a2cf9dd7854c130afee0e6de6cda28b506e9d486
[pspp] / 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 #define EFFECTS_CODING 1
36
37 struct value_node
38 {
39   struct hmap_node node;      /* Node in hash map. */
40
41   union value val;            /* The value */
42
43   int index;                  /* A zero based unique index for this value */
44 };
45
46 struct interaction_value
47 {
48   struct hmap_node node;      /* Node in hash map */
49
50   struct ccase *ccase;        /* A case (probably the first in the dataset) which matches this value */
51
52   double cc;        /* Total of the weights of cases matching this interaction */
53
54   void *user_data;            /* A pointer to data which the caller can store stuff */
55 };
56
57 static struct value_node *
58 lookup_value (const struct hmap *map, const union value *val, unsigned int hash, int width)
59 {
60   struct value_node *vn = NULL;
61   HMAP_FOR_EACH_WITH_HASH (vn, struct value_node, node, hash, map)
62     {
63       if (value_equal (&vn->val, val, width))
64         break;
65     }
66   
67   return vn;
68 }
69
70 struct variable_node
71 {
72   struct hmap_node node;      /* Node in hash map. */
73   const struct variable *var; /* The variable */
74
75   struct hmap valmap;         /* A map of value nodes */
76   int n_vals;                 /* Number of values for this variable */
77 };
78
79 #if 0
80 static void
81 dump_interaction (const struct interaction *iact)
82 {
83   struct string str = DS_EMPTY_INITIALIZER;
84   interaction_to_string (iact, &str);
85   printf ("Interaction: %s\n", ds_cstr (&str));
86   ds_destroy (&str);
87 }
88 #endif
89
90
91 static struct variable_node *
92 lookup_variable (const struct hmap *map, const struct variable *var, unsigned int hash)
93 {
94   struct variable_node *vn = NULL;
95   HMAP_FOR_EACH_WITH_HASH (vn, struct variable_node, node, hash, map)
96     {
97       if (vn->var == var)
98         break;
99       
100       fprintf (stderr, "Warning: Hash table collision\n");
101     }
102   
103   return vn;
104 }
105
106
107 struct interact_params
108 {
109   /* A map indexed by a interaction_value */
110   struct hmap ivmap;
111
112   const struct interaction *iact;
113
114   int base_subscript_short;
115   int base_subscript_long;
116
117   /* The number of distinct values of this interaction */
118   int n_cats;
119
120   /* An array of integers df_n * df_{n-1} * df_{n-2} ...
121      These are the products of the degrees of freedom for the current 
122      variable and all preceeding variables */
123   int *df_prod; 
124
125   double *enc_sum;
126
127   /* A map of interaction_values indexed by subscript */
128   struct interaction_value **reverse_interaction_value_map;
129
130   double cc;
131 };
132
133
134 /* Comparison function to sort the reverse_value_map in ascending order */
135 static int
136 compare_interaction_value_3way (const void *vn1_, const void *vn2_, const void *aux)
137 {
138   const struct interaction_value *const *vn1p = vn1_;
139   const struct interaction_value *const *vn2p = vn2_;
140
141   const struct interact_params *iap = aux;
142
143   return interaction_case_cmp_3way (iap->iact, (*vn1p)->ccase, (*vn2p)->ccase);
144 }
145
146 struct categoricals
147 {
148   /* The weight variable */
149   const struct variable *wv;
150
151   /* An array of interact_params */
152   struct interact_params *iap;
153
154   /* Map whose members are the union of the variables which comprise IAP */
155   struct hmap varmap;
156
157   /* The size of IAP. (ie, the number of interactions involved.) */
158   size_t n_iap;
159
160   /* The number of categorical variables which contain entries.
161      In the absence of missing values, this will be equal to N_IAP */
162   size_t n_vars;
163
164   size_t df_sum;
165
166   /* A map to enable the lookup of variables indexed by subscript.
