7d2469a88b8519aaceb6465c4c10368f4ee7d6c7
[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 <libpspp/alloc.h>
39 #include <libpspp/array.h>
40 #include <libpspp/assertion.h>
41 #include <libpspp/message.h>
42 #include <libpspp/message.h>
43 #include <libpspp/misc.h>
44 #include <libpspp/str.h>
45
46 #include "minmax.h"
47
48 #include "gettext.h"
49 #define _(msgid) gettext (msgid)
50
51 /* These should only be changed for testing purposes. */
52 int min_buffers = 64;
53 int max_buffers = INT_MAX;
54 bool allow_internal_sort = true;
55
56 static int compare_record (const struct ccase *, const struct ccase *,
57                            const struct sort_criteria *);
58 static struct casefile *do_internal_sort (struct casereader *,
59                                           const struct sort_criteria *);
60 static struct casefile *do_external_sort (struct casereader *,
61                                           const struct sort_criteria *);
62
63
64 /* Sorts the active file in-place according to CRITERIA.
65    Returns true if successful. */
66 bool
67 sort_active_file_in_place (struct dataset *ds, 
68                            const struct sort_criteria *criteria) 
69 {
70   struct casefile *in, *out;
71
72   proc_cancel_temporary_transformations (ds);
73   if (!procedure (ds, NULL, NULL))
74     return false;
75   
76   in = proc_capture_output (ds);
77   out = sort_execute (casefile_get_destructive_reader (in), criteria);
78   if (out == NULL) 
79     return false;
80
81   proc_set_source (ds, storage_source_create (out));
82   return true;
83 }
84
85 /* Data passed to sort_to_casefile_callback(). */
86 struct sort_to_casefile_cb_data 
87   {
88     const struct sort_criteria *criteria;
89     struct casefile *output;
90   };
91
92 /* Sorts casefile CF according to the criteria in CB_DATA. */
93 static bool
94 sort_to_casefile_callback (const struct casefile *cf, void *cb_data_) 
95 {
96   struct sort_to_casefile_cb_data *cb_data = cb_data_;
97   cb_data->output = sort_execute (casefile_get_reader (cf, NULL), cb_data->criteria);
98   return cb_data->output != NULL;
99 }
100
101 /* Sorts the active file to a separate casefile.  If successful,
102    returns the sorted casefile.  Returns a null pointer on
103    failure. */
104 struct casefile *
105 sort_active_file_to_casefile (struct dataset *ds, 
106                               const struct sort_criteria *criteria) 
107 {
108   struct sort_to_casefile_cb_data cb_data;
109   
110   proc_cancel_temporary_transformations (ds);
111
112   cb_data.criteria = criteria;
113   cb_data.output = NULL;
114   if (!multipass_procedure (ds, sort_to_casefile_callback, &cb_data)) 
115     {
116       casefile_destroy (cb_data.output);
117       return NULL;
118     }
119   return cb_data.output;
120 }
121
122
123 /* Reads all the cases from READER, which is destroyed.  Sorts
124    the cases according to CRITERIA.  Returns the sorted cases in
125    a newly created casefile. */
126 struct casefile *
127 sort_execute (struct casereader *reader, const struct sort_criteria *criteria)
128 {
129   struct casefile *output = do_internal_sort (reader, criteria);
130   if (output == NULL)
131     output = do_external_sort (reader, criteria);
132   casereader_destroy (reader);
133   return output;
134 }
135 \f
136 /* A case and its index. */
137 struct indexed_case 
138   {
139     struct ccase c;     /* Case. */
140     unsigned long idx;  /* Index to allow for stable sorting. */
141   };
142
143 static int compare_indexed_cases (const void *, const void *, const void *);
144
145 /* If the data is in memory, do an internal sort and return a new
146    casefile for the data.  Otherwise, return a null pointer. */
147 static struct casefile *
148 do_internal_sort (struct casereader *reader,
149                   const struct sort_criteria *criteria)
150 {
151   const struct casefile *src;
152   struct casefile *dst;
153   unsigned long case_cnt;
154
155   if (!allow_internal_sort)
156     return NULL;
157
158   src = casereader_get_casefile (reader);
159   if (casefile_get_case_cnt (src) > 1 && !casefile_in_core (src))
160     return NULL;
161       
162   case_cnt = casefile_get_case_cnt (src);
163   dst = fastfile_create (casefile_get_value_cnt (src));
164   if (case_cnt != 0) 
165     {
166       struct indexed_case *cases = nmalloc (sizeof *cases, case_cnt);
167       if (cases != NULL) 
168         {
169           unsigned long i;
170           
171           for (i = 0; i < case_cnt; i++)
172             {
173               bool ok = casereader_read_xfer (reader, &cases[i].c);
