Make categoricals own its interactions
[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   const struct payload *payload;
178 };
179
180 static void
181 categoricals_dump (const struct categoricals *cat)
182 {
183   if (CATEGORICALS_DEBUG)
184     {
185       int i;
186
187       printf ("Reverse Variable Map (short):\n");
188       for (i = 0; i < cat->df_sum; ++i)
189         {
190           printf (" %d", cat->reverse_variable_map_short[i]);
191         }
192       printf ("\n");
193
194       printf ("Reverse Variable Map (long):\n");
195       for (i = 0; i < cat->n_cats_total; ++i)
196         {
197           printf (" %d", cat->reverse_variable_map_long[i]);
198         }
199       printf ("\n");
200
201
202       printf ("Number of interactions %d\n", cat->n_iap);
203       for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
204         {
205           int v;
206           struct string str;
207           const struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
208           const struct interaction *iact = iap->iact;
209
210           ds_init_empty (&str);
211           interaction_to_string (iact, &str);
212
213           printf ("\nInteraction: %s (n: %d); ", ds_cstr (&str), iap->n_cats);
214           ds_destroy (&str);
215           printf ("Base subscript: %d\n", iap->base_subscript_short);
216
217           printf ("\t(");
218           for (v = 0; v < hmap_count (&iap->ivmap); ++v)
219             {
220               int vv;
221               const struct interaction_value *iv = iap->reverse_interaction_value_map[v];
222           
223               if (v > 0)  printf ("   ");
224               printf ("{");
225               for (vv = 0; vv < iact->n_vars; ++vv)
226                 {
227                   const struct variable *var = iact->vars[vv];
228                   const union value *val = case_data (iv->ccase, var);
229               
230                   printf ("%g", val->f);
231                   if (vv < iact->n_vars - 1)
232                     printf (", ");
233                 }
234               printf ("}");
235             }
236           printf (")\n");
237         }
238     }
239 }
240
241 void
242 categoricals_destroy (struct categoricals *cat)
243 {
244   struct variable_node *vn = NULL;
245   int i;
246   if (NULL == cat)
247     return;
248   for (i = 0; i < cat->n_iap; ++i)
249     {
250       struct interaction_value *iv = NULL;
251       /* Interate over each interaction value, and unref any cases that we reffed */
252       HMAP_FOR_EACH (iv, struct interaction_value, node, &cat->iap[i].ivmap)
253         {
254 #if 0
255           if (cat->payload)
256             cat->payload->destroy (cat->aux1, iv->user_data);
257 #endif
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
300 struct categoricals *
301 categoricals_create (struct interaction *const*inter, size_t n_inter,
302                      const struct variable *wv, enum mv_class dep_excl, enum mv_class fctr_excl)
303 {
304   size_t i;
305   struct categoricals *cat = xmalloc (sizeof *cat);
306   
307   cat->n_iap = n_inter;
308   cat->wv = wv;
309   cat->n_cats_total = 0;
310   cat->n_vars = 0;
311   cat->reverse_variable_map_short = NULL;
312   cat->reverse_variable_map_long = NULL;
313   cat->pool = pool_create ();
314   cat->dep_excl = dep_excl;
315   cat->fctr_excl = fctr_excl;
316   cat->payload = NULL;
317   cat->aux2 = NULL;
318
319   cat->iap = pool_calloc (cat->pool, cat->n_iap, sizeof *cat->iap);
320
321   hmap_init (&cat->varmap);
322   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
323     {
324       int v;
325       hmap_init (&cat->iap[i].ivmap);
326       cat->iap[i].iact = inter[i];
327       cat->iap[i].cc = 0.0;
328       for (v = 0; v < inter[i]->n_vars; ++v)
329         {
330           const struct variable *var = inter[i]->vars[v];
331           unsigned int hash = hash_pointer (var, 0);
332           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash);
333           if (vn == NULL)
334             {
335               vn = pool_malloc (cat->pool, sizeof *vn);
