Fixed some compiler warnings, which arose from recent commits.
[pspp] / src / math / categoricals.c
1 /* PSPP - a program for statistical analysis.
2    Copyright (C) 2009, 2010, 2011, 2012 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 CATEGORICALS_DEBUG 0
36
37 #define EFFECTS_CODING 1
38
39 struct value_node
40 {
41   struct hmap_node node;      /* Node in hash map. */
42
43   union value val;            /* The value */
44
45   int index;                  /* A zero based unique index for this value */
46 };
47
48 struct interaction_value
49 {
50   struct hmap_node node;      /* Node in hash map */
51
52   struct ccase *ccase;        /* A case (probably the first in the dataset) which matches this value */
53
54   double cc;        /* Total of the weights of cases matching this interaction */
55
56   void *user_data;            /* A pointer to data which the caller can store stuff */
57 };
58
59 static struct value_node *
60 lookup_value (const struct hmap *map, const union value *val, unsigned int hash, int width)
61 {
62   struct value_node *vn = NULL;
63   HMAP_FOR_EACH_WITH_HASH (vn, struct value_node, node, hash, map)
64     {
65       if (value_equal (&vn->val, val, width))
66         break;
67     }
68   
69   return vn;
70 }
71
72 struct variable_node
73 {
74   struct hmap_node node;      /* Node in hash map. */
75   const struct variable *var; /* The variable */
76
77   struct hmap valmap;         /* A map of value nodes */
78   int n_vals;                 /* Number of values for this variable */
79 };
80
81 static struct variable_node *
82 lookup_variable (const struct hmap *map, const struct variable *var, unsigned int hash)
83 {
84   struct variable_node *vn = NULL;
85   HMAP_FOR_EACH_WITH_HASH (vn, struct variable_node, node, hash, map)
86     {
87       if (vn->var == var)
88         break;
89       
90       fprintf (stderr, "Warning: Hash table collision\n");
91     }
92   
93   return vn;
94 }
95
96
97 struct interact_params
98 {
99   /* A map of cases indexed by a interaction_value */
100   struct hmap ivmap;
101
102   struct interaction *iact;
103
104   int base_subscript_short;
105   int base_subscript_long;
106
107   /* The number of distinct values of this interaction */
108   int n_cats;
109
110   /* An array of integers df_n * df_{n-1} * df_{n-2} ...
111      These are the products of the degrees of freedom for the current 
112      variable and all preceeding variables */
113   int *df_prod; 
114
115   double *enc_sum;
116
117   /* A map of interaction_values indexed by subscript */
118   struct interaction_value **reverse_interaction_value_map;
119
120   double cc;
121 };
122
123
124 /* Comparison function to sort the reverse_value_map in ascending order */
125 static int
126 compare_interaction_value_3way (const void *vn1_, const void *vn2_, const void *aux)
127 {
128   const struct interaction_value *const *vn1p = vn1_;
129   const struct interaction_value *const *vn2p = vn2_;
130
131   const struct interact_params *iap = aux;
132
133   return interaction_case_cmp_3way (iap->iact, (*vn1p)->ccase, (*vn2p)->ccase);
134 }
135
136 struct categoricals
137 {
138   /* The weight variable */
139   const struct variable *wv;
140
141   /* An array of interact_params */
142   struct interact_params *iap;
143
144   /* Map whose members are the union of the variables which comprise IAP */
145   struct hmap varmap;
146
147   /* The size of IAP. (ie, the number of interactions involved.) */
148   size_t n_iap;
149
150   /* The number of categorical variables which contain entries.
151      In the absence of missing values, this will be equal to N_IAP */
152   size_t n_vars;
153
154   size_t df_sum;
155
156   /* A map to enable the lookup of variables indexed by subscript.