174               if (!ok)
175                 NOT_REACHED ();
176               cases[i].idx = i;
177             }
178
179           sort (cases, case_cnt, sizeof *cases, compare_indexed_cases,
180                 (void *) criteria);
181       
182           for (i = 0; i < case_cnt; i++)
183             casefile_append_xfer (dst, &cases[i].c);
184           if (casefile_error (dst))
185             NOT_REACHED ();
186
187           free (cases);
188         }
189       else 
190         {
191           /* Failure. */
192           casefile_destroy (dst);
193           dst = NULL;
194         }
195     }
196
197   return dst;
198 }
199
200 /* Compares the variables specified by CRITERIA between the cases
201    at A and B, with a "last resort" comparison for stability, and
202    returns a strcmp()-type result. */
203 static int
204 compare_indexed_cases (const void *a_, const void *b_, const void *criteria_)
205 {
206   const struct sort_criteria *criteria = criteria_;
207   const struct indexed_case *a = a_;
208   const struct indexed_case *b = b_;
209   int result = compare_record (&a->c, &b->c, criteria);
210   if (result == 0)
211     result = a->idx < b->idx ? -1 : a->idx > b->idx;
212   return result;
213 }
214 \f
215 /* External sort. */
216
217 /* Maximum order of merge (external sort only).  The maximum
218    reasonable value is about 7.  Above that, it would be a good
219    idea to use a heap in merge_once() to select the minimum. */
220 #define MAX_MERGE_ORDER 7
221
222 /* Results of an external sort. */
223 struct external_sort 
224   {
225     const struct sort_criteria *criteria; /* Sort criteria. */
226     size_t value_cnt;                 /* Size of data in `union value's. */
227     struct casefile **runs;           /* Array of initial runs. */
228     size_t run_cnt, run_cap;          /* Number of runs, allocated capacity. */
229   };
230
231 /* Prototypes for helper functions. */
232 static int write_runs (struct external_sort *, struct casereader *);
233 static struct casefile *merge (struct external_sort *);
234 static void destroy_external_sort (struct external_sort *);
235
236 /* Performs a stable external sort of the active file according
237    to the specification in SCP.  Forms initial runs using a heap
238    as a reservoir.  Merges the initial runs according to a
239    pattern that assures stability. */
240 static struct casefile *
241 do_external_sort (struct casereader *reader,
242                   const struct sort_criteria *criteria)
243 {
244   struct external_sort *xsrt;
245
246   if (!casefile_to_disk (casereader_get_casefile (reader)))
247     return NULL;
248
249   xsrt = xmalloc (sizeof *xsrt);
250   xsrt->criteria = criteria;
251   xsrt->value_cnt = casefile_get_value_cnt (casereader_get_casefile (reader));
252   xsrt->run_cap = 512;
253   xsrt->run_cnt = 0;
254   xsrt->runs = xnmalloc (xsrt->run_cap, sizeof *xsrt->runs);
255   if (write_runs (xsrt, reader))
256     {
257       struct casefile *output = merge (xsrt);
258       destroy_external_sort (xsrt);
259       return output;
260     }
261   else
262     {
263       destroy_external_sort (xsrt);
264       return NULL;
265     }
266 }
267
268 /* Destroys XSRT. */
269 static void
270 destroy_external_sort (struct external_sort *xsrt) 
271 {
272   if (xsrt != NULL) 
273     {
274       int i;
275       
276       for (i = 0; i < xsrt->run_cnt; i++)
277         casefile_destroy (xsrt->runs[i]);
278       free (xsrt->runs);
279       free (xsrt);
280     }
281 }
282 \f
283 /* Replacement selection. */
284
285 /* Pairs a record with a run number. */
286 struct record_run
287   {
288     int run;                    /* Run number of case. */
289     struct ccase record;        /* Case data. */
290     size_t idx;                 /* Case number (for stability). */
291   };
292
293 /* Represents a set of initial runs during an external sort. */
294 struct initial_run_state 
295   {
296     struct external_sort *xsrt;
297
298     /* Reservoir. */
299     struct record_run *records; /* Records arranged as a heap. */
300     size_t record_cnt;          /* Current number of records. */
301     size_t record_cap;          /* Capacity for records. */
302     
303     /* Run currently being output. */
304     int run;                    /* Run number. */
305     size_t case_cnt;            /* Number of cases so far. */
306     struct casefile *casefile;  /* Output file. */
307     struct ccase last_output;   /* Record last output. */
308
309     int okay;                   /* Zero if an error has been encountered. */