336               vn->var = var;
337               vn->n_vals = 0;
338               hmap_init (&vn->valmap);
339
340               hmap_insert (&cat->varmap, &vn->node,  hash);
341             }
342         }
343     }
344
345   return cat;
346 }
347
348
349
350 void
351 categoricals_update (struct categoricals *cat, const struct ccase *c)
352 {
353   int i;
354   struct variable_node *vn = NULL;
355   const double weight = cat->wv ? case_data (c, cat->wv)->f : 1.0;
356
357   assert (NULL == cat->reverse_variable_map_short);
358   assert (NULL == cat->reverse_variable_map_long);
359
360   /* Interate over each variable, and add the value of that variable
361      to the appropriate map, if it's not already present. */
362   HMAP_FOR_EACH (vn, struct variable_node, node, &cat->varmap)
363     {
364       const int width = var_get_width (vn->var);
365       const union value *val = case_data (c, vn->var);
366       unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
367
368       struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
369       if (valn == NULL)
370         {
371           valn = pool_malloc (cat->pool, sizeof *valn);
372           valn->index = vn->n_vals++;
373           value_init (&valn->val, width);
374           value_copy (&valn->val, val, width);
375           hmap_insert (&vn->valmap, &valn->node, hash);
376         }
377     }     
378   
379   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
380     {
381       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
382
383       size_t hash;
384       struct interaction_value *node;
385
386       if ( interaction_case_is_missing (iact, c, cat->fctr_excl))
387         continue;
388
389       hash = interaction_case_hash (iact, c, 0);
390       node = lookup_case (&cat->iap[i].ivmap, iact, c);
391
392       if ( NULL == node)
393         {
394           node = pool_malloc (cat->pool, sizeof *node);
395
396           node->ccase = case_ref (c);
397           node->cc = weight;
398
399           hmap_insert (&cat->iap[i].ivmap, &node->node, hash);
400
401           if (cat->payload) 
402             {
403               node->user_data = cat->payload->create (cat->aux1, cat->aux2);
404             }
405         }
406       else
407         {
408           node->cc += weight;
409         }
410       cat->iap[i].cc += weight;
411
412       if (cat->payload)
413         {
414           double weight = cat->wv ? case_data (c, cat->wv)->f : 1.0;
415           cat->payload->update (cat->aux1, cat->aux2, node->user_data, c, weight);
416         }
417
418     }
419 }
420
421 /* Return the number of categories (distinct values) for interction N */
422 size_t
423 categoricals_n_count (const struct categoricals *cat, size_t n)
424 {
425   return hmap_count (&cat->iap[n].ivmap);
426 }
427
428
429 size_t
430 categoricals_df (const struct categoricals *cat, size_t n)
431 {
432   const struct interact_params *iap = &cat->iap[n];
433   return iap->df_prod[iap->iact->n_vars - 1];
434 }
435
436
437 /* Return the total number of categories */
438 size_t
439 categoricals_n_total (const struct categoricals *cat)
440 {
441   if (!categoricals_is_complete (cat))
442     return 0;
443
444   return cat->n_cats_total;
445 }
446
447 size_t
448 categoricals_df_total (const struct categoricals *cat)
449 {
450   return cat->df_sum;
451 }
452
453 bool
454 categoricals_is_complete (const struct categoricals *cat)
455 {
456   return (NULL != cat->reverse_variable_map_short);
457 }
458
459
460 /* This function must be called *before* any call to categoricals_get_*_by subscript and
461  *after* all calls to categoricals_update */
462 bool
463 categoricals_done (const struct categoricals *cat_)
464 {
465   /* Implementation Note: Whilst this function is O(n) in cat->n_cats_total, in most
466      uses it will be more efficient that using a tree based structure, since it
467      is called only once, and means that subsequent lookups will be O(1).
468
469      1 call of O(n) + 10^9 calls of O(1) is better than 10^9 calls of O(log n).
