts casefile CF according to the criteria in CB_DATA. */
94 static bool
95 sort_to_casefile_callback (const struct casefile *cf, void *cb_data_) 
96 {
97   struct sort_to_casefile_cb_data *cb_data = cb_data_;
98   cb_data->output = sort_execute (casefile_get_reader (cf, NULL), cb_data->criteria);
99   return cb_data->output != NULL;
100 }
101
102 /* Sorts the active file to a separate casefile.  If successful,
103    returns the sorted casefile.  Returns a null pointer on
104    failure. */
105 struct casefile *
106 sort_active_file_to_casefile (struct dataset *ds, 
107                               const struct sort_criteria *criteria) 
108 {
109   struct sort_to_casefile_cb_data cb_data;
110   
111   proc_cancel_temporary_transformations (ds);
112
113   cb_data.criteria = criteria;
114   cb_data.output = NULL;
115   if (!multipass_procedure (ds, sort_to_casefile_callback, &cb_data)) 
116     {
117       casefile_destroy (cb_data.output);
118       return NULL;
119     }
120   return cb_data.output;
121 }
122
123
124 /* Reads all the cases from READER, which is destroyed.  Sorts
125    the cases according to CRITERIA.  Returns the sorted cases in
126    a newly created casefile. */
127 struct casefile *
128 sort_execute (struct casereader *reader, const struct sort_criteria *criteria)
129 {
130   struct casefile *output = do_internal_sort (reader, criteria);
131   if (output == NULL)
132     output = do_external_sort (reader, criteria);
133   casereader_destroy (reader);
134   return output;
135 }
136 \f
137 /* A case and its index. */
138 struct indexed_case 
139   {
140     struct ccase c;     /* Case. */
141     unsigned long idx;  /* Index to allow for stable sorting. */
142   };
143
144 static int compare_indexed_cases (const void *, const void *, const void *);
145
146 /* If the data is in memory, do an internal sort and return a new
147    casefile for the data.  Otherwise, return a null pointer. */
148 static struct casefile *
149 do_internal_sort (struct casereader *reader,
150                   const struct sort_criteria *criteria)
151 {
152   const struct casefile *src;
153   struct casefile *dst;
154   unsigned long case_cnt;
155
156   if (!allow_internal_sort)
157     return NULL;
158
159   src = casereader_get_casefile (reader);
160   if (casefile_get_case_cnt (src) > 1 && !casefile_in_core (src))
161     return NULL;
162       
163   case_cnt = casefile_get_case_cnt (src);
164   dst = fastfile_create (casefile_get_value_cnt (src));
165   if (case_cnt != 0) 
166     {
167       struct indexed_case *cases = nmalloc (sizeof *cases, case_cnt);
168       if (cases != NULL) 
169         {
170           unsigned long i;
171           
172           for (i = 0; i < case_cnt; i++)
173             {
174               bool ok = casereader_read_xfer (reader, &cases[i].c);
175               if (!ok)
176                 NOT_REACHED ();
177               cases[i].idx = i;
178             }
179
180           sort (cases, case_cnt, sizeof *cases, compare_indexed_cases,
181                 (void *) criteria);
182       
183           for (i = 0; i < case_cnt; i++)
184             casefile_append_xfer (dst, &cases[i].c);
185           if (casefile_error (dst))
186             NOT_REACHED ();
187
188           free (cases);
189         }
190       else 
191         {
192           /* Failure. */
193           casefile_destroy (dst);
194           dst = NULL;
195         }
196     }
197
198   return dst;
199 }
200
201 /* Compares the variables specified by CRITERIA between the cases
202    at A and B, with a "last resort" comparison for stability, and
203    returns a strcmp()-type result. */
204 static int
205 compare_indexed_cases (const void *a_, const void *b_, const void *criteria_)
206 {
207   const struct sort_criteria *criteria = criteria_;
208   const struct indexed_case *a = a_;
209   const struct indexed_case *b = b_;
210   int result = compare_record (&a->c, &b->c, criteria);
211   if (result == 0)
212     result = a->idx < b->idx ? -1 : a->idx > b->idx;
213   return result;
214 }
215 \f
216 /* External sort. */
217
218 /* Maximum order of merge (external sort only).  The maximum