157      This map considers only the N - 1 of the N variables.
158   */
159   int *reverse_variable_map_short;
160
161   /* Like the above, but uses all N variables */
162   int *reverse_variable_map_long;
163
164   size_t n_cats_total;
165
166   struct pool *pool;
167
168   /* Missing values in the dependent varirable to be excluded */
169   enum mv_class dep_excl;
170
171   /* Missing values in the factor variables to be excluded */
172   enum mv_class fctr_excl;
173
174   const void *aux1;
175   void *aux2;
176
177   bool sane;
178
179   const struct payload *payload;
180 };
181
182 static void
183 categoricals_dump (const struct categoricals *cat)
184 {
185   if (CATEGORICALS_DEBUG)
186     {
187       int i;
188
189       printf ("Reverse Variable Map (short):\n");
190       for (i = 0; i < cat->df_sum; ++i)
191         {
192           printf (" %d", cat->reverse_variable_map_short[i]);
193         }
194       printf ("\n");
195
196       printf ("Reverse Variable Map (long):\n");
197       for (i = 0; i < cat->n_cats_total; ++i)
198         {
199           printf (" %d", cat->reverse_variable_map_long[i]);
200         }
201       printf ("\n");
202
203
204       printf ("Number of interactions %d\n", cat->n_iap);
205       for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
206         {
207           int v;
208           struct string str;
209           const struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
210           const struct interaction *iact = iap->iact;
211
212           ds_init_empty (&str);
213           interaction_to_string (iact, &str);
214
215           printf ("\nInteraction: %s (n: %d); ", ds_cstr (&str), iap->n_cats);
216           ds_destroy (&str);
217           printf ("Base subscript: %d\n", iap->base_subscript_short);
218
219           printf ("\t(");
220           for (v = 0; v < hmap_count (&iap->ivmap); ++v)
221             {
222               int vv;
223               const struct interaction_value *iv = iap->reverse_interaction_value_map[v];
224           
225               if (v > 0)  printf ("   ");
226               printf ("{");
227               for (vv = 0; vv < iact->n_vars; ++vv)
228                 {
229                   const struct variable *var = iact->vars[vv];
230                   const union value *val = case_data (iv->ccase, var);
231               
232                   printf ("%g", val->f);
233                   if (vv < iact->n_vars - 1)
234                     printf (", ");
235                 }
236               printf ("}");
237             }
238           printf (")\n");
239         }
240     }
241 }
242
243 void
244 categoricals_destroy (struct categoricals *cat)
245 {
246   struct variable_node *vn = NULL;
247   int i;
248   if (NULL == cat)
249     return;
250   for (i = 0; i < cat->n_iap; ++i)
251     {
252       struct interaction_value *iv = NULL;
253       /* Interate over each interaction value, and unref any cases that we reffed */
254       HMAP_FOR_EACH (iv, struct interaction_value, node, &cat->iap[i].ivmap)
255         {
256           if (cat->payload && cat->payload->destroy)
257             cat->payload->destroy (cat->aux1, cat->aux2, iv->user_data);
258           case_unref (iv->ccase);
259         }
260
261       free (cat->iap[i].enc_sum);
262       free (cat->iap[i].df_prod);
263       hmap_destroy (&cat->iap[i].ivmap);
264       interaction_destroy (cat->iap[i].iact);
265     }
266
267   /* Interate over each variable and delete its value map */
268   HMAP_FOR_EACH (vn, struct variable_node, node, &cat->varmap)
269     {
270       hmap_destroy (&vn->valmap);
271     }
272
273   hmap_destroy (&cat->varmap);
274
275   pool_destroy (cat->pool);
276
277   free (cat);
278 }
279
280
281
282 static struct interaction_value *
283 lookup_case (const struct hmap *map, const struct interaction *iact, const struct ccase *c)
284 {
285   struct interaction_value *iv = NULL;
286   size_t hash = interaction_case_hash (iact, c, 0);
287
288   HMAP_FOR_EACH_WITH_HASH (iv, struct interaction_value, node, hash, map)
289     {
290       if (interaction_case_equal (iact, c, iv->ccase))
291         break;
292
293       fprintf (stderr, "Warning: Hash table collision\n");
294     }
295
296   return iv;
297 }
298
299 bool 
300 categoricals_sane (const struct categoricals *cat)
301 {
302   return cat->sane;
303 }
304
305 struct categoricals *
