ONEWAY: call categoricals_done only once
[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 indexed by a interaction_value */
100   struct hmap ivmap;
101
102   const 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 0
257           if (cat->payload)
258             cat->payload->destroy (cat->aux1, iv->user_data);
259 #endif
260           case_unref (iv->ccase);
261         }
262
263       free (cat->iap[i].enc_sum);
264       free (cat->iap[i].df_prod);
265       hmap_destroy (&cat->iap[i].ivmap);
266       interaction_destroy (cat->iap[i].iact);
267     }
268
269   /* Interate over each variable and delete its value map */
270   HMAP_FOR_EACH (vn, struct variable_node, node, &cat->varmap)
271     {
272       hmap_destroy (&vn->valmap);
273     }
274
275   hmap_destroy (&cat->varmap);
276
277   pool_destroy (cat->pool);
278
279   free (cat);
280 }
281
282
283
284 static struct interaction_value *
285 lookup_case (const struct hmap *map, const struct interaction *iact, const struct ccase *c)
286 {
287   struct interaction_value *iv = NULL;
288   size_t hash = interaction_case_hash (iact, c, 0);
289
290   HMAP_FOR_EACH_WITH_HASH (iv, struct interaction_value, node, hash, map)
291     {
292       if (interaction_case_equal (iact, c, iv->ccase))
293         break;
294
295       fprintf (stderr, "Warning: Hash table collision\n");
296     }
297
298   return iv;
299 }
300
301 bool 
302 categoricals_sane (const struct categoricals *cat)
303 {
304   return cat->sane;
305 }
306
307 struct categoricals *
308 categoricals_create (struct interaction *const*inter, size_t n_inter,
309                      const struct variable *wv, enum mv_class dep_excl, enum mv_class fctr_excl)
310 {
311   size_t i;
312   struct categoricals *cat = xmalloc (sizeof *cat);
313   
314   cat->n_iap = n_inter;
315   cat->wv = wv;
316   cat->n_cats_total = 0;
317   cat->n_vars = 0;
318   cat->reverse_variable_map_short = NULL;
319   cat->reverse_variable_map_long = NULL;
320   cat->pool = pool_create ();
321   cat->dep_excl = dep_excl;
322   cat->fctr_excl = fctr_excl;
323   cat->payload = NULL;
324   cat->aux2 = NULL;
325   cat->sane = false;
326
327   cat->iap = pool_calloc (cat->pool, cat->n_iap, sizeof *cat->iap);
328
329   hmap_init (&cat->varmap);
330   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
331     {
332       int v;
333       hmap_init (&cat->iap[i].ivmap);
334       cat->iap[i].iact = inter[i];
335       cat->iap[i].cc = 0.0;
336       for (v = 0; v < inter[i]->n_vars; ++v)
337         {
338           const struct variable *var = inter[i]->vars[v];
339           unsigned int hash = hash_pointer (var, 0);
340           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash);
341           if (vn == NULL)
342             {
343               vn = pool_malloc (cat->pool, sizeof *vn);
344               vn->var = var;
345               vn->n_vals = 0;
346               hmap_init (&vn->valmap);
347
348               hmap_insert (&cat->varmap, &vn->node,  hash);
349             }
350         }
351     }
352
353   return cat;
354 }
355
356
357
358 void
359 categoricals_update (struct categoricals *cat, const struct ccase *c)
360 {
361   int i;
362   struct variable_node *vn = NULL;
363   const double weight = cat->wv ? case_data (c, cat->wv)->f : 1.0;
364
365   assert (NULL == cat->reverse_variable_map_short);
366   assert (NULL == cat->reverse_variable_map_long);
367
368   /* Interate over each variable, and add the value of that variable
369      to the appropriate map, if it's not already present. */
370   HMAP_FOR_EACH (vn, struct variable_node, node, &cat->varmap)
371     {
372       const int width = var_get_width (vn->var);
373       const union value *val = case_data (c, vn->var);
374       unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
375
376       struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
377       if (valn == NULL)
378         {
379           valn = pool_malloc (cat->pool, sizeof *valn);
380           valn->index = vn->n_vals++;
381           value_init (&valn->val, width);
382           value_copy (&valn->val, val, width);
383           hmap_insert (&vn->valmap, &valn->node, hash);
384         }
385     }     
386   
387   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
388     {
389       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
390
391       size_t hash;
392       struct interaction_value *node;
393
394       if ( interaction_case_is_missing (iact, c, cat->fctr_excl))
395         continue;
396
397       hash = interaction_case_hash (iact, c, 0);
398       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->payload) 
410             {
411               node->user_data = cat->payload->create (cat->aux1, cat->aux2);
412             }
413         }
414       else
415         {
416           node->cc += weight;
417         }
418       cat->iap[i].cc += weight;
419
420       if (cat->payload)
421         {
422           double weight = cat->wv ? case_data (c, cat->wv)->f : 1.0;
423           cat->payload->update (cat->aux1, cat->aux2, node->user_data, c, weight);
424         }
425
426     }
427 }
428
429 /* Return the number of categories (distinct values) for interction N */
430 size_t
431 categoricals_n_count (const struct categoricals *cat, size_t n)
432 {
433   return hmap_count (&cat->iap[n].ivmap);
434 }
435
436
437 size_t
438 categoricals_df (const struct categoricals *cat, size_t n)
439 {
440   const struct interact_params *iap = &cat->iap[n];
441   return iap->df_prod[iap->iact->n_vars - 1];
442 }
443
444
445 /* Return the total number of categories */
446 size_t
447 categoricals_n_total (const struct categoricals *cat)
448 {
449   if (!categoricals_is_complete (cat))
450     return 0;
451
452   return cat->n_cats_total;
453 }
454
455 size_t
456 categoricals_df_total (const struct categoricals *cat)
457 {
458   return cat->df_sum;
459 }
460
461 bool
462 categoricals_is_complete (const struct categoricals *cat)
463 {
464   return (NULL != cat->reverse_variable_map_short);
465 }
466
467
468 /* This function must be called *before* any call to categoricals_get_*_by subscript and
469  *after* all calls to categoricals_update */
470 void
471 categoricals_done (const struct categoricals *cat_)
472 {
473   /* Implementation Note: Whilst this function is O(n) in cat->n_cats_total, in most
474      uses it will be more efficient that using a tree based structure, since it
475      is called only once, and means that subsequent lookups will be O(1).