167      This map considers only the N - 1 of the N variables.
168    */
169   int *reverse_variable_map_short;
170
171   /* Like the above, but uses all N variables */
172   int *reverse_variable_map_long;
173
174   size_t n_cats_total;
175
176   struct pool *pool;
177
178   /* Missing values to be excluded */
179   enum mv_class exclude;
180
181   /* Function to be called on each update */
182   update_func *update;
183
184   /* Function specified by the caller to create user_data */
185   user_data_create_func *user_data_create;
186
187   /* Auxilliary data to be passed to update and user_data_create_func*/
188   void *aux1;
189   void *aux2;
190 };
191
192 #if 0
193 static void
194 categoricals_dump (const struct categoricals *cat)
195 {
196   int i;
197
198   printf ("Reverse Variable Map (short):\n");
199   for (i = 0; i < cat->df_sum; ++i)
200     {
201       printf (" %d", cat->reverse_variable_map_short[i]);
202     }
203   printf ("\n");
204
205   printf ("Reverse Variable Map (long):\n");
206   for (i = 0; i < cat->n_cats_total; ++i)
207     {
208       printf (" %d", cat->reverse_variable_map_long[i]);
209     }
210   printf ("\n");
211
212
213   printf ("Number of interactions %d\n", cat->n_iap);
214   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
215     {
216       int v;
217       struct string str;
218       const struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
219       const struct interaction *iact = iap->iact;
220
221       ds_init_empty (&str);
222       interaction_to_string (iact, &str);
223
224       printf ("\nInteraction: %s (n: %d; df: %d ); ", ds_cstr (&str), iap->n_cats, iap->df);
225       ds_destroy (&str);
226       printf ("Base subscript: %d\n", iap->base_subscript_short);
227
228       printf ("\t(");
229       for (v = 0; v < hmap_count (&iap->ivmap); ++v)
230         {
231           int vv;
232           const struct interaction_value *iv = iap->reverse_interaction_value_map[v];
233           
234           if (v > 0)  printf ("   ");
235           printf ("{");
236           for (vv = 0; vv < iact->n_vars; ++vv)
237             {
238               const struct variable *var = iact->vars[vv];
239               const union value *val = case_data (iv->ccase, var);
240               
241               printf ("%g", val->f);
242               if (vv < iact->n_vars - 1)
243                 printf (", ");
244             }
245           printf ("}");
246         }
247       printf (")\n");
248     }
249 }
250 #endif
251
252 void
253 categoricals_destroy (struct categoricals *cat)
254 {
255   struct variable_node *vn = NULL;
256   int i;
257   if (NULL == cat)
258     return;
259   for (i = 0; i < cat->n_iap; ++i)
260     {
261       struct interaction_value *iv = NULL;
262       /* Interate over each interaction value, and unref any cases that we reffed */
263       HMAP_FOR_EACH (iv, struct interaction_value, node, &cat->iap[i].ivmap)
264         {
265           case_unref (iv->ccase);
266         }
267
268       free (cat->iap[i].enc_sum);
269       free (cat->iap[i].df_prod);
270       hmap_destroy (&cat->iap[i].ivmap);
271     }
272
273   /* Interate over each variable and delete its value map */
274   HMAP_FOR_EACH (vn, struct variable_node, node, &cat->varmap)
275     {
276       hmap_destroy (&vn->valmap);
277     }
278
279   hmap_destroy (&cat->varmap);
280
281   pool_destroy (cat->pool);
282
283   free (cat);
284 }
285
286
287
288 static struct interaction_value *
289 lookup_case (const struct hmap *map, const struct interaction *iact, const struct ccase *c)
290 {
291   struct interaction_value *iv = NULL;
292   size_t hash = interaction_case_hash (iact, c, 0);
293
294   HMAP_FOR_EACH_WITH_HASH (iv, struct interaction_value, node, hash, map)
295     {
296       if (interaction_case_equal (iact, c, iv->ccase))
297         break;
298
299       fprintf (stderr, "Warning: Hash table collision\n");
300     }
301
302   return iv;
303 }
304
305
306 struct categoricals *
307 categoricals_create (struct interaction *const*inter, size_t n_inter,
308                      const struct variable *wv, enum mv_class exclude,
309                      user_data_create_func *udf,
310                      update_func *update, void *aux1, void *aux2
311                      )
312 {
313   size_t i;
314   struct categoricals *cat = xmalloc (sizeof *cat);
315   
316   cat->n_iap = n_inter;
317   cat->wv = wv;
318   cat->n_cats_total = 0;
319   cat->n_vars = 0;
320   cat->reverse_variable_map_short = NULL;