306 categoricals_create (struct interaction *const*inter, size_t n_inter,
307                      const struct variable *wv, enum mv_class dep_excl, enum mv_class fctr_excl)
308 {
309   size_t i;
310   struct categoricals *cat = xmalloc (sizeof *cat);
311   
312   cat->n_iap = n_inter;
313   cat->wv = wv;
314   cat->n_cats_total = 0;
315   cat->n_vars = 0;
316   cat->reverse_variable_map_short = NULL;
317   cat->reverse_variable_map_long = NULL;
318   cat->pool = pool_create ();
319   cat->dep_excl = dep_excl;
320   cat->fctr_excl = fctr_excl;
321   cat->payload = NULL;
322   cat->aux2 = NULL;
323   cat->sane = false;
324
325   cat->iap = pool_calloc (cat->pool, cat->n_iap, sizeof *cat->iap);
326
327   hmap_init (&cat->varmap);
328   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
329     {
330       int v;
331       hmap_init (&cat->iap[i].ivmap);
332       cat->iap[i].iact = inter[i];
333       cat->iap[i].cc = 0.0;
334       for (v = 0; v < inter[i]->n_vars; ++v)
335         {
336           const struct variable *var = inter[i]->vars[v];
337           unsigned int hash = hash_pointer (var, 0);
338           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash);
339           if (vn == NULL)
340             {
341               vn = pool_malloc (cat->pool, sizeof *vn);
342               vn->var = var;
343               vn->n_vals = 0;
344               hmap_init (&vn->valmap);
345
346               hmap_insert (&cat->varmap, &vn->node,  hash);
347             }
348         }
349     }
350
351   return cat;
352 }
353
354
355
356 void
357 categoricals_update (struct categoricals *cat, const struct ccase *c)
358 {
359   int i;
360   struct variable_node *vn = NULL;
361   double weight;
362
363   if (NULL == cat)
364     return;
365
366   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       size_t hash;
395       struct interaction_value *node;
396
397       if ( interaction_case_is_missing (iact, c, cat->fctr_excl))
398         continue;
399
400       hash = interaction_case_hash (iact, c, 0);
401       node = lookup_case (&cat->iap[i].ivmap, iact, c);
402
403       if ( NULL == node)
404         {
405           node = pool_malloc (cat->pool, sizeof *node);
406
407           node->ccase = case_ref (c);
408           node->cc = weight;
409
410           hmap_insert (&cat->iap[i].ivmap, &node->node, hash);
411
412           if (cat->payload) 
413             {
414               node->user_data = cat->payload->create (cat->aux1, cat->aux2);
415             }
416         }
417       else
418         {
419           node->cc += weight;
420         }
421       cat->iap[i].cc += weight;
422
423       if (cat->payload)
424         {
425           double weight = cat->wv ? case_data (c, cat->wv)->f : 1.0;
426           cat->payload->update (cat->aux1, cat->aux2, node->user_data, c, weight);
427         }
428
429     }
430 }
431
432 /* Return the number of categories (distinct values) for interction N */
433 size_t
434 categoricals_n_count (const struct categoricals *cat, size_t n)
435 {
436   return hmap_count (&cat->iap[n].ivmap);
437 }
438
439
440 size_t
441 categoricals_df (const struct categoricals *cat, size_t n)
442 {
443   const struct interact_params *iap = &cat->iap[n];
444   return iap->df_prod[iap->iact->n_vars - 1];
445 }
446
447
448 /* Return the total number of categories */
449 size_t
450 categoricals_n_total (const struct categoricals *cat)
451 {
452   if (!categoricals_is_complete (cat))
453     return 0;
454
455   return cat->n_cats_total;
456 }
457
458 size_t
459 categoricals_df_total (const struct categoricals *cat)
460 {
461   if (NULL == cat)
462     return 0;
463
464   return cat->df_sum;
465 }
466
467 bool
468 categoricals_is_complete (const struct categoricals *cat)
469 {
470   return (NULL != cat->reverse_variable_map_short);
471 }
472
473
474 /* This function must be called *before* any call to categoricals_get_*_by subscript and
475  *after* all calls to categoricals_update */
476 void
477 categoricals_done (const struct categoricals *cat_)
478 {
479   /* Implementation Note: Whilst this function is O(n) in cat->n_cats_total, in most
480      uses it will be more efficient that using a tree based structure, since it
481      is called only once, and means that subsequent lookups will be O(1).
482
483      1 call of O(n) + 10^9 calls of O(1) is better than 10^9 calls of O(log n).
