- Solved the proliferation of type checks for different DAI_ENUM's in properties.cpp
[libdai.git] / include / dai / bipgraph.h
index ef8e4cb..b385476 100644 (file)
@@ -23,7 +23,9 @@
 #define __defined_libdai_bipgraph_h
 
 
+#include <ostream>
 #include <vector>
+#include <cassert>
 #include <algorithm>
 #include <dai/util.h>
 
 namespace dai {
 
 
-/// A BipartiteGraph represents a bipartite graph, with two types of nodes (both are numbered
-/// as 0,1,2,...), with edges only between nodes of different type. The edges are stored as 
-/// lists of adjacent nodes for each node.
+/// A BipartiteGraph represents the neighborhood structure of nodes in a bipartite graph.
+/** A bipartite graph has two types of nodes: type 1 and type 2. Edges can occur only between
+ *  nodes of different type. Nodes are indexed by an unsigned integer, edges are indexed as
+ *  a pair of unsigned integers, where the pair (a,b) means the b'th neighbor of the a'th node.
+ *  The BipartiteGraph stores neighborhood structures as vectors of vectors of Neighbor entries:
+ *  each node has a vector of Neighbor entries, which is also known as a Neighbors type.
+ */
 class BipartiteGraph {
     public:
-        /// A Neighbor describes a neighboring node of some other node.
-        /** Iterating over all neighbors of some node i can be done in the following way:
+        /// A Neighbor describes a neighboring node of some other node in a BipartiteGraph.
+        /** Iterating over all neighbors of node n1 of type 1 can be done in the following way:
          *  \code
-         *      foreach( const BipartiteGraph::Neighbor &I, nb1(i) ) {
-         *          size_t _I = I.iter;
-         *          size_t _i = I.dual;
-         *          // I == I.node;
-         *          // The _I'th neighbor of i is I, and the _i'th neighbor of I is i:
-         *          // nb1(i)[_I] == I, nb2(I)[_i] == i
+         *      foreach( const BipartiteGraph::Neighbor &n2, nb1(n1) ) {
+         *          size_t _n2 = n2.iter;
+         *          size_t _n1 = n2.dual;
+         *          // n2 == n2.node;
+         *          // The _n2'th neighbor of n1 is n2, and the _n1'th neighbor of n2 is n1:
+         *          // nb1(n1)[_n2] == n2, nb2(n2)[_n1] == n1 
          *      }
          *  \endcode
          */
         struct Neighbor {
-            /// iter corresponds to the index of this Neighbor entry in the list of neighbors
+            /// Corresponds to the index of this Neighbor entry in the vector of neighbors
             unsigned iter;
-            /// node contains the number of the neighboring node
+            /// Contains the number of the neighboring node
             unsigned node;
-            /// dual contains the "dual" iter
+            /// Contains the "dual" iter
             unsigned dual;
-            /// cast to unsigned returns node
-            operator unsigned () const { return node; };
+            /// Cast to unsigned returns node member
+            operator unsigned () const { return node; }
+            /// Default constructor
+            Neighbor() {}
+            /// Constructor
+            Neighbor( size_t iter, size_t node, size_t dual ) : iter(iter), node(node), dual(dual) {}
         };
 
-        /// Neighbors is a vector of Neigbor entries
+        /// Neighbors is a vector of Neighbor entries; each node has an associated Neighbors variable, which describes its neighbors.
         typedef std::vector<Neighbor> Neighbors;
 
+        /// Edge is used as index of an edge: an Edge(a,b) corresponds to the edge between the a'th node and its b'th neighbor. It depends on the context whether the first node (with index a) is of type 1 or of type 2.
+        typedef std::pair<size_t,size_t> Edge;
+
     private:
-        /// _nb1 contains for each node of the first kind a list of its neighbors
+        /// _nb1 contains for each node of type 1 a vector of its neighbors
         std::vector<Neighbors> _nb1;
-        /// _nb2 contains for each node of the second kind a list of its neighbors
+        /// _nb2 contains for each node of type 2 a vector of its neighbors
         std::vector<Neighbors> _nb2;
 
+        /// Used internally by isTree()
+        struct levelType {
+            std::vector<size_t> ind1;       // indices of vertices of type 1
+            std::vector<size_t> ind2;       // indices of vertices of type 2
+        };
+
     public:
         /// Default constructor
         BipartiteGraph() : _nb1(), _nb2() {}
@@ -84,109 +103,198 @@ class BipartiteGraph {
             return *this;
         }
 