470   */
471   struct categoricals *cat = CONST_CAST (struct categoricals *, cat_);
472   int v;
473   int i;
474   int idx_short = 0;
475   int idx_long = 0;
476   cat->df_sum = 0;
477   cat->n_cats_total = 0;
478
479   /* Calculate the degrees of freedom, and the number of categories */
480   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
481     {
482       int df = 1;
483       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
484
485       cat->iap[i].df_prod = iact->n_vars ? xcalloc (iact->n_vars, sizeof (int)) : NULL;
486
487       cat->iap[i].n_cats = 1;
488       
489       for (v = 0 ; v < iact->n_vars; ++v)
490         {
491           const struct variable *var = iact->vars[v];
492
493           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
494
495           if  (hmap_count (&vn->valmap) == 0)
496             return false;
497
498           cat->iap[i].df_prod[v] = df * (hmap_count (&vn->valmap) - 1);
499           df = cat->iap[i].df_prod[v];
500
501           cat->iap[i].n_cats *= hmap_count (&vn->valmap);
502         }
503
504       assert (v == iact->n_vars);
505       if (v > 0)
506         cat->df_sum += cat->iap[i].df_prod [v - 1];
507
508       cat->n_cats_total += cat->iap[i].n_cats;
509     }
510
511
512   cat->reverse_variable_map_short = pool_calloc (cat->pool,
513                                                  cat->df_sum,
514                                                  sizeof *cat->reverse_variable_map_short);
515
516   cat->reverse_variable_map_long = pool_calloc (cat->pool,
517                                                 cat->n_cats_total,
518                                                 sizeof *cat->reverse_variable_map_long);
519
520   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
521     {
522       struct interaction_value *ivn = NULL;
523       int x = 0;
524       int ii;
525       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
526
527       iap->base_subscript_short = idx_short;
528       iap->base_subscript_long = idx_long;
529
530       iap->reverse_interaction_value_map = pool_calloc (cat->pool, iap->n_cats,
531                                                         sizeof *iap->reverse_interaction_value_map);
532
533       HMAP_FOR_EACH (ivn, struct interaction_value, node, &iap->ivmap)
534         {
535           iap->reverse_interaction_value_map[x++] = ivn;
536
537         }
538
539       assert (x <= iap->n_cats);
540
541       /* For some purposes (eg CONTRASTS in ONEWAY) the values need to be sorted */
542       sort (iap->reverse_interaction_value_map, x, sizeof (*iap->reverse_interaction_value_map),
543             compare_interaction_value_3way, iap);
544
545       /* Fill the remaining values with null */
546       for (ii = x ; ii < iap->n_cats; ++ii)
547         iap->reverse_interaction_value_map[ii] = NULL;
548
549       /* Populate the reverse variable maps. */
550       if (iap->df_prod)
551         {
552           for (ii = 0; ii < iap->df_prod [iap->iact->n_vars - 1]; ++ii)
553             cat->reverse_variable_map_short[idx_short++] = i;
554         }
555
556       for (ii = 0; ii < iap->n_cats; ++ii)
557         cat->reverse_variable_map_long[idx_long++] = i;
558     }
559
560   assert (cat->n_vars <= cat->n_iap);
561
562   categoricals_dump (cat);
563
564   /* Tally up the sums for all the encodings */
565   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
566     {
567       int x, y;
568       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
569       const struct interaction *iact = iap->iact;
570
571       const int df = iap->df_prod ? iap->df_prod [iact->n_vars - 1] : 0;
572
573       iap->enc_sum = xcalloc (df, sizeof (*(iap->enc_sum)));
574
575       for (y = 0; y < hmap_count (&iap->ivmap); ++y)
576         {
577           struct interaction_value *iv = iap->reverse_interaction_value_map[y];
578           for (x = iap->base_subscript_short; x < iap->base_subscript_short + df ;++x)
579             {
580               const double bin = categoricals_get_code_for_case (cat, x, iv->ccase); \
581               iap->enc_sum [x - iap->base_subscript_short] += bin * iv->cc;
582             }
583           if (cat->payload && cat->payload->destroy)
584             cat->payload->destroy (cat->aux1, cat->aux2, iv->user_data);
585         }
586     }
587
588   return true;
589 }
590
591
592 static int
593 reverse_variable_lookup_short (const struct categoricals *cat, int subscript)
594 {
595   assert (cat->reverse_variable_map_short);
596   assert (subscript >= 0);
597   assert (subscript < cat->df_sum);
598
599   return cat->reverse_variable_map_short[subscript];
600 }
601
602 static int
603 reverse_variable_lookup_long (const struct categoricals *cat, int subscript)
604 {
605   assert (cat->reverse_variable_map_long);
