cateoricals.c categoricals.h clean up.
[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   const double weight = cat->wv ? case_data (c, cat->wv)->f : 1.0;
362
363   assert (NULL == cat->reverse_variable_map_short);
364   assert (NULL == cat->reverse_variable_map_long);
365
366   /* Interate over each variable, and add the value of that variable
367      to the appropriate map, if it's not already present. */
368   HMAP_FOR_EACH (vn, struct variable_node, node, &cat->varmap)
369     {
370       const int width = var_get_width (vn->var);
371       const union value *val = case_data (c, vn->var);
372       unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
373
374       struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
375       if (valn == NULL)
376         {
377           valn = pool_malloc (cat->pool, sizeof *valn);
378           valn->index = vn->n_vals++;
379           value_init (&valn->val, width);
380           value_copy (&valn->val, val, width);
381           hmap_insert (&vn->valmap, &valn->node, hash);
382         }
383     }     
384   
385   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
386     {
387       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
388
389       size_t hash;
390       struct interaction_value *node;
391
392       if ( interaction_case_is_missing (iact, c, cat->fctr_excl))
393         continue;
394
395       hash = interaction_case_hash (iact, c, 0);
396       node = lookup_case (&cat->iap[i].ivmap, iact, c);
397
398       if ( NULL == node)
399         {
400           node = pool_malloc (cat->pool, sizeof *node);
401
402           node->ccase = case_ref (c);
403           node->cc = weight;
404
405           hmap_insert (&cat->iap[i].ivmap, &node->node, hash);
406
407           if (cat->payload) 
408             {
409               node->user_data = cat->payload->create (cat->aux1, cat->aux2);
410             }
411         }
412       else
413         {
414           node->cc += weight;
415         }
416       cat->iap[i].cc += weight;
417
418       if (cat->payload)
419         {
420           double weight = cat->wv ? case_data (c, cat->wv)->f : 1.0;
421           cat->payload->update (cat->aux1, cat->aux2, node->user_data, c, weight);
422         }
423
424     }
425 }
426
427 /* Return the number of categories (distinct values) for interction N */
428 size_t
429 categoricals_n_count (const struct categoricals *cat, size_t n)
430 {
431   return hmap_count (&cat->iap[n].ivmap);
432 }
433
434
435 size_t
436 categoricals_df (const struct categoricals *cat, size_t n)
437 {
438   const struct interact_params *iap = &cat->iap[n];
439   return iap->df_prod[iap->iact->n_vars - 1];
440 }
441
442
443 /* Return the total number of categories */
444 size_t
445 categoricals_n_total (const struct categoricals *cat)
446 {
447   if (!categoricals_is_complete (cat))
448     return 0;
449
450   return cat->n_cats_total;
451 }
452
453 size_t
454 categoricals_df_total (const struct categoricals *cat)
455 {
456   return cat->df_sum;
457 }
458
459 bool
460 categoricals_is_complete (const struct categoricals *cat)
461 {
462   return (NULL != cat->reverse_variable_map_short);
463 }
464
465
466 /* This function must be called *before* any call to categoricals_get_*_by subscript and
467  *after* all calls to categoricals_update */
468 void
469 categoricals_done (const struct categoricals *cat_)
470 {
471   /* Implementation Note: Whilst this function is O(n) in cat->n_cats_total, in most
472      uses it will be more efficient that using a tree based structure, since it
473      is called only once, and means that subsequent lookups will be O(1).
474
475      1 call of O(n) + 10^9 calls of O(1) is better than 10^9 calls of O(log n).
