840e2bbfbd31cf9e5cc70420d6e69f1d578d9729
[pspp-builds.git] / src / math / categoricals.c
1 /* PSPP - a program for statistical analysis.
2    Copyright (C) 2009, 2010, 2011 Free Software Foundation, Inc.
3
4    This program is free software: you can redistribute it and/or modify
5    it under the terms of the GNU General Public License as published by
6    the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
7    (at your option) any later version.
8
9    This program is distributed in the hope that it will be useful,
10    but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
11    MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
12    GNU General Public License for more details.
13
14    You should have received a copy of the GNU General Public License
15    along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>. */
16
17 #include <config.h>
18
19 #include "math/categoricals.h"
20 #include "math/interaction.h"
21
22 #include <stdio.h>
23
24 #include "data/case.h"
25 #include "data/value.h"
26 #include "data/variable.h"
27 #include "libpspp/array.h"
28 #include "libpspp/hmap.h"
29 #include "libpspp/pool.h"
30 #include "libpspp/str.h"
31 #include "libpspp/hash-functions.h"
32
33 #include "gl/xalloc.h"
34
35 struct value_node
36 {
37   struct hmap_node node;      /* Node in hash map. */
38
39   union value val;            /* The value */
40
41   int index;                  /* A zero based unique index for this value */
42 };
43
44 struct interaction_value
45 {
46   struct hmap_node node;        /* Node in hash map. */
47
48   struct ccase *ccase;          /* A case (probably the first in the dataset) which matches this value */
49
50   /* Total of the weights of cases matching this interaction */
51   double cc; 
52
53   void *user_data;            /* A pointer to data which the caller can store stuff */
54 };
55
56 static struct value_node *
57 lookup_value (const struct hmap *map, const union value *val, unsigned int hash, int width)
58 {
59   struct value_node *vn = NULL;
60   HMAP_FOR_EACH_WITH_HASH (vn, struct value_node, node, hash, map)
61     {
62       if (value_equal (&vn->val, val, width))
63         break;
64     }
65   
66   return vn;
67 }
68
69 struct variable_node
70 {
71   struct hmap_node node;      /* Node in hash map. */
72   const struct variable *var; /* The variable */
73
74   struct hmap valmap;         /* A map of value nodes */
75   int n_vals;                 /* Number of values for this variable */
76 };
77
78 #if 0
79 static void
80 dump_interaction (const struct interaction *iact)
81 {
82   struct string str = DS_EMPTY_INITIALIZER;
83   interaction_to_string (iact, &str);
84   printf ("Interaction: %s\n", ds_cstr (&str));
85   ds_destroy (&str);
86 }
87 #endif
88
89
90 static struct variable_node *
91 lookup_variable (const struct hmap *map, const struct variable *var, unsigned int hash)
92 {
93   struct variable_node *vn = NULL;
94   HMAP_FOR_EACH_WITH_HASH (vn, struct variable_node, node, hash, map)
95     {
96       if (vn->var == var)
97         break;
98       
99       fprintf (stderr, "Warning: Hash table collision\n");
100     }
101   
102   return vn;
103 }
104
105
106 struct interact_params
107 {
108   /* A map indexed by a interaction_value */
109   struct hmap ivmap;
110
111   const struct interaction *iact;
112
113   int base_subscript_short;
114   int base_subscript_long;
115
116   /* The number of distinct values of this interaction */
117   int n_cats;
118
119   /* The degrees of freedom for this interaction */
120   int *df; 
121
122   /* A map of interaction_values indexed by subscript */
123   struct interaction_value **reverse_interaction_value_map;
124
125   double cc;
126 };
127
128
129 /* Comparison function to sort the reverse_value_map in ascending order */
130 static int
131 compare_interaction_value_3way (const void *vn1_, const void *vn2_, const void *aux)
132 {
133   const struct interaction_value *const *vn1p = vn1_;
134   const struct interaction_value *const *vn2p = vn2_;
135
136   const struct interact_params *iap = aux;
137
138   return interaction_case_cmp_3way (iap->iact, (*vn1p)->ccase, (*vn2p)->ccase);
139 }
140
141 struct categoricals
142 {
143   /* The weight variable */
144   const struct variable *wv;
145
146   /* An array of interact_params */
147   struct interact_params *iap;
148
149   /* Map whose members are the union of the variables which comprise IAP */
150   struct hmap varmap;
151
152   /* The size of IAP. (ie, the number of interactions involved.) */
153   size_t n_iap;
154
155   /* The number of categorical variables which contain entries.