321   cat->reverse_variable_map_long = NULL;
322   cat->pool = pool_create ();
323   cat->exclude = exclude;
324   cat->update = update;
325   cat->user_data_create = udf;
326
327   cat->aux1 = aux1;
328   cat->aux2 = aux2;
329
330   cat->iap = pool_calloc (cat->pool, cat->n_iap, sizeof *cat->iap);
331
332   hmap_init (&cat->varmap);
333   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
334     {
335       int v;
336       hmap_init (&cat->iap[i].ivmap);
337       cat->iap[i].iact = inter[i];
338       cat->iap[i].cc = 0.0;
339       for (v = 0; v < inter[i]->n_vars; ++v)
340         {
341           const struct variable *var = inter[i]->vars[v];
342           unsigned int hash = hash_pointer (var, 0);
343           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash);
344           if (vn == NULL)
345             {
346               vn = pool_malloc (cat->pool, sizeof *vn);
347               vn->var = var;
348               vn->n_vals = 0;
349               hmap_init (&vn->valmap);
350
351               hmap_insert (&cat->varmap, &vn->node,  hash);
352             }
353         }
354     }
355
356   return cat;
357 }
358
359
360
361 void
362 categoricals_update (struct categoricals *cat, const struct ccase *c)
363 {
364   int i;
365   struct variable_node *vn = NULL;
366   const double weight = cat->wv ? case_data (c, cat->wv)->f : 1.0;
367
368   assert (NULL == cat->reverse_variable_map_short);
369   assert (NULL == cat->reverse_variable_map_long);
370
371   /* Interate over each variable, and add the value of that variable
372      to the appropriate map, if it's not already present. */
373   HMAP_FOR_EACH (vn, struct variable_node, node, &cat->varmap)
374     {
375       const int width = var_get_width (vn->var);
376       const union value *val = case_data (c, vn->var);
377       unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
378
379       struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
380       if (valn == NULL)
381         {
382           valn = pool_malloc (cat->pool, sizeof *valn);
383           valn->index = vn->n_vals++;
384           value_init (&valn->val, width);
385           value_copy (&valn->val, val, width);
386           hmap_insert (&vn->valmap, &valn->node, hash);
387         }
388     }     
389   
390   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
391     {
392       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
393
394       //      if ( interaction_case_is_missing (iact, c, cat->exclude))
395       //         continue;
396
397       size_t hash = interaction_case_hash (iact, c, 0);
398       struct interaction_value *node = lookup_case (&cat->iap[i].ivmap, iact, c);
399
400       if ( NULL == node)
401         {
402           node = pool_malloc (cat->pool, sizeof *node);
403
404           node->ccase = case_ref (c);
405           node->cc = weight;
406
407           hmap_insert (&cat->iap[i].ivmap, &node->node, hash);
408
409           if (cat->user_data_create)
410             node->user_data = cat->user_data_create (cat->aux1, cat->aux2);
411         }
412       else
413         {
414           node->cc += weight;
415         }
416       cat->iap[i].cc += weight;
417
418       if (cat->update)
419         cat->update (node->user_data, cat->exclude, cat->wv, NULL, c, cat->aux1, cat->aux2);
420     }
421 }
422
423 /* Return the number of categories (distinct values) for interction N */
424 size_t
425 categoricals_n_count (const struct categoricals *cat, size_t n)
426 {
427   return hmap_count (&cat->iap[n].ivmap);
428 }
429
430
431 size_t
432 categoricals_df (const struct categoricals *cat, size_t n)
433 {
434   const struct interact_params *iap = &cat->iap[n];
435   return iap->df_prod[iap->iact->n_vars - 1];
436 }
437
438
439 /* Return the total number of categories */
440 size_t
441 categoricals_n_total (const struct categoricals *cat)
442 {
443   assert (cat->reverse_variable_map_long);
444
445   return cat->n_cats_total;
446 }
447
448 size_t
449 categoricals_df_total (const struct categoricals *cat)
450 {
451   return cat->df_sum;
452 }
453
454 /* This function must be called *before* any call to categoricals_get_*_by subscript and
455  *after* all calls to categoricals_update */
456 void
457 categoricals_done (const struct categoricals *cat_)
458 {
459   /* Implementation Note: Whilst this function is O(n) in cat->n_cats_total, in most
460      uses it will be more efficient that using a tree based structure, since it
461      is called only once, and means that subsequent lookups will be O(1).
