Cleaned up error handling by introducing the DAI_THROWE macro.
[libdai.git] / include / dai / varset.h
index 7c6cf61..e45e40d 100644 (file)
@@ -1,6 +1,10 @@
-/*  Copyright (C) 2006-2008  Joris Mooij  [j dot mooij at science dot ru dot nl]
+/*  Copyright (C) 2006-2008  Joris Mooij  [joris dot mooij at tuebingen dot mpg dot de]
+    Radboud University Nijmegen, The Netherlands /
+    Max Planck Institute for Biological Cybernetics, Germany
+
+    Copyright (C) 2002  Martijn Leisink  [martijn@mbfys.kun.nl]
     Radboud University Nijmegen, The Netherlands
-    
+
     This file is part of libDAI.
 
     libDAI is free software; you can redistribute it and/or modify
 */
 
 
+/// \file
+/// \brief Defines VarSet class
+
+
 #ifndef __defined_libdai_varset_h
 #define __defined_libdai_varset_h
 
 
-#include <set>
-#include <algorithm>
-#include <iostream>
+#include <vector>
+#include <map>
 #include <cassert>
+#include <ostream>
 #include <dai/var.h>
+#include <dai/util.h>
+#include <dai/smallset.h>
 
 
 namespace dai {
 
 
-/// VarSet represents a set of variables and is a descendant of set<Var>. 
-/// In addition, it provides an easy interface for set-theoretic operations
-/// by operator overloading.
-class VarSet : private std::set<Var> {
-    protected:
-        /// Product of number of states of all contained variables
-        size_t _statespace;
-
-        /// Check whether ns is a subset
-        bool includes( const VarSet& ns ) const {
-            return std::includes( begin(), end(), ns.begin(), ns.end() );
-        }
-
-        /// Calculate statespace
-        size_t calcStateSpace() {
-            _statespace = 1;
-            for( const_iterator i = begin(); i != end(); ++i )
-                _statespace *= i->states();
-            return _statespace;
-        }
-
-
+/// Represents a set of variables.
+/** \note A VarSet is implemented using a SmallSet<Var> instead
+ *  of the more natural std::set<Var> because of efficiency reasons.
+ *  That is, internally, the variables in the set are sorted according 
+ *  to their labels: the set of variables \f$\{x_l\}_{l\in L}\f$ is 
+ *  represented as a vector \f$(x_{l(0)},x_{l(1)},\dots,x_{l(|L|-1)})\f$ 
+ *  where \f$l(0) < l(1) < \dots < l(|L|-1)\f$ 
+ *  and \f$L = \{l(0),l(1),\dots,l(|L|-1)\}\f$.
+ */
+class VarSet : public SmallSet<Var> {
     public:
         /// Default constructor
-        VarSet() : _statespace(0) {};
-
-        /// Construct a VarSet with one variable
-        VarSet( const Var &n ) : _statespace( n.states() ) { 
-            insert( n ); 
-        }
-
-        /// Construct a VarSet with two variables
-        VarSet( const Var &n1, const Var &n2 ) { 
-            insert( n1 ); 
-            insert( n2 ); 
-            calcStateSpace();
-        }
-
-        /// Construct from a set<Var>
-        VarSet( const std::set<Var> &ns ) {
-            std::set<Var>::operator=( ns );
-            calcStateSpace();
-        }
-
-        /// Copy constructor
-        VarSet( const VarSet &x ) : std::set<Var>( x ), _statespace( x._statespace ) {}
-
-        /// Assignment operator
-        VarSet & operator=( const VarSet &x ) {
-            if( this != &x ) {
-                std::set<Var>::operator=( x );
-                _statespace = x._statespace;
+        VarSet() : SmallSet<Var>() {}
+
+        /// Construct from SmallSet<Var>
+        VarSet( const SmallSet<Var> &x ) : SmallSet<Var>(x) {}
+
+        /// Calculates the number of states of this VarSet.
+        /** The number of states of the Cartesian product of the variables in this VarSet
+         *  is simply the product of the number of states of each variable in this VarSet.
+         *  If *this corresponds with the set \f$\{x_l\}_{l\in L}\f$,
+         *  where variable \f$x_l\f$ has label \f$l\f$, and denoting by \f$S_l\f$ the 
+         *  number of possible values ("states") of variable \f$x_l\f$, the number of 
+         *  joint configurations of the variables in \f$\{x_l\}_{l\in L}\f$ is given by \f$\prod_{l\in L} S_l\f$.