-        /// Create bipartite graph from a range of edges, encoded as pairs of node numbers
-        /// (more precisely, a std::pair<unsigned, unsigned> where the first integer corresponds
-        /// to the node of the first type, and the second integer corresponds to the node of the
-        /// second type). nr1 is the number of nodes of the first type, nr2 the number of nodes
-        /// of the second type.
+        /// Create bipartite graph from a range of edges. 
+        /** nr1 is the number of nodes of type 1, nr2 the number of nodes of type 2. 
+         *  The value_type of an EdgeInputIterator should be Edge.
+         */
         template<typename EdgeInputIterator>
         void create( size_t nr1, size_t nr2, EdgeInputIterator begin, EdgeInputIterator end );
 
-        /// Construct bipartite graph from a range of edges, encoded as pairs of node numbers
-        /// (more precisely, a std::pair<unsigned, unsigned> where the first integer corresponds
-        /// to the node of the first type, and the second integer corresponds to the node of the
-        /// second type). nr1 is the number of nodes of the first type, nr2 the number of nodes
-        /// of the second type.
+        /// Construct bipartite graph from a range of edges. 
+        /** nr1 is the number of nodes of type 1, nr2 the number of nodes of type 2. 
+         *  The value_type of an EdgeInputIterator should be Edge.
+         */
         template<typename EdgeInputIterator>
         BipartiteGraph( size_t nr1, size_t nr2, EdgeInputIterator begin, EdgeInputIterator end ) : _nb1( nr1 ), _nb2( nr2 ) {
             create( nr1, nr2, begin, end );
         }
 
-        /// Returns constant reference to the _i2'th neighbor of node i1 of first type
-        const Neighbor & nb1( size_t i1, size_t _i2 ) const { return _nb1[i1][_i2]; }
-        /// Returns reference to the _i2'th neighbor of node i1 of first type
-        Neighbor & nb1( size_t i1, size_t _i2 ) { return _nb1[i1][_i2]; }
+        /// Returns constant reference to the _i2'th neighbor of node i1 of type 1
+        const Neighbor & nb1( size_t i1, size_t _i2 ) const { 
+#ifdef DAI_DEBUG
+            assert( i1 < _nb1.size() );
+            assert( _i2 < _nb1[i1].size() );
+#endif
+            return _nb1[i1][_i2]; 
+        }
+        /// Returns reference to the _i2'th neighbor of node i1 of type 1
+        Neighbor & nb1( size_t i1, size_t _i2 ) {
+#ifdef DAI_DEBUG
+            assert( i1 < _nb1.size() );
+            assert( _i2 < _nb1[i1].size() );
+#endif
+            return _nb1[i1][_i2]; 
+        }
 
-        /// Returns constant reference to the _i1'th neighbor of node i2 of second type
-        const Neighbor & nb2( size_t i2, size_t _i1 ) const { return _nb2[i2][_i1]; }
-        /// Returns reference to the _i1'th neighbor of node i2 of second type
-        Neighbor & nb2( size_t i2, size_t _i1 ) { return _nb2[i2][_i1]; }
+        /// Returns constant reference to the _i1'th neighbor of node i2 of type 2
+        const Neighbor & nb2( size_t i2, size_t _i1 ) const { 
+#ifdef DAI_DEBUG
+            assert( i2 < _nb2.size() );
+            assert( _i1 < _nb2[i2].size() );
+#endif
+            return _nb2[i2][_i1]; 
+        }
+        /// Returns reference to the _i1'th neighbor of node i2 of type 2
+        Neighbor & nb2( size_t i2, size_t _i1 ) { 
+#ifdef DAI_DEBUG
+            assert( i2 < _nb2.size() );
+            assert( _i1 < _nb2[i2].size() );
+#endif
+            return _nb2[i2][_i1]; 
+        }
 
-        /// Returns constant reference to all neighbors of node of first type
-        const Neighbors & nb1( size_t i1 ) const { return _nb1[i1]; }
-        /// Returns reference to all neighbors of node of first type
-        Neighbors & nb1( size_t i1 ) { return _nb1[i1]; }
+        /// Returns constant reference to all neighbors of node i1 of type 1
+        const Neighbors & nb1( size_t i1 ) const { 
+#ifdef DAI_DEBUG
+            assert( i1 < _nb1.size() );
+#endif
+            return _nb1[i1]; 
+        }
+        /// Returns reference to all neighbors of node of i1 type 1
+        Neighbors & nb1( size_t i1 ) { 
+#ifdef DAI_DEBUG
+            assert( i1 < _nb1.size() );
+#endif
+            return _nb1[i1]; 
+        }
 