156      In the absence of missing values, this will be equal to N_IAP */
157   size_t n_vars;
158
159   size_t df_sum;
160
161   /* A map to enable the lookup of variables indexed by subscript.
162      This map considers only the N - 1 of the N variables.
163    */
164   int *reverse_variable_map_short;
165
166   /* Like the above, but uses all N variables */
167   int *reverse_variable_map_long;
168
169   size_t n_cats_total;
170
171   struct pool *pool;
172
173   /* Missing values to be excluded */
174   enum mv_class exclude;
175
176   /* Function to be called on each update */
177   update_func *update;
178
179   /* Function specified by the caller to create user_data */
180   user_data_create_func *user_data_create;
181
182   /* Auxilliary data to be passed to update and user_data_create_func*/
183   void *aux1;
184   void *aux2;
185 };
186
187 #if 0
188 static void
189 categoricals_dump (const struct categoricals *cat)
190 {
191   int i;
192
193   printf ("Reverse Variable Map (short):\n");
194   for (i = 0; i < cat->df_sum; ++i)
195     {
196       printf (" %d", cat->reverse_variable_map_short[i]);
197     }
198   printf ("\n");
199
200   printf ("Reverse Variable Map (long):\n");
201   for (i = 0; i < cat->n_cats_total; ++i)
202     {
203       printf (" %d", cat->reverse_variable_map_long[i]);
204     }
205   printf ("\n");
206
207
208   printf ("Number of interactions %d\n", cat->n_iap);
209   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
210     {
211       int v;
212       struct string str;
213       const struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
214       const struct interaction *iact = iap->iact;
215
216       ds_init_empty (&str);
217       interaction_to_string (iact, &str);
218
219       printf ("\nInteraction: %s (n: %d; df: %d ); ", ds_cstr (&str), iap->n_cats, iap->df);
220       ds_destroy (&str);
221       printf ("Base subscript: %d\n", iap->base_subscript_short);
222
223       printf ("\t(");
224       for (v = 0; v < hmap_count (&iap->ivmap); ++v)
225         {
226           int vv;
227           const struct interaction_value *iv = iap->reverse_interaction_value_map[v];
228           
229           if (v > 0)  printf ("   ");
230           printf ("{");
231           for (vv = 0; vv < iact->n_vars; ++vv)
232             {
233               const struct variable *var = iact->vars[vv];
234               const union value *val = case_data (iv->ccase, var);
235               
236               printf ("%g", val->f);
237               if (vv < iact->n_vars - 1)
238                 printf (", ");
239             }
240           printf ("}");
241         }
242       printf (")\n");
243     }
244 }
245 #endif
246
247 void
248 categoricals_destroy (struct categoricals *cat)
249 {
250   struct variable_node *vn = NULL;
251   int i;
252   if (NULL == cat)
253     return;
254   for (i = 0; i < cat->n_iap; ++i)
255     {
256       struct interaction_value *iv = NULL;
257       /* Interate over each interaction value, and unref any cases that we reffed */
258       HMAP_FOR_EACH (iv, struct interaction_value, node, &cat->iap[i].ivmap)
259         {
260           case_unref (iv->ccase);
261         }
262       hmap_destroy (&cat->iap[i].ivmap);
263     }
264
265   /* Interate over each variable and delete its value map */
266   HMAP_FOR_EACH (vn, struct variable_node, node, &cat->varmap)
267     {
268       hmap_destroy (&vn->valmap);
269     }
270
271   hmap_destroy (&cat->varmap);
272
273   pool_destroy (cat->pool);
274
275   free (cat);
276 }
277
278
279
280 static struct interaction_value *
281 lookup_case (const struct hmap *map, const struct interaction *iact, const struct ccase *c)
282 {
283   struct interaction_value *iv = NULL;
284   size_t hash = interaction_case_hash (iact, c, 0);
285
286   HMAP_FOR_EACH_WITH_HASH (iv, struct interaction_value, node, hash, map)
287     {
288       if (interaction_case_equal (iact, c, iv->ccase))
289         break;
290
291       fprintf (stderr, "Warning: Hash table collision\n");
292     }
293
294   return iv;
295 }
296
297
298 struct categoricals *
299 categoricals_create (struct interaction *const*inter, size_t n_inter,