310   };
311
312 static bool destroy_initial_run_state (struct initial_run_state *);
313 static void process_case (struct initial_run_state *, 
314                           const struct ccase *, size_t);
315 static int allocate_cases (struct initial_run_state *);
316 static void output_record (struct initial_run_state *);
317 static void start_run (struct initial_run_state *);
318 static void end_run (struct initial_run_state *);
319 static int compare_record_run (const struct record_run *,
320                                const struct record_run *,
321                                const struct initial_run_state *);
322 static int compare_record_run_minheap (const void *, const void *, 
323                                        const void *);
324
325 /* Reads cases from READER and composes initial runs in XSRT. */
326 static int
327 write_runs (struct external_sort *xsrt, struct casereader *reader)
328 {
329   struct initial_run_state *irs;
330   struct ccase c;
331   size_t idx = 0;
332   int success = 0;
333
334   /* Allocate memory for cases. */
335   irs = xmalloc (sizeof *irs);
336   irs->xsrt = xsrt;
337   irs->records = NULL;
338   irs->record_cnt = irs->record_cap = 0;
339   irs->run = 0;
340   irs->case_cnt = 0;
341   irs->casefile = NULL;
342   case_nullify (&irs->last_output);
343   irs->okay = 1;
344   if (!allocate_cases (irs)) 
345     goto done;
346
347   /* Create initial runs. */
348   start_run (irs);
349   for (; irs->okay && casereader_read (reader, &c); case_destroy (&c))
350     process_case (irs, &c, idx++);
351   while (irs->okay && irs->record_cnt > 0)
352     output_record (irs);
353   end_run (irs);
354
355   success = irs->okay;
356
357  done:
358   if (!destroy_initial_run_state (irs))
359     success = false;
360
361   return success;
362 }
363
364 /* Add a single case to an initial run. */
365 static void
366 process_case (struct initial_run_state *irs, const struct ccase *c, 
367               size_t idx)
368 {
369   struct record_run *rr;
370
371   /* Compose record_run for this run and add to heap. */
372   assert (irs->record_cnt < irs->record_cap - 1);
373   rr = irs->records + irs->record_cnt++;
374   case_copy (&rr->record, 0, c, 0, irs->xsrt->value_cnt);
375   rr->run = irs->run;
376   rr->idx = idx;
377   if (!case_is_null (&irs->last_output)
378       && compare_record (c, &irs->last_output, irs->xsrt->criteria) < 0)
379     rr->run = irs->run + 1;
380   push_heap (irs->records, irs->record_cnt, sizeof *irs->records,
381              compare_record_run_minheap, irs);
382
383   /* Output a record if the reservoir is full. */
384   if (irs->record_cnt == irs->record_cap - 1 && irs->okay)
385     output_record (irs);
386 }
387
388 /* Destroys the initial run state represented by IRS.
389    Returns true if successful, false if an I/O error occurred. */
390 static bool
391 destroy_initial_run_state (struct initial_run_state *irs) 
392 {
393   int i;
394   bool ok = true;
395
396   if (irs == NULL)
397     return true;
398
399   for (i = 0; i < irs->record_cap; i++)
400     case_destroy (&irs->records[i].record);
401   free (irs->records);
402
403   if (irs->casefile != NULL)
404     ok = casefile_sleep (irs->casefile);
405
406   free (irs);
407   return ok;
408 }
409
410 /* Allocates room for lots of cases as a buffer. */
411 static int
412 allocate_cases (struct initial_run_state *irs)
413 {
414   int approx_case_cost; /* Approximate memory cost of one case in bytes. */
415   int max_cases;        /* Maximum number of cases to allocate. */
416   int i;
417
418   /* Allocate as many cases as we can within the workspace
419      limit. */
420   approx_case_cost = (sizeof *irs->records
421                       + irs->xsrt->value_cnt * sizeof (union value)
422                       + 4 * sizeof (void *));
423   max_cases = get_workspace() / approx_case_cost;
424   if (max_cases > max_buffers)
425     max_cases = max_buffers;
426   irs->records = nmalloc (sizeof *irs->records, max_cases);
427   if (irs->records != NULL)
428     for (i = 0; i < max_cases; i++)
429       if (!case_try_create (&irs->records[i].record, irs->xsrt->value_cnt))
430         {
431           max_cases = i;
432           break;
433         }
434   irs->record_cap = max_cases;
435
436   /* Fail if we didn't allocate an acceptable number of cases. */
437   if (irs->records == NULL || max_cases < min_buffers)
438     {
439       msg (SE, _("Out of memory.  Could not allocate room for minimum of %d "
440                  "cases of %d bytes each.  (PSPP workspace is currently "