+         */
+        size_t nrStates() {
+            size_t states = 1;
+            for( VarSet::const_iterator n = begin(); n != end(); n++ )
+                states *= n->states();
+            return states;
+        }
+
+        /// Construct a VarSet with one element
+        VarSet( const Var &n ) : SmallSet<Var>(n) {}
+
+        /// Construct a VarSet with two elements
+        VarSet( const Var &n1, const Var &n2 ) : SmallSet<Var>(n1,n2) {} 
+
+        /// Construct a VarSet from a range.
+        /** \tparam VarIterator Iterates over instances of type Var.
+         *  \param begin Points to first Var to be added.
+         *  \param end Points just beyond last Var to be added.
+         *  \param sizeHint For efficiency, the number of elements can be speficied by sizeHint.
+         */
+        template <typename VarIterator>
+        VarSet( VarIterator begin, VarIterator end, size_t sizeHint=0 ) : SmallSet<Var>(begin,end,sizeHint) {}
+
+        /// Calculates the linear index in the Cartesian product of the variables in *this, which corresponds to a particular joint assignment of the variables specified by \a states.
+        /** \param states Specifies the states of some variables.
+         *  \return The linear index in the Cartesian product of the variables in *this
+         *  corresponding with the joint assignment specified by \a states, where it is
+         *  assumed that \a states[\a m]==0 for all \a m in *this which are not in \a states.
+         *  
+         *  The linear index is calculated as follows. The variables in *this are
+         *  ordered according to their label (in ascending order); say *this corresponds with
+         *  the set \f$\{x_{l(0)},x_{l(1)},\dots,x_{l(n-1)}\}\f$ with \f$l(0) < l(1) < \dots < l(n-1)\f$,
+         *  where variable \f$x_l\f$ has label \a l. Denote by \f$S_l\f$ the number of possible values
+         *  ("states") of variable \f$x_l\f$. The argument \a states corresponds
+         *  with a mapping \a s that assigns to each variable \f$x_l\f$ a state \f$s(x_l) \in \{0,1,\dots,S_l-1\}\f$,
+         *  where \f$s(x_l)=0\f$ if \f$x_l\f$ is not specified in \a states. The linear index \a S corresponding
+         *  with \a states is now calculated as:
+         *  \f{eqnarray*}
+         *    S &:=& \sum_{i=0}^{n-1} s(x_{l(i)}) \prod_{j=0}^{i-1} S_{l(j)} \\
+         *      &= & s(x_{l(0)}) + s(x_{l(1)}) S_{l(0)} + s(x_{l(2)}) S_{l(0)} S_{l(1)} + \dots + s(x_{l(n-1)}) S_{l(0)} \cdots S_{l(n-2)}.
+         *  \f}
+         *
+         *  \note If *this corresponds with \f$\{x_l\}_{l\in L}\f$, and \a states specifies a state
+         *  for each variable \f$x_l\f$ for \f$l\in L\f$, calcState(const std::map<Var,size_t> &) induces a mapping 
+         *  \f$\sigma : \prod_{l\in L} X_l \to \{0,1,\dots,\prod_{l\in L} S_l-1\}\f$ that
+         *  maps a joint state to a linear index; this is the inverse of the mapping 
+         *  \f$\sigma^{-1}\f$ induced by calcStates(size_t).
+         */
+        size_t calcState( const std::map<Var, size_t> &states ) {
+            size_t prod = 1;
+            size_t state = 0;
+            for( VarSet::const_iterator n = begin(); n != end(); n++ ) {
+                std::map<Var, size_t>::const_iterator m = states.find( *n );
+                if( m != states.end() )
+                    state += prod * m->second;
+                prod *= n->states();
             }
-            return *this;
-        }
-        
-
-        /// Return statespace, i.e. the product of the number of states of each variable
-        size_t stateSpace() const { 
-#ifdef DEBUG
-            size_t x = 1;
-            for( const_iterator i = begin(); i != end(); ++i )
-                x *= i->states();
-            assert( x == _statespace );
-#endif
-            return _statespace; 
-        }
-        
-
-        /// Erase one variable
-        VarSet& operator/= (const Var& n) { 
-            erase( n ); 
-            calcStateSpace();
-            return *this; 
-        }
-