484   */
485   struct categoricals *cat = CONST_CAST (struct categoricals *, cat_);
486   int v;
487   int i;
488   int idx_short = 0;
489   int idx_long = 0;
490
491   if (NULL == cat)
492     return;
493
494   cat->df_sum = 0;
495   cat->n_cats_total = 0;
496
497   /* Calculate the degrees of freedom, and the number of categories */
498   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
499     {
500       int df = 1;
501       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
502
503       cat->iap[i].df_prod = iact->n_vars ? xcalloc (iact->n_vars, sizeof (int)) : NULL;
504
505       cat->iap[i].n_cats = 1;
506       
507       for (v = 0 ; v < iact->n_vars; ++v)
508         {
509           const struct variable *var = iact->vars[v];
510
511           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
512
513           if  (hmap_count (&vn->valmap) == 0)
514             {
515               cat->sane = false;
516               return;
517             }
518
519           cat->iap[i].df_prod[v] = df * (hmap_count (&vn->valmap) - 1);
520           df = cat->iap[i].df_prod[v];
521
522           cat->iap[i].n_cats *= hmap_count (&vn->valmap);
523         }
524
525       assert (v == iact->n_vars);
526       if (v > 0)
527         cat->df_sum += cat->iap[i].df_prod [v - 1];
528
529       cat->n_cats_total += cat->iap[i].n_cats;
530     }
531
532
533   cat->reverse_variable_map_short = pool_calloc (cat->pool,
534                                                  cat->df_sum,
535                                                  sizeof *cat->reverse_variable_map_short);
536
537   cat->reverse_variable_map_long = pool_calloc (cat->pool,
538                                                 cat->n_cats_total,
539                                                 sizeof *cat->reverse_variable_map_long);
540
541   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
542     {
543       struct interaction_value *ivn = NULL;
544       int x = 0;
545       int ii;
546       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
547
548       iap->base_subscript_short = idx_short;
549       iap->base_subscript_long = idx_long;
550
551       iap->reverse_interaction_value_map = pool_calloc (cat->pool, iap->n_cats,
552                                                         sizeof *iap->reverse_interaction_value_map);
553
554       HMAP_FOR_EACH (ivn, struct interaction_value, node, &iap->ivmap)
555         {
556           iap->reverse_interaction_value_map[x++] = ivn;
557         }
558
559       assert (x <= iap->n_cats);
560
561       /* For some purposes (eg CONTRASTS in ONEWAY) the values need to be sorted */
562       sort (iap->reverse_interaction_value_map, x, sizeof (*iap->reverse_interaction_value_map),
563             compare_interaction_value_3way, iap);
564
565       /* Fill the remaining values with null */
566       for (ii = x ; ii < iap->n_cats; ++ii)
567         iap->reverse_interaction_value_map[ii] = NULL;
568
569       /* Populate the reverse variable maps. */
570       if (iap->df_prod)
571         {
572           for (ii = 0; ii < iap->df_prod [iap->iact->n_vars - 1]; ++ii)
573             cat->reverse_variable_map_short[idx_short++] = i;
574         }
575
576       for (ii = 0; ii < iap->n_cats; ++ii)
577         cat->reverse_variable_map_long[idx_long++] = i;
578     }
579
580   assert (cat->n_vars <= cat->n_iap);
581
582   categoricals_dump (cat);
583
584   /* Tally up the sums for all the encodings */
585   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
586     {
587       int x, y;
588       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
589       const struct interaction *iact = iap->iact;
590
591       const int df = iap->df_prod ? iap->df_prod [iact->n_vars - 1] : 0;
592
593       iap->enc_sum = xcalloc (df, sizeof (*(iap->enc_sum)));
594
595       for (y = 0; y < hmap_count (&iap->ivmap); ++y)
596         {
597           struct interaction_value *iv = iap->reverse_interaction_value_map[y];
598           for (x = iap->base_subscript_short; x < iap->base_subscript_short + df ;++x)
599             {
600               const double bin = categoricals_get_code_for_case (cat, x, iv->ccase); \
601               iap->enc_sum [x - iap->base_subscript_short] += bin * iv->cc;
602             }
603           if (cat->payload && cat->payload->calculate)
604             cat->payload->calculate (cat->aux1, cat->aux2, iv->user_data);
605         }
606     }
607
608   cat->sane = true;
609 }
610
611
612 static int
613 reverse_variable_lookup_short (const struct categoricals *cat, int subscript)
614 {
615   assert (cat->reverse_variable_map_short);
616   assert (subscript >= 0);
617   assert (subscript < cat->df_sum);
618
619   return cat->reverse_variable_map_short[subscript];
620 }
621
622 static int
623 reverse_variable_lookup_long (const struct categoricals *cat, int subscript)
624 {