300                      const struct variable *wv, enum mv_class exclude,
301                      user_data_create_func *udf,
302                      update_func *update, void *aux1, void *aux2
303                      )
304 {
305   size_t i;
306   struct categoricals *cat = xmalloc (sizeof *cat);
307   
308   cat->n_iap = n_inter;
309   cat->wv = wv;
310   cat->n_cats_total = 0;
311   cat->n_vars = 0;
312   cat->reverse_variable_map_short = NULL;
313   cat->reverse_variable_map_long = NULL;
314   cat->pool = pool_create ();
315   cat->exclude = exclude;
316   cat->update = update;
317   cat->user_data_create = udf;
318
319   cat->aux1 = aux1;
320   cat->aux2 = aux2;
321
322   cat->iap = pool_calloc (cat->pool, cat->n_iap, sizeof *cat->iap);
323
324   hmap_init (&cat->varmap);
325   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
326     {
327       int v;
328       hmap_init (&cat->iap[i].ivmap);
329       cat->iap[i].iact = inter[i];
330       cat->iap[i].cc = 0.0;
331       for (v = 0; v < inter[i]->n_vars; ++v)
332         {
333           const struct variable *var = inter[i]->vars[v];
334           unsigned int hash = hash_pointer (var, 0);
335           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash);
336           if (vn == NULL)
337             {
338               vn = pool_malloc (cat->pool, sizeof *vn);
339               vn->var = var;
340               vn->n_vals = 0;
341               hmap_init (&vn->valmap);
342
343               hmap_insert (&cat->varmap, &vn->node,  hash);
344             }
345         }
346     }
347
348   return cat;
349 }
350
351
352
353 void
354 categoricals_update (struct categoricals *cat, const struct ccase *c)
355 {
356   int i;
357   struct variable_node *vn = NULL;
358   const double weight = cat->wv ? case_data (c, cat->wv)->f : 1.0;
359
360   assert (NULL == cat->reverse_variable_map_short);
361   assert (NULL == cat->reverse_variable_map_long);
362
363   /* Interate over each variable, and add the value of that variable
364      to the appropriate map, if it's not already present. */
365   HMAP_FOR_EACH (vn, struct variable_node, node, &cat->varmap)
366     {
367       const int width = var_get_width (vn->var);
368       const union value *val = case_data (c, vn->var);
369       unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
370
371       struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
372       if (valn == NULL)
373         {
374           valn = pool_malloc (cat->pool, sizeof *valn);
375           valn->index = vn->n_vals++;
376           value_init (&valn->val, width);
377           value_copy (&valn->val, val, width);
378           hmap_insert (&vn->valmap, &valn->node, hash);
379         }
380     }     
381   
382   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
383     {
384       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
385
386       //      if ( interaction_case_is_missing (iact, c, cat->exclude))
387       //         continue;
388
389       size_t hash = interaction_case_hash (iact, c, 0);
390       struct interaction_value *node = lookup_case (&cat->iap[i].ivmap, iact, c);
391
392       if ( NULL == node)
393         {
394           node = pool_malloc (cat->pool, sizeof *node);
395
396           node->ccase = case_ref (c);
397           node->cc = weight;
398
399           hmap_insert (&cat->iap[i].ivmap, &node->node, hash);
400
401           if (cat->user_data_create)
402             node->user_data = cat->user_data_create (cat->aux1, cat->aux2);
403         }
404       else
405         {
406           node->cc += weight;
407         }
408       cat->iap[i].cc += weight;
409
410       if (cat->update)
411         cat->update (node->user_data, cat->exclude, cat->wv, NULL, c, cat->aux1, cat->aux2);
412     }
413 }
414
415 /* Return the number of categories (distinct values) for interction N */
416 size_t
417 categoricals_n_count (const struct categoricals *cat, size_t n)
418 {
419   return hmap_count (&cat->iap[n].ivmap);
420 }
421
422
423 size_t
424 categoricals_df (const struct categoricals *cat, size_t n)
425 {
426   const struct interact_params *iap = &cat->iap[n];
427   return iap->df[iap->iact->n_vars - 1];
428 }
429
430
431 /* Return the total number of categories */