219    reasonable value is about 7.  Above that, it would be a good
220    idea to use a heap in merge_once() to select the minimum. */
221 #define MAX_MERGE_ORDER 7
222
223 /* Results of an external sort. */
224 struct external_sort 
225   {
226     const struct sort_criteria *criteria; /* Sort criteria. */
227     size_t value_cnt;                 /* Size of data in `union value's. */
228     struct casefile **runs;           /* Array of initial runs. */
229     size_t run_cnt, run_cap;          /* Number of runs, allocated capacity. */
230   };
231
232 /* Prototypes for helper functions. */
233 static int write_runs (struct external_sort *, struct casereader *);
234 static struct casefile *merge (struct external_sort *);
235 static void destroy_external_sort (struct external_sort *);
236
237 /* Performs a stable external sort of the active file according
238    to the specification in SCP.  Forms initial runs using a heap
239    as a reservoir.  Merges the initial runs according to a
240    pattern that assures stability. */
241 static struct casefile *
242 do_external_sort (struct casereader *reader,
243                   const struct sort_criteria *criteria)
244 {
245   struct external_sort *xsrt;
246
247   if (!casefile_to_disk (casereader_get_casefile (reader)))
248     return NULL;
249
250   xsrt = xmalloc (sizeof *xsrt);
251   xsrt->criteria = criteria;
252   xsrt->value_cnt = casefile_get_value_cnt (casereader_get_casefile (reader));
253   xsrt->run_cap = 512;
254   xsrt->run_cnt = 0;
255   xsrt->runs = xnmalloc (xsrt->run_cap, sizeof *xsrt->runs);
256   if (write_runs (xsrt, reader))
257     {
258       struct casefile *output = merge (xsrt);
259       destroy_external_sort (xsrt);
260       return output;
261     }
262   else
263     {
264       destroy_external_sort (xsrt);
265       return NULL;
266     }
267 }
268
269 /* Destroys XSRT. */
270 static void
271 destroy_external_sort (struct external_sort *xsrt) 
272 {
273   if (xsrt != NULL) 
274     {
275       int i;
276       
277       for (i = 0; i < xsrt->run_cnt; i++)
278         casefile_destroy (xsrt->runs[i]);
279       free (xsrt->runs);
280       free (xsrt);
281     }
282 }
283 \f
284 /* Replacement selection. */
285
286 /* Pairs a record with a run number. */
287 struct record_run
288   {
289     int run;                    /* Run number of case. */
290     struct ccase record;        /* Case data. */
291     size_t idx;                 /* Case number (for stability). */
292   };
293
294 /* Represents a set of initial runs during an external sort. */
295 struct initial_run_state 
296   {
297     struct external_sort *xsrt;
298
299     /* Reservoir. */
300     struct record_run *records; /* Records arranged as a heap. */
301     size_t record_cnt;          /* Current number of records. */
302     size_t record_cap;          /* Capacity for records. */
303     
304     /* Run currently being output. */
305     int run;                    /* Run number. */
306     size_t case_cnt;            /* Number of cases so far. */
307     struct casefile *casefile;  /* Output file. */
308     struct ccase last_output;   /* Record last output. */
309
310     int okay;                   /* Zero if an error has been encountered. */
311   };
312
313 static bool destroy_initial_run_state (struct initial_run_state *);
314 static void process_case (struct initial_run_state *, 
315                           const struct ccase *, size_t);
316 static int allocate_cases (struct initial_run_state *);
317 static void output_record (struct initial_run_state *);
318 static void start_run (struct initial_run_state *);
319 static void end_run (struct initial_run_state *);
320 static int compare_record_run (const struct record_run *,
321                                const struct record_run *,
322                                const struct initial_run_state *);
323 static int compare_record_run_minheap (const void *, const void *, 
324                                        const void *);
325
326 /* Reads cases from READER and composes initial runs in XSRT. */
327 static int