476
477      1 call of O(n) + 10^9 calls of O(1) is better than 10^9 calls of O(log n).
478   */
479   struct categoricals *cat = CONST_CAST (struct categoricals *, cat_);
480   int v;
481   int i;
482   int idx_short = 0;
483   int idx_long = 0;
484   cat->df_sum = 0;
485   cat->n_cats_total = 0;
486
487   /* Calculate the degrees of freedom, and the number of categories */
488   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
489     {
490       int df = 1;
491       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
492
493       cat->iap[i].df_prod = iact->n_vars ? xcalloc (iact->n_vars, sizeof (int)) : NULL;
494
495       cat->iap[i].n_cats = 1;
496       
497       for (v = 0 ; v < iact->n_vars; ++v)
498         {
499           const struct variable *var = iact->vars[v];
500
501           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
502
503           if  (hmap_count (&vn->valmap) == 0)
504             {
505               cat->sane = false;
506               return;
507             }
508
509           cat->iap[i].df_prod[v] = df * (hmap_count (&vn->valmap) - 1);
510           df = cat->iap[i].df_prod[v];
511
512           cat->iap[i].n_cats *= hmap_count (&vn->valmap);
513         }
514
515       assert (v == iact->n_vars);
516       if (v > 0)
517         cat->df_sum += cat->iap[i].df_prod [v - 1];
518
519       cat->n_cats_total += cat->iap[i].n_cats;
520     }
521
522
523   cat->reverse_variable_map_short = pool_calloc (cat->pool,
524                                                  cat->df_sum,
525                                                  sizeof *cat->reverse_variable_map_short);
526
527   cat->reverse_variable_map_long = pool_calloc (cat->pool,
528                                                 cat->n_cats_total,
529                                                 sizeof *cat->reverse_variable_map_long);
530
531   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
532     {
533       struct interaction_value *ivn = NULL;
534       int x = 0;
535       int ii;
536       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
537
538       iap->base_subscript_short = idx_short;
539       iap->base_subscript_long = idx_long;
540
541       iap->reverse_interaction_value_map = pool_calloc (cat->pool, iap->n_cats,
542                                                         sizeof *iap->reverse_interaction_value_map);
543
544       HMAP_FOR_EACH (ivn, struct interaction_value, node, &iap->ivmap)
545         {
546           iap->reverse_interaction_value_map[x++] = ivn;
547
548         }
549
550       assert (x <= iap->n_cats);
551
552       /* For some purposes (eg CONTRASTS in ONEWAY) the values need to be sorted */
553       sort (iap->reverse_interaction_value_map, x, sizeof (*iap->reverse_interaction_value_map),
554             compare_interaction_value_3way, iap);
555
556       /* Fill the remaining values with null */
557       for (ii = x ; ii < iap->n_cats; ++ii)
558         iap->reverse_interaction_value_map[ii] = NULL;
559
560       /* Populate the reverse variable maps. */
561       if (iap->df_prod)
562         {
563           for (ii = 0; ii < iap->df_prod [iap->iact->n_vars - 1]; ++ii)
564             cat->reverse_variable_map_short[idx_short++] = i;
565         }
566
567       for (ii = 0; ii < iap->n_cats; ++ii)
568         cat->reverse_variable_map_long[idx_long++] = i;
569     }
570
571   assert (cat->n_vars <= cat->n_iap);
572
573   categoricals_dump (cat);
574
575   /* Tally up the sums for all the encodings */
576   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
577     {
578       int x, y;
579       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
580       const struct interaction *iact = iap->iact;
581
582       const int df = iap->df_prod ? iap->df_prod [iact->n_vars - 1] : 0;
583
584       iap->enc_sum = xcalloc (df, sizeof (*(iap->enc_sum)));
585
586       for (y = 0; y < hmap_count (&iap->ivmap); ++y)
587         {
588           struct interaction_value *iv = iap->reverse_interaction_value_map[y];
589           for (x = iap->base_subscript_short; x < iap->base_subscript_short + df ;++x)
590             {
591               const double bin = categoricals_get_code_for_case (cat, x, iv->ccase); \
592               iap->enc_sum [x - iap->base_subscript_short] += bin * iv->cc;
593             }
594           if (cat->payload && cat->payload->destroy)
595             cat->payload->destroy (cat->aux1, cat->aux2, iv->user_data);
596         }
597     }
598
599   cat->sane = true;
600 }
601
602
603 static int
604 reverse_variable_lookup_short (const struct categoricals *cat, int subscript)
605 {
606   assert (cat->reverse_variable_map_short);
607   assert (subscript >= 0);
608   assert (subscript < cat->df_sum);
609
610   return cat->reverse_variable_map_short[subscript];
611 }
612
613 static int