432 size_t
433 categoricals_n_total (const struct categoricals *cat)
434 {
435   assert (cat->reverse_variable_map_long);
436
437   return cat->n_cats_total;
438 }
439
440 size_t
441 categoricals_df_total (const struct categoricals *cat)
442 {
443   return cat->df_sum;
444 }
445
446 /* This function must be called *before* any call to categoricals_get_*_by subscript and
447  *after* all calls to categoricals_update */
448 void
449 categoricals_done (const struct categoricals *cat_)
450 {
451   /* Implementation Note: Whilst this function is O(n) in cat->n_cats_total, in most
452      uses it will be more efficient that using a tree based structure, since it
453      is called only once, and means that subsequent lookups will be O(1).
454
455      1 call of O(n) + 10^9 calls of O(1) is better than 10^9 calls of O(log n).
456   */
457   struct categoricals *cat = CONST_CAST (struct categoricals *, cat_);
458   int v;
459   int i;
460   int idx_short = 0;
461   int idx_long = 0;
462   cat->df_sum = 0;
463   cat->n_cats_total = 0;
464
465   /* Calculate the degrees of freedom, and the number of categories */
466   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
467     {
468       int df = 1;
469       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
470
471       cat->iap[i].df = xcalloc (iact->n_vars, sizeof (int));
472
473       cat->iap[i].n_cats = 1;
474       
475       for (v = 0 ; v < iact->n_vars; ++v)
476         {
477           const struct variable *var = iact->vars[v];
478
479           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
480
481           cat->iap[i].df[v] = df * (hmap_count (&vn->valmap) - 1);
482           df = cat->iap[i].df[v];
483
484           cat->iap[i].n_cats *= hmap_count (&vn->valmap);
485         }
486
487       cat->df_sum += cat->iap[i].df [v - 1];
488       cat->n_cats_total += cat->iap[i].n_cats;
489     }
490
491
492   cat->reverse_variable_map_short = pool_calloc (cat->pool,
493                                                  cat->df_sum,
494                                                  sizeof *cat->reverse_variable_map_short);
495
496   cat->reverse_variable_map_long = pool_calloc (cat->pool,
497                                                 cat->n_cats_total,
498                                                 sizeof *cat->reverse_variable_map_long);
499
500   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
501     {
502       struct interaction_value *ivn = NULL;
503       int x = 0;
504       int ii;
505       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
506
507       iap->base_subscript_short = idx_short;
508       iap->base_subscript_long = idx_long;
509
510       iap->reverse_interaction_value_map = pool_calloc (cat->pool, iap->n_cats,
511                                                         sizeof *iap->reverse_interaction_value_map);
512
513       HMAP_FOR_EACH (ivn, struct interaction_value, node, &iap->ivmap)
514         {
515           iap->reverse_interaction_value_map[x++] = ivn;
516         }
517
518       assert (x <= iap->n_cats);
519
520       /* For some purposes (eg CONTRASTS in ONEWAY) the values need to be sorted */
521       sort (iap->reverse_interaction_value_map, x, sizeof (*iap->reverse_interaction_value_map),
522             compare_interaction_value_3way, iap);
523
524       /* Fill the remaining values with null */
525       for (ii = x ; ii < iap->n_cats; ++ii)
526         iap->reverse_interaction_value_map[ii] = NULL;
527
528       /* Populate the reverse variable maps. */
529       for (ii = 0; ii < iap->df [iap->iact->n_vars - 1]; ++ii)
530         cat->reverse_variable_map_short[idx_short++] = i;
531
532       for (ii = 0; ii < iap->n_cats; ++ii)
533         cat->reverse_variable_map_long[idx_long++] = i;
534     }
535
536   assert (cat->n_vars <= cat->n_iap);
537
538   //  categoricals_dump (cat);
539 }
540
541
542 static int
543 reverse_variable_lookup_short (const struct categoricals *cat, int subscript)
544 {
545   assert (cat->reverse_variable_map_short);
546   assert (subscript >= 0);
547   assert (subscript < cat->df_sum);
548
549   return cat->reverse_variable_map_short[subscript];
550 }
551