441                  "restricted to a maximum of %d KB.)"),
442            min_buffers, approx_case_cost, get_workspace() / 1024);
443       return 0;
444     }
445   return 1;
446 }
447
448 /* Compares the VAR_CNT variables in VARS[] between the `value's at
449    A and B, and returns a strcmp()-type result. */
450 static int
451 compare_record (const struct ccase *a, const struct ccase *b,
452                 const struct sort_criteria *criteria)
453 {
454   int i;
455
456   assert (a != NULL);
457   assert (b != NULL);
458   
459   for (i = 0; i < criteria->crit_cnt; i++)
460     {
461       const struct sort_criterion *c = &criteria->crits[i];
462       int result;
463       
464       if (c->width == 0)
465         {
466           double af = case_num (a, c->fv);
467           double bf = case_num (b, c->fv);
468           
469           result = af < bf ? -1 : af > bf;
470         }
471       else
472         result = memcmp (case_str (a, c->fv), case_str (b, c->fv), c->width);
473
474       if (result != 0)
475         return c->dir == SRT_ASCEND ? result : -result;
476     }
477
478   return 0;
479 }
480
481 /* Compares record-run tuples A and B on run number first, then
482    on record, then on case index. */
483 static int
484 compare_record_run (const struct record_run *a,
485                     const struct record_run *b,
486                     const struct initial_run_state *irs)
487 {
488   int result = a->run < b->run ? -1 : a->run > b->run;
489   if (result == 0)
490     result = compare_record (&a->record, &b->record, irs->xsrt->criteria);
491   if (result == 0)
492     result = a->idx < b->idx ? -1 : a->idx > b->idx;
493   return result;
494 }
495
496 /* Compares record-run tuples A and B on run number first, then
497    on the current record according to SCP, but in descending
498    order. */
499 static int
500 compare_record_run_minheap (const void *a, const void *b, const void *irs) 
501 {
502   return -compare_record_run (a, b, irs);
503 }
504
505 /* Begins a new initial run, specifically its output file. */
506 static void
507 start_run (struct initial_run_state *irs)
508 {
509   irs->run++;
510   irs->case_cnt = 0;
511   irs->casefile = fastfile_create (irs->xsrt->value_cnt);
512   casefile_to_disk (irs->casefile);
513   case_nullify (&irs->last_output); 
514 }
515
516 /* Ends the current initial run.  */
517 static void
518 end_run (struct initial_run_state *irs)
519 {
520   struct external_sort *xsrt = irs->xsrt;
521
522   /* Record initial run. */
523   if (irs->casefile != NULL) 
524     {
525       casefile_sleep (irs->casefile);
526       if (xsrt->run_cnt >= xsrt->run_cap) 
527         {
528           xsrt->run_cap *= 2;
529           xsrt->runs = xnrealloc (xsrt->runs,
530                                   xsrt->run_cap, sizeof *xsrt->runs);
531         }
532       xsrt->runs[xsrt->run_cnt++] = irs->casefile;
533       if (casefile_error (irs->casefile))
534         irs->okay = false;
535       irs->casefile = NULL; 
536     }
537 }
538
539 /* Writes a record to the current initial run. */
540 static void
541 output_record (struct initial_run_state *irs)
542 {
543   struct record_run *record_run;
544   struct ccase case_tmp;
545   
546   /* Extract minimum case from heap. */
547   assert (irs->record_cnt > 0);
548   pop_heap (irs->records, irs->record_cnt--, sizeof *irs->records,
549             compare_record_run_minheap, irs);
550   record_run = irs->records + irs->record_cnt;
551
552   /* Bail if an error has occurred. */
553   if (!irs->okay)
554     return;
555
556   /* Start new run if necessary. */
557   assert (record_run->run == irs->run
558           || record_run->run == irs->run + 1);
559   if (record_run->run != irs->run)
560     {
561       end_run (irs);
562       start_run (irs);
563     }
564   assert (record_run->run == irs->run);
565   irs->case_cnt++;
566
567   /* Write to disk. */
568   if (irs->casefile != NULL)
569     casefile_append (irs->casefile, &record_run->record);
570
571   /* This record becomes last_output. */
572   irs->last_output = case_tmp = record_run->record;
573   record_run->record = irs->records[irs->record_cap - 1].record;
574   irs->records[irs->record_cap - 1].record = case_tmp;
575 }
576 \f
577 /* Merging. */
578
579 static int choose_merge (struct casefile *runs[], int run_cnt, int order);
580 static struct casefile *merge_once (struct external_sort *,
581                                     struct casefile *[], size_t);
582
583 /* Repeatedly merges run until only one is left,
584    and returns the final casefile.