606   assert (subscript >= 0);
607   assert (subscript < cat->n_cats_total);
608
609   return cat->reverse_variable_map_long[subscript];
610 }
611
612
613 /* Return the interaction corresponding to SUBSCRIPT */
614 const struct interaction *
615 categoricals_get_interaction_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
616 {
617   int index = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
618
619   return cat->iap[index].iact;
620 }
621
622 double
623 categoricals_get_weight_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
624 {
625   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
626   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
627
628   return vp->cc;
629 }
630
631 double
632 categoricals_get_sum_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
633 {
634   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
635   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
636
637   return   vp->enc_sum[subscript - vp->base_subscript_short];
638 }
639
640 /* Returns unity if the value in case C at SUBSCRIPT is equal to the category
641    for that subscript */
642 double
643 categoricals_get_code_for_case (const struct categoricals *cat, int subscript,
644                                 const struct ccase *c)
645 {
646   const struct interaction *iact = categoricals_get_interaction_by_subscript (cat, subscript);
647
648   const int i = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
649
650   const int base_index = cat->iap[i].base_subscript_short;
651
652   int v;
653   double result = 1.0;
654
655   const struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
656
657   double dfp = 1.0;
658   for (v = 0; v < iact->n_vars; ++v)
659     {
660       const struct variable *var = iact->vars[v];
661
662       const union value *val = case_data (c, var);
663       const int width = var_get_width (var);
664       const struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
665
666       const unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
667       const struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
668
669       double bin = 1.0;
670
671       const double df = iap->df_prod[v] / dfp;
672
673       /* Translate the subscript into an index for the individual variable */
674       const int index = ((subscript - base_index) % iap->df_prod[v] ) / dfp;
675       dfp = iap->df_prod [v];
676
677 #if EFFECTS_CODING
678       if ( valn->index == df )
679         bin = -1.0;
680       else 
681 #endif
682         if ( valn->index  != index )
683           bin = 0;
684     
685       result *= bin;
686     }
687
688   return result;
689 }
690
691
692 size_t
693 categoricals_get_n_variables (const struct categoricals *cat)
694 {
695   printf ("%s\n", __FUNCTION__);
696   return cat->n_vars;
697 }
698
699
700 /* Return a case containing the set of values corresponding to 
701    the Nth Category of the IACTth interaction */
702 const struct ccase *
703 categoricals_get_case_by_category_real (const struct categoricals *cat, int iact, int n)
704 {
705   const struct interaction_value *vn;
706
707   const struct interact_params *vp = &cat->iap[iact];
708
709   if ( n >= hmap_count (&vp->ivmap))
710     return NULL;
711
712   vn = vp->reverse_interaction_value_map [n];
713
714   return vn->ccase;
715 }
716
717 /* Return a the user data corresponding to the Nth Category of the IACTth interaction. */
718 void *
719 categoricals_get_user_data_by_category_real (const struct categoricals *cat, int iact, int n)
720 {
721   const struct interact_params *vp = &cat->iap[iact];
722   const struct interaction_value *iv ;
723
724   if ( n >= hmap_count (&vp->ivmap))
725     return NULL;
726
727   iv = vp->reverse_interaction_value_map [n];
728
729   return iv->user_data;
730 }
731
732
733
734 /* Return a case containing the set of values corresponding to SUBSCRIPT */
735 const struct ccase *
736 categoricals_get_case_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
737 {
738   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
739   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
740   const struct interaction_value *vn = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
741
742   return vn->ccase;
743 }
744
745 void *
746 categoricals_get_user_data_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
747 {
748   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
749   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
750
751   const struct interaction_value *iv = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
752   return iv->user_data;
753 }
754
755
756 \f
757
758 void
759 categoricals_set_payload (struct categoricals *cat, const struct payload *p,
760                           const void *aux1, void *aux2)
761 {
762   cat->payload = p;
763   cat->aux1 = aux1;
764   cat->aux2 = aux2;
765 }