476   */
477   struct categoricals *cat = CONST_CAST (struct categoricals *, cat_);
478   int v;
479   int i;
480   int idx_short = 0;
481   int idx_long = 0;
482   cat->df_sum = 0;
483   cat->n_cats_total = 0;
484
485   /* Calculate the degrees of freedom, and the number of categories */
486   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
487     {
488       int df = 1;
489       const struct interaction *iact = cat->iap[i].iact;
490
491       cat->iap[i].df_prod = iact->n_vars ? xcalloc (iact->n_vars, sizeof (int)) : NULL;
492
493       cat->iap[i].n_cats = 1;
494       
495       for (v = 0 ; v < iact->n_vars; ++v)
496         {
497           const struct variable *var = iact->vars[v];
498
499           struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
500
501           if  (hmap_count (&vn->valmap) == 0)
502             {
503               cat->sane = false;
504               return;
505             }
506
507           cat->iap[i].df_prod[v] = df * (hmap_count (&vn->valmap) - 1);
508           df = cat->iap[i].df_prod[v];
509
510           cat->iap[i].n_cats *= hmap_count (&vn->valmap);
511         }
512
513       assert (v == iact->n_vars);
514       if (v > 0)
515         cat->df_sum += cat->iap[i].df_prod [v - 1];
516
517       cat->n_cats_total += cat->iap[i].n_cats;
518     }
519
520
521   cat->reverse_variable_map_short = pool_calloc (cat->pool,
522                                                  cat->df_sum,
523                                                  sizeof *cat->reverse_variable_map_short);
524
525   cat->reverse_variable_map_long = pool_calloc (cat->pool,
526                                                 cat->n_cats_total,
527                                                 sizeof *cat->reverse_variable_map_long);
528
529   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
530     {
531       struct interaction_value *ivn = NULL;
532       int x = 0;
533       int ii;
534       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
535
536       iap->base_subscript_short = idx_short;
537       iap->base_subscript_long = idx_long;
538
539       iap->reverse_interaction_value_map = pool_calloc (cat->pool, iap->n_cats,
540                                                         sizeof *iap->reverse_interaction_value_map);
541
542       HMAP_FOR_EACH (ivn, struct interaction_value, node, &iap->ivmap)
543         {
544           iap->reverse_interaction_value_map[x++] = ivn;
545         }
546
547       assert (x <= iap->n_cats);
548
549       /* For some purposes (eg CONTRASTS in ONEWAY) the values need to be sorted */
550       sort (iap->reverse_interaction_value_map, x, sizeof (*iap->reverse_interaction_value_map),
551             compare_interaction_value_3way, iap);
552
553       /* Fill the remaining values with null */
554       for (ii = x ; ii < iap->n_cats; ++ii)
555         iap->reverse_interaction_value_map[ii] = NULL;
556
557       /* Populate the reverse variable maps. */
558       if (iap->df_prod)
559         {
560           for (ii = 0; ii < iap->df_prod [iap->iact->n_vars - 1]; ++ii)
561             cat->reverse_variable_map_short[idx_short++] = i;
562         }
563
564       for (ii = 0; ii < iap->n_cats; ++ii)
565         cat->reverse_variable_map_long[idx_long++] = i;
566     }
567
568   assert (cat->n_vars <= cat->n_iap);
569
570   categoricals_dump (cat);
571
572   /* Tally up the sums for all the encodings */
573   for (i = 0 ; i < cat->n_iap; ++i)
574     {
575       int x, y;
576       struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
577       const struct interaction *iact = iap->iact;
578
579       const int df = iap->df_prod ? iap->df_prod [iact->n_vars - 1] : 0;
580
581       iap->enc_sum = xcalloc (df, sizeof (*(iap->enc_sum)));
582
583       for (y = 0; y < hmap_count (&iap->ivmap); ++y)
584         {
585           struct interaction_value *iv = iap->reverse_interaction_value_map[y];
586           for (x = iap->base_subscript_short; x < iap->base_subscript_short + df ;++x)
587             {
588               const double bin = categoricals_get_code_for_case (cat, x, iv->ccase); \
589               iap->enc_sum [x - iap->base_subscript_short] += bin * iv->cc;
590             }
591           if (cat->payload && cat->payload->calculate)
592             cat->payload->calculate (cat->aux1, cat->aux2, iv->user_data);
593         }
594     }
595
596   cat->sane = true;
597 }
598
599
600 static int
601 reverse_variable_lookup_short (const struct categoricals *cat, int subscript)
602 {
603   assert (cat->reverse_variable_map_short);
604   assert (subscript >= 0);
605   assert (subscript < cat->df_sum);
606
607   return cat->reverse_variable_map_short[subscript];
608 }
609
610 static int
611 reverse_variable_lookup_long (const struct categoricals *cat, int subscript)
612 {
613   assert (cat->reverse_variable_map_long);
614   assert (subscript >= 0);