462
463      1 call of O(n) + 10^9 calls of O(1) is better than 10^9 calls of O(log n).
464   */
465   struct categoricals *cat = CONST_CAST (struct categoricals *, cat_);
466   int v;
467   int i;
468   int idx_short = 0;
469   int idx_long = 0;
470   cat->df_sum = 0;
471   cat->n_cats_total = 0;
472
473   /* Calculate the degrees of freedom, and the number of categories */
474   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
475     {
476       int df = 1;
477       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
478
479       cat->iap[i].df_prod = xcalloc (iact->n_vars, sizeof (int));
480
481       cat->iap[i].n_cats = 1;
482       
483       for (v = 0 ; v < iact->n_vars; ++v)
484         {
485           const struct variable *var = iact->vars[v];
486
487           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
488
489           cat->iap[i].df_prod[v] = df * (hmap_count (&vn->valmap) - 1);
490           df = cat->iap[i].df_prod[v];
491
492           cat->iap[i].n_cats *= hmap_count (&vn->valmap);
493         }
494
495       cat->df_sum += cat->iap[i].df_prod [v - 1];
496       cat->n_cats_total += cat->iap[i].n_cats;
497     }
498
499
500   cat->reverse_variable_map_short = pool_calloc (cat->pool,
501                                                  cat->df_sum,
502                                                  sizeof *cat->reverse_variable_map_short);
503
504   cat->reverse_variable_map_long = pool_calloc (cat->pool,
505                                                 cat->n_cats_total,
506                                                 sizeof *cat->reverse_variable_map_long);
507
508   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
509     {
510       struct interaction_value *ivn = NULL;
511       int x = 0;
512       int ii;
513       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
514
515       iap->base_subscript_short = idx_short;
516       iap->base_subscript_long = idx_long;
517
518       iap->reverse_interaction_value_map = pool_calloc (cat->pool, iap->n_cats,
519                                                         sizeof *iap->reverse_interaction_value_map);
520
521       HMAP_FOR_EACH (ivn, struct interaction_value, node, &iap->ivmap)
522         {
523           iap->reverse_interaction_value_map[x++] = ivn;
524         }
525
526       assert (x <= iap->n_cats);
527
528       /* For some purposes (eg CONTRASTS in ONEWAY) the values need to be sorted */
529       sort (iap->reverse_interaction_value_map, x, sizeof (*iap->reverse_interaction_value_map),
530             compare_interaction_value_3way, iap);
531
532       /* Fill the remaining values with null */
533       for (ii = x ; ii < iap->n_cats; ++ii)
534         iap->reverse_interaction_value_map[ii] = NULL;
535
536       /* Populate the reverse variable maps. */
537       for (ii = 0; ii < iap->df_prod [iap->iact->n_vars - 1]; ++ii)
538         cat->reverse_variable_map_short[idx_short++] = i;
539
540       for (ii = 0; ii < iap->n_cats; ++ii)
541         cat->reverse_variable_map_long[idx_long++] = i;
542     }
543
544   assert (cat->n_vars <= cat->n_iap);
545
546   //  categoricals_dump (cat);
547
548   /* Tally up the sums for all the encodings */
549   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
550     {
551       int x, y;
552       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
553       const struct interaction *iact = iap->iact;
554
555       const int df = iap->df_prod [iact->n_vars - 1];
556
557       iap->enc_sum = xcalloc (df, sizeof (*(iap->enc_sum)));
558
559       for (y = 0; y < hmap_count (&iap->ivmap); ++y)
560         {
561           struct interaction_value *iv = iap->reverse_interaction_value_map[y];
562           for (x = iap->base_subscript_short; x < iap->base_subscript_short + df ;++x)
563             {
564               const double bin = categoricals_get_binary_by_subscript (cat, x, iv->ccase); \
565               iap->enc_sum [x - iap->base_subscript_short] += bin * iv->cc;
566             }
567         }
568     }
569 }
570
571
572 static int
573 reverse_variable_lookup_short (const struct categoricals *cat, int subscript)
574 {
575   assert (cat->reverse_variable_map_short);
576   assert (subscript >= 0);
577   assert (subscript < cat->df_sum);
578