328 write_runs (struct external_sort *xsrt, struct casereader *reader)
329 {
330   struct initial_run_state *irs;
331   struct ccase c;
332   size_t idx = 0;
333   int success = 0;
334
335   /* Allocate memory for cases. */
336   irs = xmalloc (sizeof *irs);
337   irs->xsrt = xsrt;
338   irs->records = NULL;
339   irs->record_cnt = irs->record_cap = 0;
340   irs->run = 0;
341   irs->case_cnt = 0;
342   irs->casefile = NULL;
343   case_nullify (&irs->last_output);
344   irs->okay = 1;
345   if (!allocate_cases (irs)) 
346     goto done;
347
348   /* Create initial runs. */
349   start_run (irs);
350   for (; irs->okay && casereader_read (reader, &c); case_destroy (&c))
351     process_case (irs, &c, idx++);
352   while (irs->okay && irs->record_cnt > 0)
353     output_record (irs);
354   end_run (irs);
355
356   success = irs->okay;
357
358  done:
359   if (!destroy_initial_run_state (irs))
360     success = false;
361
362   return success;
363 }
364
365 /* Add a single case to an initial run. */
366 static void
367 process_case (struct initial_run_state *irs, const struct ccase *c, 
368               size_t idx)
369 {
370   struct record_run *rr;
371
372   /* Compose record_run for this run and add to heap. */
373   assert (irs->record_cnt < irs->record_cap - 1);
374   rr = irs->records + irs->record_cnt++;
375   case_copy (&rr->record, 0, c, 0, irs->xsrt->value_cnt);
376   rr->run = irs->run;
377   rr->idx = idx;
378   if (!case_is_null (&irs->last_output)
379       && compare_record (c, &irs->last_output, irs->xsrt->criteria) < 0)
380     rr->run = irs->run + 1;
381   push_heap (irs->records, irs->record_cnt, sizeof *irs->records,
382              compare_record_run_minheap, irs);
383
384   /* Output a record if the reservoir is full. */
385   if (irs->record_cnt == irs->record_cap - 1 && irs->okay)
386     output_record (irs);
387 }
388
389 /* Destroys the initial run state represented by IRS.
390    Returns true if successful, false if an I/O error occurred. */
391 static bool
392 destroy_initial_run_state (struct initial_run_state *irs) 
393 {
394   int i;
395   bool ok = true;
396
397   if (irs == NULL)
398     return true;
399
400   for (i = 0; i < irs->record_cap; i++)
401     case_destroy (&irs->records[i].record);
402   free (irs->records);
403
404   if (irs->casefile != NULL)
405     ok = casefile_sleep (irs->casefile);
406
407   free (irs);
408   return ok;
409 }
410
411 /* Allocates room for lots of cases as a buffer. */
412 static int
413 allocate_cases (struct initial_run_state *irs)
414 {
415   int approx_case_cost; /* Approximate memory cost of one case in bytes. */
416   int max_cases;        /* Maximum number of cases to allocate. */
417   int i;
418
419   /* Allocate as many cases as we can within the workspace
420      limit. */
421   approx_case_cost = (sizeof *irs->records
422                       + irs->xsrt->value_cnt * sizeof (union value)
423                       + 4 * sizeof (void *));
424   max_cases = get_workspace() / approx_case_cost;
425   if (max_cases > max_buffers)
426     max_cases = max_buffers;
427   irs->records = nmalloc (sizeof *irs->records, max_cases);
428   if (irs->records != NULL)
429     for (i = 0; i < max_cases; i++)
430       if (!case_try_create (&irs->records[i].record, irs->xsrt->value_cnt))
431         {
432           max_cases = i;
433           break;
434         }
435   irs->record_cap = max_cases;
436
437   /* Fail if we didn't allocate an acceptable number of cases. */
438   if (irs->records == NULL || max_cases < min_buffers)
439     {
440       msg (SE, _("Out of memory.  Could not allocate room for minimum of %d "
441                  "cases of %d bytes each.  (PSPP workspace is currently "
442                  "restricted to a maximum of %d KB.)"),
443            min_buffers, approx_case_cost, get_workspace() / 1024);
444       return 0;
445     }
446   return 1;
447 }
448
449 /* Compares the VAR_CNT variables in VARS[] between the `value's at
450    A and B, and returns a strcmp()-type result. */
451 static int
452 compare_record (const struct ccase *a, const struct ccase *b,
453                 const struct sort_criteria *criteria)