614 reverse_variable_lookup_long (const struct categoricals *cat, int subscript)
615 {
616   assert (cat->reverse_variable_map_long);
617   assert (subscript >= 0);
618   assert (subscript < cat->n_cats_total);
619
620   return cat->reverse_variable_map_long[subscript];
621 }
622
623
624 /* Return the interaction corresponding to SUBSCRIPT */
625 const struct interaction *
626 categoricals_get_interaction_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
627 {
628   int index = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
629
630   return cat->iap[index].iact;
631 }
632
633 double
634 categoricals_get_weight_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
635 {
636   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
637   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
638
639   return vp->cc;
640 }
641
642 double
643 categoricals_get_sum_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->enc_sum[subscript - vp->base_subscript_short];
649 }
650
651 /* Returns unity if the value in case C at SUBSCRIPT is equal to the category
652    for that subscript */
653 double
654 categoricals_get_code_for_case (const struct categoricals *cat, int subscript,
655                                 const struct ccase *c)
656 {
657   const struct interaction *iact = categoricals_get_interaction_by_subscript (cat, subscript);
658
659   const int i = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
660
661   const int base_index = cat->iap[i].base_subscript_short;
662
663   int v;
664   double result = 1.0;
665
666   const struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
667
668   double dfp = 1.0;
669   for (v = 0; v < iact->n_vars; ++v)
670     {
671       const struct variable *var = iact->vars[v];
672
673       const union value *val = case_data (c, var);
674       const int width = var_get_width (var);
675       const struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
676
677       const unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
678       const struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
679
680       double bin = 1.0;
681
682       const double df = iap->df_prod[v] / dfp;
683
684       /* Translate the subscript into an index for the individual variable */
685       const int index = ((subscript - base_index) % iap->df_prod[v] ) / dfp;
686       dfp = iap->df_prod [v];
687
688 #if EFFECTS_CODING
689       if ( valn->index == df )
690         bin = -1.0;
691       else 
692 #endif
693         if ( valn->index  != index )
694           bin = 0;
695     
696       result *= bin;
697     }
698
699   return result;
700 }
701
702
703 size_t
704 categoricals_get_n_variables (const struct categoricals *cat)
705 {
706   printf ("%s\n", __FUNCTION__);
707   return cat->n_vars;
708 }
709
710
711 /* Return a case containing the set of values corresponding to 
712    the Nth Category of the IACTth interaction */
713 const struct ccase *
714 categoricals_get_case_by_category_real (const struct categoricals *cat, int iact, int n)
715 {
716   const struct interaction_value *vn;
717
718   const struct interact_params *vp = &cat->iap[iact];
719
720   if ( n >= hmap_count (&vp->ivmap))
721     return NULL;
722
723   vn = vp->reverse_interaction_value_map [n];
724
725   return vn->ccase;
726 }
727
728 /* Return a the user data corresponding to the Nth Category of the IACTth interaction. */
729 void *
730 categoricals_get_user_data_by_category_real (const struct categoricals *cat, int iact, int n)
731 {
732   const struct interact_params *vp = &cat->iap[iact];
733   const struct interaction_value *iv ;
734
735   if ( n >= hmap_count (&vp->ivmap))
736     return NULL;
737
738   iv = vp->reverse_interaction_value_map [n];
739
740   return iv->user_data;
741 }
742
743
744
745 /* Return a case containing the set of values corresponding to SUBSCRIPT */
746 const struct ccase *
747 categoricals_get_case_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
748 {
749   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
750   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
751   const struct interaction_value *vn = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
752
753   return vn->ccase;
754 }
755
756 void *
757 categoricals_get_user_data_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
758 {
759   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
760   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
761
762   const struct interaction_value *iv = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
763   return iv->user_data;
764 }
765
766
767 \f
768
769 void
770 categoricals_set_payload (struct categoricals *cat, const struct payload *p,
771                           const void *aux1, void *aux2)
772 {
773   cat->payload = p;
774   cat->aux1 = aux1;
775   cat->aux2 = aux2;
776 }