579   return cat->reverse_variable_map_short[subscript];
580 }
581
582 static int
583 reverse_variable_lookup_long (const struct categoricals *cat, int subscript)
584 {
585   assert (cat->reverse_variable_map_long);
586   assert (subscript >= 0);
587   assert (subscript < cat->n_cats_total);
588
589   return cat->reverse_variable_map_long[subscript];
590 }
591
592
593 /* Return the interaction corresponding to SUBSCRIPT */
594 const struct interaction *
595 categoricals_get_interaction_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
596 {
597   int index = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
598
599   return cat->iap[index].iact;
600 }
601
602 /* Return the case corresponding to SUBSCRIPT */
603 static const struct ccase *
604 categoricals_get_case_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
605 {
606   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
607   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
608   const struct interaction_value *vn = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_short];
609
610   if ( vn == NULL)
611     return NULL;
612
613   return vn->ccase;
614 }
615
616
617 double
618 categoricals_get_weight_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
619 {
620   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
621   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
622
623   return vp->cc;
624 }
625
626 double
627 categoricals_get_sum_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
628 {
629   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
630   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
631
632   return   vp->enc_sum[subscript - vp->base_subscript_short];
633 }
634
635 /* Returns unity if the value in case C at SUBSCRIPT is equal to the category
636    for that subscript */
637 double
638 categoricals_get_binary_by_subscript (const struct categoricals *cat,
639                                       int subscript,
640                                       const struct ccase *c)
641 {
642   const struct interaction *iact = categoricals_get_interaction_by_subscript (cat, subscript);
643
644   const int i = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
645
646   const int base_index = cat->iap[i].base_subscript_short;
647
648   int v;
649   double result = 1.0;
650
651   const struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
652
653   double dfp = 1.0;
654   for (v = 0; v < iact->n_vars; ++v)
655   {
656     const struct variable *var = iact->vars[v];
657
658     const union value *val = case_data (c, var);
659     const int width = var_get_width (var);
660     const struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
661
662     const unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
663     const struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
664
665     double bin = 1.0;
666
667     const double df = iap->df_prod[v] / dfp;
668
669     /* Translate the subscript into an index for the individual variable */
670     const int index = ((subscript - base_index) % iap->df_prod[v] ) / dfp;
671     dfp = iap->df_prod [v];
672
673 #if EFFECTS_CODING
674     if ( valn->index == df )
675       bin = -1.0;
676     else 
677 #endif
678     if ( valn->index  != index )
679       bin = 0;
680     
681     result *= bin;
682   }
683
684   return result;
685 }
686
687
688 size_t
689 categoricals_get_n_variables (const struct categoricals *cat)
690 {
691   printf ("%s\n", __FUNCTION__);
692   return cat->n_vars;
693 }
694
695 /* Return a case containing the set of values corresponding to SUBSCRIPT */
696 const struct ccase *
697 categoricals_get_case_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
698 {
699   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
700   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
701   const struct interaction_value *vn = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
702
703   return vn->ccase;
704 }
705
706 void *
707 categoricals_get_user_data_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
708 {
709   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
710   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
711
712   const struct interaction_value *iv = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
713   return iv->user_data;
714 }
715
716
717
718