-        /// Returns constant reference to all neighbors of node of second type
-        const Neighbors & nb2( size_t i2 ) const { return _nb2[i2]; }
-        /// Returns reference to all neighbors of node of second type
-        Neighbors & nb2( size_t i2 ) { return _nb2[i2]; }
+        /// Returns constant reference to all neighbors of node i2 of type 2
+        const Neighbors & nb2( size_t i2 ) const { 
+#ifdef DAI_DEBUG
+            assert( i2 < _nb2.size() );
+#endif
+            return _nb2[i2]; 
+        }
+        /// Returns reference to all neighbors of node i2 of type 2
+        Neighbors & nb2( size_t i2 ) { 
+#ifdef DAI_DEBUG
+            assert( i2 < _nb2.size() );
+#endif
+            return _nb2[i2]; 
+        }
 
-        /// Returns number of nodes of first type
+        /// Returns number of nodes of type 1
         size_t nr1() const { return _nb1.size(); }
-        /// Returns number of nodes of second type
+        /// Returns number of nodes of type 2
         size_t nr2() const { return _nb2.size(); }
         
-        /// Calculates the number of edges
+        /// Calculates the number of edges, using O(nr1()) time
         size_t nrEdges() const {
             size_t sum = 0;
             for( size_t i1 = 0; i1 < nr1(); i1++ )
                 sum += nb1(i1).size();
             return sum;
         }
+        
+        /// Add node of type 1 without neighbors.
+        void add1() { _nb1.push_back( Neighbors() ); }
+        
+        /// Add node of type 2 without neighbors.
+        void add2() { _nb2.push_back( Neighbors() ); }
+
+        /// Add node of type 1 with neighbors specified by a range.
+        /** The value_type of an NodeInputIterator should be a size_t, corresponding to
+         *  the indices of nodes of type 2 that should become neighbors of the added node.
+         *  For improved efficiency, the size of the range may be specified by sizeHint.
+         */
+        template <typename NodeInputIterator>
+        void add1( NodeInputIterator begin, NodeInputIterator end, size_t sizeHint = 0 ) {
+            Neighbors nbs1new;
+            nbs1new.reserve( sizeHint );
+            size_t iter = 0;
+            for( NodeInputIterator it = begin; it != end; ++it ) {
+                assert( *it < nr2() );
+                Neighbor nb1new( iter, *it, nb2(*it).size() );
+                Neighbor nb2new( nb2(*it).size(), nr1(), iter++ );
+                nbs1new.push_back( nb1new );
+                nb2( *it ).push_back( nb2new );
+            }
+            _nb1.push_back( nbs1new );
+        }
 
-        /// Returns true if the graph is connected
-        /// FIXME: this should be optimized
-        bool isConnected() const {
-            if( nr1() == 0 ) {
-                return true;
-            } else {
-                std::vector<bool> incomponent1( nr1(), false );
-                std::vector<bool> incomponent2( nr2(), false );
-
-                incomponent1[0] = true;
-                bool found_new_nodes;
-                do {
-                    found_new_nodes = false;
-
-                    // For all nodes of second type, check if they are connected with the (growing) component
-                    for( size_t n2 = 0; n2 < nr2(); n2++ )
-                        if( !incomponent2[n2] ) {
-                            foreach( const Neighbor &n1, nb2(n2) ) {
-                                if( incomponent1[n1] ) {
-                                    found_new_nodes = true;
-                                    incomponent2[n2] = true;
-                                    break;
-                                }
-                            }
-                        }
-
-                    // For all nodes of first type, check if they are connected with the (growing) component
-                    for( size_t n1 = 0; n1 < nr1(); n1++ )
-                        if( !incomponent1[n1] ) {
-                            foreach( const Neighbor &n2, nb1(n1) ) {
-                                if( incomponent2[n2] ) {
-                                    found_new_nodes = true;
-                                    incomponent1[n1] = true;
-                                    break;
-                                }
-                            }
-                        }
-                } while( found_new_nodes );
-
-                // Check if there are remaining nodes (not in the component)
-                bool all_connected = true;
-                for( size_t n1 = 0; (n1 < nr1()) && all_connected; n1++ )
-                    if( !incomponent1[n1] )
-                        all_connected = false;
-                for( size_t n2 = 0; (n2 < nr2()) && all_connected; n2++ )
-                    if( !incomponent2[n2] )
-                        all_connected = false;
-
-                return all_connected;
+        /// Add node of type 2 with neighbors specified by a range.
+        /** The value_type of an NodeInputIterator should be a size_t, corresponding to
+         *  the indices of nodes of type 1 that should become neighbors of the added node.
+         *  For improved efficiency, the size of the range may be specified by sizeHint.
+         */
+        template <typename NodeInputIterator>
+        void add2( NodeInputIterator begin, NodeInputIterator end, size_t sizeHint = 0 ) {
+            Neighbors nbs2new;
+            nbs2new.reserve( sizeHint );
+            size_t iter = 0;
+            for( NodeInputIterator it = begin; it != end; ++it ) {
+                assert( *it < nr1() );
+                Neighbor nb2new( iter, *it, nb1(*it).size() );
+                Neighbor nb1new( nb1(*it).size(), nr2(), iter++ );
+                nbs2new.push_back( nb2new );
+                nb1( *it ).push_back( nb1new );
             }
+            _nb2.push_back( nbs2new );
         }
 