615   assert (subscript < cat->n_cats_total);
616
617   return cat->reverse_variable_map_long[subscript];
618 }
619
620
621 /* Return the interaction corresponding to SUBSCRIPT */
622 const struct interaction *
623 categoricals_get_interaction_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
624 {
625   int index = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
626
627   return cat->iap[index].iact;
628 }
629
630 double
631 categoricals_get_weight_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
632 {
633   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
634   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
635
636   return vp->cc;
637 }
638
639 double
640 categoricals_get_sum_by_subscript (const struct categoricals *cat, int subscript)
641 {
642   int vindex = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
643   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
644
645   return   vp->enc_sum[subscript - vp->base_subscript_short];
646 }
647
648 /* Returns unity if the value in case C at SUBSCRIPT is equal to the category
649    for that subscript */
650 double
651 categoricals_get_code_for_case (const struct categoricals *cat, int subscript,
652                                 const struct ccase *c)
653 {
654   const struct interaction *iact = categoricals_get_interaction_by_subscript (cat, subscript);
655
656   const int i = reverse_variable_lookup_short (cat, subscript);
657
658   const int base_index = cat->iap[i].base_subscript_short;
659
660   int v;
661   double result = 1.0;
662
663   const struct interact_params *iap = &cat->iap[i];
664
665   double dfp = 1.0;
666   for (v = 0; v < iact->n_vars; ++v)
667     {
668       const struct variable *var = iact->vars[v];
669
670       const union value *val = case_data (c, var);
671       const int width = var_get_width (var);
672       const struct variable_node *vn = lookup_variable (&cat->varmap, var, hash_pointer (var, 0));
673
674       const unsigned int hash = value_hash (val, width, 0);
675       const struct value_node *valn = lookup_value (&vn->valmap, val, hash, width);
676
677       double bin = 1.0;
678
679       const double df = iap->df_prod[v] / dfp;
680
681       /* Translate the subscript into an index for the individual variable */
682       const int index = ((subscript - base_index) % iap->df_prod[v] ) / dfp;
683       dfp = iap->df_prod [v];
684
685 #if EFFECTS_CODING
686       if ( valn->index == df )
687         bin = -1.0;
688       else 
689 #endif
690         if ( valn->index  != index )
691           bin = 0;
692     
693       result *= bin;
694     }
695
696   return result;
697 }
698
699
700 size_t
701 categoricals_get_n_variables (const struct categoricals *cat)
702 {
703   printf ("%s\n", __FUNCTION__);
704   return cat->n_vars;
705 }
706
707
708 /* Return a case containing the set of values corresponding to 
709    the Nth Category of the IACTth interaction */
710 const struct ccase *
711 categoricals_get_case_by_category_real (const struct categoricals *cat, int iact, int n)
712 {
713   const struct interaction_value *vn;
714
715   const struct interact_params *vp = &cat->iap[iact];
716
717   if ( n >= hmap_count (&vp->ivmap))
718     return NULL;
719
720   vn = vp->reverse_interaction_value_map [n];
721
722   return vn->ccase;
723 }
724
725 /* Return a the user data corresponding to the Nth Category of the IACTth interaction. */
726 void *
727 categoricals_get_user_data_by_category_real (const struct categoricals *cat, int iact, int n)
728 {
729   const struct interact_params *vp = &cat->iap[iact];
730   const struct interaction_value *iv ;
731
732   if ( n >= hmap_count (&vp->ivmap))
733     return NULL;
734
735   iv = vp->reverse_interaction_value_map [n];
736
737   return iv->user_data;
738 }
739
740
741
742 /* Return a case containing the set of values corresponding to SUBSCRIPT */
743 const struct ccase *
744 categoricals_get_case_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
745 {
746   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
747   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
748   const struct interaction_value *vn = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
749
750   return vn->ccase;
751 }
752
753 void *
754 categoricals_get_user_data_by_category (const struct categoricals *cat, int subscript)
755 {
756   int vindex = reverse_variable_lookup_long (cat, subscript);
757   const struct interact_params *vp = &cat->iap[vindex];
758
759   const struct interaction_value *iv = vp->reverse_interaction_value_map [subscript - vp->base_subscript_long];
760   return iv->user_data;
761 }
762
763
764 \f
765
766 void
767 categoricals_set_payload (struct categoricals *cat, const struct payload *p,
768                           const void *aux1, void *aux2)
769 {
770   cat->payload = p;
771   cat->aux1 = aux1;
772   cat->aux2 = aux2;
773 }