585    Returns a null pointer if an I/O error occurs. */
586 static struct casefile *
587 merge (struct external_sort *xsrt)
588 {
589   while (xsrt->run_cnt > 1)
590     {
591       int order = MIN (MAX_MERGE_ORDER, xsrt->run_cnt);
592       int idx = choose_merge (xsrt->runs, xsrt->run_cnt, order);
593       xsrt->runs[idx] = merge_once (xsrt, xsrt->runs + idx, order);
594       remove_range (xsrt->runs, xsrt->run_cnt, sizeof *xsrt->runs,
595                     idx + 1, order - 1);
596       xsrt->run_cnt -= order - 1;
597
598       if (xsrt->runs[idx] == NULL)
599         return NULL;
600     }
601   assert (xsrt->run_cnt == 1);
602   xsrt->run_cnt = 0;
603   return xsrt->runs[0];
604 }
605
606 /* Chooses ORDER runs out of the RUN_CNT runs in RUNS to merge,
607    and returns the index of the first one.
608
609    For stability, we must merge only consecutive runs.  For
610    efficiency, we choose the shortest consecutive sequence of
611    runs. */
612 static int
613 choose_merge (struct casefile *runs[], int run_cnt, int order) 
614 {
615   int min_idx, min_sum;
616   int cur_idx, cur_sum;
617   int i;
618
619   /* Sum up the length of the first ORDER runs. */
620   cur_sum = 0;
621   for (i = 0; i < order; i++)
622     cur_sum += casefile_get_case_cnt (runs[i]);
623
624   /* Find the shortest group of ORDER runs,
625      using a running total for efficiency. */
626   min_idx = 0;
627   min_sum = cur_sum;
628   for (cur_idx = 1; cur_idx + order <= run_cnt; cur_idx++)
629     {
630       cur_sum -= casefile_get_case_cnt (runs[cur_idx - 1]);
631       cur_sum += casefile_get_case_cnt (runs[cur_idx + order - 1]);
632       if (cur_sum < min_sum)
633         {
634           min_sum = cur_sum;
635           min_idx = cur_idx;
636         }
637     }
638
639   return min_idx;
640 }
641
642 /* Merges the RUN_CNT initial runs specified in INPUT_FILES into a
643    new run, and returns the new run.
644    Returns a null pointer if an I/O error occurs. */
645 static struct casefile *
646 merge_once (struct external_sort *xsrt,
647             struct casefile **const input_files,
648             size_t run_cnt)
649 {
650   struct run
651     {
652       struct casefile *file;
653       struct casereader *reader;
654       struct ccase ccase;
655     }
656   *runs;
657
658   struct casefile *output = NULL;
659   int i;
660
661   /* Open input files. */
662   runs = xnmalloc (run_cnt, sizeof *runs);
663   for (i = 0; i < run_cnt; i++) 
664     {
665       struct run *r = &runs[i];
666       r->file = input_files[i];
667       r->reader = casefile_get_destructive_reader (r->file);
668       if (!casereader_read_xfer (r->reader, &r->ccase))
669         {
670           run_cnt--;
671           i--;
672         }
673     }
674
675   /* Create output file. */
676   output = fastfile_create (xsrt->value_cnt);
677   casefile_to_disk (output);
678
679   /* Merge. */
680   while (run_cnt > 0) 
681     {
682       struct run *min_run, *run;
683       
684       /* Find minimum. */
685       min_run = runs;
686       for (run = runs + 1; run < runs + run_cnt; run++)
687         if (compare_record (&run->ccase, &min_run->ccase, xsrt->criteria) < 0)
688           min_run = run;
689
690       /* Write minimum to output file. */
691       casefile_append_xfer (output, &min_run->ccase);
692
693       /* Read another case from minimum run. */
694       if (!casereader_read_xfer (min_run->reader, &min_run->ccase))
695         {
696           if (casefile_error (min_run->file) || casefile_error (output))
697             goto error;
698           casereader_destroy (min_run->reader);
699           casefile_destroy (min_run->file);
700
701           remove_element (runs, run_cnt, sizeof *runs, min_run - runs);
702           run_cnt--;
703         } 
704     }
705
706   if (!casefile_sleep (output))
707     goto error;
708   free (runs);
709
710   return output;
711
712  error:
713   for (i = 0; i < run_cnt; i++) 
714     casefile_destroy (runs[i].file);
715   casefile_destroy (output);
716   free (runs);
717   return NULL;
718 }