+        /// Remove node n1 of type 1 and all incident edges.
+        void erase1( size_t n1 );
+
+        /// Remove node n2 of type 2 and all incident edges.
+        void erase2( size_t n2 );
+
+        /// Add edge between node n1 of type 1 and node n2 of type 2.
+        /** If check == true, only adds the edge if it does not exist already.
+         */
+        void addEdge( size_t n1, size_t n2, bool check = true ) {
+            assert( n1 < nr1() );
+            assert( n2 < nr2() );
+            bool exists = false;
+            if( check ) {
+                // Check whether the edge already exists
+                foreach( const Neighbor &nb2, nb1(n1) )
+                    if( nb2 == n2 ) {
+                        exists = true;
+                        break;
+                    }
+            }
+            if( !exists ) { // Add edge
+                Neighbor nb_1( _nb1[n1].size(), n2, _nb2[n2].size() );
+                Neighbor nb_2( nb_1.dual, n1, nb_1.iter );
+                _nb1[n1].push_back( nb_1 );
+                _nb2[n2].push_back( nb_2 );
+            }
+        }
+
+        /// Calculate second-order neighbors (i.e., neighbors of neighbors) of node n1 of type 1.
+        /** If include == true, include n1 itself, otherwise exclude n1.
+         */
+        std::vector<size_t> delta1( size_t n1, bool include = false ) const;
+
+        /// Calculate second-order neighbors (i.e., neighbors of neighbors) of node n2 of type 2.
+        /** If include == true, include n2 itself, otherwise exclude n2.
+         */
+        std::vector<size_t> delta2( size_t n2, bool include = false ) const;
+
+        /// Returns true if the graph is connected
+        bool isConnected() const;
+
+        /// Returns true if the graph is a tree, i.e., if it is singly connected and connected.
+        /** This is equivalent to whether for each pair of vertices in the graph, there exists
+         *  a unique path in the graph that starts at the first and ends at the second vertex.
+         */
+        bool isTree() const;
+
+        /// Stream to output stream os in graphviz .dot syntax
+        void display( std::ostream& os ) const;
+
+        /// Checks internal consistency
+        void check() const;
 };
 
 
@@ -198,19 +306,11 @@ void BipartiteGraph::create( size_t nr1, size_t nr2, EdgeInputIterator begin, Ed
     _nb2.resize( nr2 );
 
     for( EdgeInputIterator e = begin; e != end; e++ ) {
-        // Each edge yields a neighbor pair
-        Neighbor nb_1;
-        nb_1.iter = _nb1[e->first].size();
-        nb_1.node = e->second;
-        nb_1.dual = _nb2[e->second].size();
-
-        Neighbor nb_2;
-        nb_2.iter = nb_1.dual;
-        nb_2.node = e->first;
-        nb_2.dual = nb_1.iter;
-
-        _nb1[e->first].push_back( nb_1 );
-        _nb2[e->second].push_back( nb_2 );
+#ifdef DAI_DEBUG
+        addEdge( e->first, e->second, true );
+#else
+        addEdge( e->first, e->second, false );
+#endif
     }
 }