454 {
455   int i;
456
457   assert (a != NULL);
458   assert (b != NULL);
459   
460   for (i = 0; i < criteria->crit_cnt; i++)
461     {
462       const struct sort_criterion *c = &criteria->crits[i];
463       int result;
464       
465       if (c->width == 0)
466         {
467           double af = case_num (a, c->fv);
468           double bf = case_num (b, c->fv);
469           
470           result = af < bf ? -1 : af > bf;
471         }
472       else
473         result = memcmp (case_str (a, c->fv), case_str (b, c->fv), c->width);
474
475       if (result != 0)
476         return c->dir == SRT_ASCEND ? result : -result;
477     }
478
479   return 0;
480 }
481
482 /* Compares record-run tuples A and B on run number first, then
483    on record, then on case index. */
484 static int
485 compare_record_run (const struct record_run *a,
486                     const struct record_run *b,
487                     const struct initial_run_state *irs)
488 {
489   int result = a->run < b->run ? -1 : a->run > b->run;
490   if (result == 0)
491     result = compare_record (&a->record, &b->record, irs->xsrt->criteria);
492   if (result == 0)
493     result = a->idx < b->idx ? -1 : a->idx > b->idx;
494   return result;
495 }
496
497 /* Compares record-run tuples A and B on run number first, then
498    on the current record according to SCP, but in descending
499    order. */
500 static int
501 compare_record_run_minheap (const void *a, const void *b, const void *irs) 
502 {
503   return -compare_record_run (a, b, irs);
504 }
505
506 /* Begins a new initial run, specifically its output file. */
507 static void
508 start_run (struct initial_run_state *irs)
509 {
510   irs->run++;
511   irs->case_cnt = 0;
512   irs->casefile = fastfile_create (irs->xsrt->value_cnt);
513   casefile_to_disk (irs->casefile);
514   case_nullify (&irs->last_output); 
515 }
516
517 /* Ends the current initial run.  */
518 static void
519 end_run (struct initial_run_state *irs)
520 {
521   struct external_sort *xsrt = irs->xsrt;
522
523   /* Record initial run. */
524   if (irs->casefile != NULL) 
525     {
526       casefile_sleep (irs->casefile);
527       if (xsrt->run_cnt >= xsrt->run_cap) 
528         {
529           xsrt->run_cap *= 2;
530           xsrt->runs = xnrealloc (xsrt->runs,
531                                   xsrt->run_cap, sizeof *xsrt->runs);
532         }
533       xsrt->runs[xsrt->run_cnt++] = irs->casefile;
534       if (casefile_error (irs->casefile))
535         irs->okay = false;
536       irs->casefile = NULL; 
537     }
538 }
539
540 /* Writes a record to the current initial run. */
541 static void
542 output_record (struct initial_run_state *irs)
543 {
544   struct record_run *record_run;
545   struct ccase case_tmp;
546   
547   /* Extract minimum case from heap. */
548   assert (irs->record_cnt > 0);
549   pop_heap (irs->records, irs->record_cnt--, sizeof *irs->records,
550             compare_record_run_minheap, irs);
551   record_run = irs->records + irs->record_cnt;
552
553   /* Bail if an error has occurred. */
554   if (!irs->okay)
555     return;
556
557   /* Start new run if necessary. */
558   assert (record_run->run == irs->run
559           || record_run->run == irs->run + 1);
560   if (record_run->run != irs->run)
561     {
562       end_run (irs);
563       start_run (irs);
564     }
565   assert (record_run->run == irs->run);
566   irs->case_cnt++;
567
568   /* Write to disk. */
569   if (irs->casefile != NULL)
570     casefile_append (irs->casefile, &record_run->record);
571
572   /* This record becomes last_output. */
573   irs->last_output = case_tmp = record_run->record;
574   record_run->record = irs->records[irs->record_cap - 1].record;
575   irs->records[irs->record_cap - 1].record = case_tmp;
576 }
577 \f
578 /* Merging. */
579
580 static int choose_merge (struct casefile *runs[], int run_cnt, int order);
581 static struct casefile *merge_once (struct external_sort *,
582                                     struct casefile *[], size_t);
583
584 /* Repeatedly merges run until only one is left,
585    and returns the final casefile.