552 static int
553 reverse_variable_lookup_long (const struct categoricals *cat, int subscript)
554 {
555   assert (cat->reverse_variable_map_long);
556   assert (subscript >= 0);
557   assert (subscript < cat->n_cats_total);
558
559   return cat->reverse_variable_map_long[subscript];
560 }
561
562
563 /* Return the interaction corresponding to SUBSCRIPT */
564 const struct interaction *
565 categoricals_get_interaction_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
566 {
567   int index = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
568
569   return cat->iap[index].iact;
570 }
571
572 /* Return the case corresponding to SUBSCRIPT */
573 static const struct ccase *
574 categoricals_get_case_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
575 {
576   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
577   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
578   const struct interaction_value *vn = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_short];
579
580   if ( vn == NULL)
581     return NULL;
582
583   return vn->ccase;
584 }
585
586
587 double
588 categoricals_get_weight_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
589 {
590   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
591   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
592
593   return vp->cc;
594 }
595
596 double
597 categoricals_get_sum_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
598 {
599   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
600   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
601
602   const struct interaction_value *iv = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_short];
603
604   if (iv == NULL)
605     return 0;
606
607   return iv->cc;
608 }
609
610 /* Returns unity if the value in case C at SUBSCRIPT is equal to the category
611    for that subscript */
612 double
613 categoricals_get_binary_by_subscript (const struct categoricals *cat,
614                                       int subscript,
615                                       const struct ccase *c)
616 {
617   const struct interaction *iact = categoricals_get_interaction_by_subscript (cat, subscript);
618
619   const int i = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
620
621   const int base_index = cat->iap[i].base_subscript_short;
622
623   int v;
624   double result = 1.0;
625
626   for (v = 0; v < iact->n_vars; ++v)
627   {
628     const struct variable *var = iact->vars[v];
629
630     const union value *val = case_data (c, var);
631     const int width = var_get_width (var);
632     const struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
633
634     const unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
635     const struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
636
637     /* Translate the subscript into an index for the individual variable */
638     int index = (subscript - base_index) % cat->iap[i].df[v];
639     if ( v > 0)
640       index /= cat->iap[i].df[v - 1];
641
642     double bin = 1.0;
643 #if EFFECTS_CODING
644     if ( valn->index == 0)
645       bin = -1.0;
646     else 
647 #endif
648     if ( valn->index  != index )
649       bin = 0;
650     
651     result *= bin;
652   }
653
654   return result;
655 }
656
657
658 size_t
659 categoricals_get_n_variables (const struct categoricals *cat)
660 {
661   printf ("%s\n", __FUNCTION__);
662   return cat->n_vars;
663 }
664
665 /* Return a case containing the set of values corresponding to SUBSCRIPT */
666 const struct ccase *
667 categoricals_get_case_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
668 {
669   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
670   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
671   const struct interaction_value *vn = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
672
673   return vn->ccase;
674 }
675
676 void *
677 categoricals_get_user_data_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
678 {
679   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
680   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
681
682   const struct interaction_value *iv = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
683   return iv->user_data;
684 }