625   assert (cat->reverse_variable_map_long);
626   assert (subscript >= 0);
627   assert (subscript < cat->n_cats_total);
628
629   return cat->reverse_variable_map_long[subscript];
630 }
631
632
633 /* Return the interaction corresponding to SUBSCRIPT */
634 const struct interaction *
635 categoricals_get_interaction_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
636 {
637   int index = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
638
639   return cat->iap[index].iact;
640 }
641
642 double
643 categoricals_get_weight_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
644 {
645   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
646   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
647
648   return vp->cc;
649 }
650
651 double
652 categoricals_get_sum_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
653 {
654   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
655   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
656
657   return   vp->enc_sum[subscript - vp->base_subscript_short];
658 }
659
660 /* Returns unity if the value in case C at SUBSCRIPT is equal to the category
661    for that subscript */
662 double
663 categoricals_get_code_for_case (const struct categoricals *cat, int subscript,
664                                 const struct ccase *c)
665 {
666   const struct interaction *iact = categoricals_get_interaction_by_subscript (cat, subscript);
667
668   const int i = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
669
670   const int base_index = cat->iap[i].base_subscript_short;
671
672   int v;
673   double result = 1.0;
674
675   const struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
676
677   double dfp = 1.0;
678   for (v = 0; v < iact->n_vars; ++v)
679     {
680       const struct variable *var = iact->vars[v];
681
682       const union value *val = case_data (c, var);
683       const int width = var_get_width (var);
684       const struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
685
686       const unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
687       const struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
688
689       double bin = 1.0;
690
691       const double df = iap->df_prod[v] / dfp;
692
693       /* Translate the subscript into an index for the individual variable */
694       const int index = ((subscript - base_index) % iap->df_prod[v] ) / dfp;
695       dfp = iap->df_prod [v];
696
697 #if EFFECTS_CODING
698       if ( valn->index == df )
699         bin = -1.0;
700       else 
701 #endif
702         if ( valn->index  != index )
703           bin = 0;
704     
705       result *= bin;
706     }
707
708   return result;
709 }
710
711
712 size_t
713 categoricals_get_n_variables (const struct categoricals *cat)
714 {
715   printf ("%s\n", __FUNCTION__);
716   return cat->n_vars;
717 }
718
719
720 /* Return a case containing the set of values corresponding to 
721    the Nth Category of the IACTth interaction */
722 const struct ccase *
723 categoricals_get_case_by_category_real (const struct categoricals *cat, int iact, int n)
724 {
725   const struct interaction_value *vn;
726
727   const struct interact_params *vp = &cat->iap[iact];
728
729   if ( n >= hmap_count (&vp->ivmap))
730     return NULL;
731
732   vn = vp->reverse_interaction_value_map [n];
733
734   return vn->ccase;
735 }
736
737 /* Return a the user data corresponding to the Nth Category of the IACTth interaction. */
738 void *
739 categoricals_get_user_data_by_category_real (const struct categoricals *cat, int iact, int n)
740 {
741   const struct interact_params *vp = &cat->iap[iact];
742   const struct interaction_value *iv ;
743
744   if ( n >= hmap_count (&vp->ivmap))
745     return NULL;
746
747   iv = vp->reverse_interaction_value_map [n];
748
749   return iv->user_data;
750 }
751
752
753
754 /* Return a case containing the set of values corresponding to SUBSCRIPT */
755 const struct ccase *
756 categoricals_get_case_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
757 {
758   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
759   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
760   const struct interaction_value *vn = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
761
762   return vn->ccase;
763 }
764
765 void *
766 categoricals_get_user_data_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
767 {
768   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
769   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
770
771   const struct interaction_value *iv = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
772   return iv->user_data;
773 }
774
775
776 \f
777
778 void
779 categoricals_set_payload (struct categoricals *cat, const struct payload *p,
780                           const void *aux1, void *aux2)
781 {
782   cat->payload = p;
783   cat->aux1 = aux1;
784   cat->aux2 = aux2;
785 }