586    Returns a null pointer if an I/O error occurs. */
587 static struct casefile *
588 merge (struct external_sort *xsrt)
589 {
590   while (xsrt->run_cnt > 1)
591     {
592       int order = MIN (MAX_MERGE_ORDER, xsrt->run_cnt);
593       int idx = choose_merge (xsrt->runs, xsrt->run_cnt, order);
594       xsrt->runs[idx] = merge_once (xsrt, xsrt->runs + idx, order);
595       remove_range (xsrt->runs, xsrt->run_cnt, sizeof *xsrt->runs,
596                     idx + 1, order - 1);
597       xsrt->run_cnt -= order - 1;
598
599       if (xsrt->runs[idx] == NULL)
600         return NULL;
601     }
602   assert (xsrt->run_cnt == 1);
603   xsrt->run_cnt = 0;
604   return xsrt->runs[0];
605 }
606
607 /* Chooses ORDER runs out of the RUN_CNT runs in RUNS to merge,
608    and returns the index of the first one.
609
610    For stability, we must merge only consecutive runs.  For
611    efficiency, we choose the shortest consecutive sequence of
612    runs. */
613 static int
614 choose_merge (struct casefile *runs[], int run_cnt, int order) 
615 {
616   int min_idx, min_sum;
617   int cur_idx, cur_sum;
618   int i;
619
620   /* Sum up the length of the first ORDER runs. */
621   cur_sum = 0;
622   for (i = 0; i < order; i++)
623     cur_sum += casefile_get_case_cnt (runs[i]);
624
625   /* Find the shortest group of ORDER runs,
626      using a running total for efficiency. */
627   min_idx = 0;
628   min_sum = cur_sum;
629   for (cur_idx = 1; cur_idx + order <= run_cnt; cur_idx++)
630     {
631       cur_sum -= casefile_get_case_cnt (runs[cur_idx - 1]);
632       cur_sum += casefile_get_case_cnt (runs[cur_idx + order - 1]);
633       if (cur_sum < min_sum)
634         {
635           min_sum = cur_sum;
636           min_idx = cur_idx;
637         }
638     }
639
640   return min_idx;
641 }
642
643 /* Merges the RUN_CNT initial runs specified in INPUT_FILES into a
644    new run, and returns the new run.
645    Returns a null pointer if an I/O error occurs. */
646 static struct casefile *
647 merge_once (struct external_sort *xsrt,
648             struct casefile **const input_files,
649             size_t run_cnt)
650 {
651   struct run
652     {
653       struct casefile *file;
654       struct casereader *reader;
655       struct ccase ccase;
656     }
657   *runs;
658
659   struct casefile *output = NULL;
660   int i;
661
662   /* Open input files. */
663   runs = xnmalloc (run_cnt, sizeof *runs);
664   for (i = 0; i < run_cnt; i++) 
665     {
666       struct run *r = &runs[i];
667       r->file = input_files[i];
668       r->reader = casefile_get_destructive_reader (r->file);
669       if (!casereader_read_xfer (r->reader, &r->ccase))
670         {
671           run_cnt--;
672           i--;
673         }
674     }
675
676   /* Create output file. */
677   output = fastfile_create (xsrt->value_cnt);
678   casefile_to_disk (output);
679
680   /* Merge. */
681   while (run_cnt > 0) 
682     {
683       struct run *min_run, *run;
684       
685       /* Find minimum. */
686       min_run = runs;
687       for (run = runs + 1; run < runs + run_cnt; run++)
688         if (compare_record (&run->ccase, &min_run->ccase, xsrt->criteria) < 0)
689           min_run = run;
690
691       /* Write minimum to output file. */
692       casefile_append_xfer (output, &min_run->ccase);
693
694       /* Read another case from minimum run. */
695       if (!casereader_read_xfer (min_run->reader, &min_run->ccase))
696         {
697           if (casefile_error (min_run->file) || casefile_error (output))
698             goto error;
699           casereader_destroy (min_run->reader);
700           casefile_destroy (min_run->file);
701
702           remove_element (runs, run_cnt, sizeof *runs, min_run - runs);
703           run_cnt--;
704         } 
705     }
706
707   if (!casefile_sleep (output))
708     goto error;
709   free (runs);
710
711   return output;
712
713  error:
714   for (i = 0; i < run_cnt; i++) 
715     casefile_destroy (runs[i].file);
716   casefile_destroy (output);
717   free (runs);
718   return NULL;
719 }