-        /// Add one variable
-        VarSet& operator|= (const Var& n) {
-            insert( n ); 
-            calcStateSpace();
-            return *this;
-        }
-
-        /// Setminus operator (result contains all variables except those in ns)
-        VarSet operator/ (const VarSet& ns) const {
-            VarSet res;
-            std::set_difference( begin(), end(), ns.begin(), ns.end(), inserter( res, res.begin() ) );
-            res.calcStateSpace();
-            return res;
-        }
-
-        /// Set-union operator (result contains all variables plus those in ns)
-        VarSet operator| (const VarSet& ns) const {
-            VarSet res;
-            std::set_union( begin(), end(), ns.begin(), ns.end(), inserter( res, res.begin() ) );
-            res.calcStateSpace();
-            return res;
-        }
-
-        /// Set-intersection operator (result contains all variables that are also contained in ns)
-        VarSet operator& (const VarSet& ns) const {
-            VarSet res;
-            std::set_intersection( begin(), end(), ns.begin(), ns.end(), inserter( res, res.begin() ) );
-            res.calcStateSpace();
-            return res;
-        }
-        
-        /// Erases from *this all variables in ns
-        VarSet& operator/= (const VarSet& ns) {
-            return (*this = (*this / ns));
-        }
-
-        /// Adds to *this all variables in ns
-        VarSet& operator|= (const VarSet& ns) {
-            return (*this = (*this | ns));
-        }
-
-        /// Erases from *this all variables not in ns
-        VarSet& operator&= (const VarSet& ns) { 
-            return (*this = (*this & ns)); 
-        }
-        
-
-        /// Returns false if both *this and ns are empty
-        bool operator|| (const VarSet& ns) const { 
-            return !( this->empty() && ns.empty() );
-        }
-
-        /// Returns true if *this and ns contain common variables
-        bool operator&& (const VarSet& ns) const { 
-            return !( (*this & ns).empty() ); 
-        }
-
-        /// Returns true if *this is a subset of ns
-        bool operator<< (const VarSet& ns) const { 
-            return ns.includes( *this ); 
-        }
-
-        /// Returns true if ns is a subset of *this
-        bool operator>> (const VarSet& ns) const { 
-            return includes( ns ); 
-        }
-
-        /// Returns true if *this contains the variable n
-        bool operator&& (const Var& n) const { 
-            return( find( n ) == end() ? false : true ); 
+            return state;
+        }
+
+        /// Calculates the joint assignment of the variables in *this corresponding to the linear index \a linearState.
+        /** \param linearState should be smaller than nrStates().
+         *  \return A mapping \f$s\f$ that maps each Var \f$x_l\f$ in *this to its state \f$s(x_l)\f$, as specified by \a linearState.
+         *
+         *  The variables in *this are ordered according to their label (in ascending order); say *this corresponds with
+         *  the set \f$\{x_{l(0)},x_{l(1)},\dots,x_{l(n-1)}\}\f$ with \f$l(0) < l(1) < \dots < l(n-1)\f$,
+         *  where variable \f$x_l\f$ has label \a l. Denote by \f$S_l\f$ the number of possible values
+         *  ("states") of variable \f$x_l\f$ with label \a l. 
+         *  The mapping \a s returned by this function is defined as:
+         *  \f{eqnarray*}
+         *    s(x_{l(i)}) = \left\lfloor\frac{S \mbox { mod } \prod_{j=0}^{i} S_{l(j)}}{\prod_{j=0}^{i-1} S_{l(j)}}\right\rfloor \qquad \mbox{for all $i=0,\dots,n-1$}.
+         *  \f}
+         *  where \f$S\f$ denotes the value of \a linearState.
+         *
+         *  \note If *this corresponds with \f$\{x_l\}_{l\in L}\f$, calcStates(size_t) induces a mapping 
+         *  \f$\sigma^{-1} : \{0,1,\dots,\prod_{l\in L} S_l-1\} \to \prod_{l\in L} X_l\f$ that
+         *  maps a linear index to a joint state; this is the inverse of the mapping \f$\sigma\f$ 
+         *  induced by calcState(const std::map<Var,size_t> &).
+         */
+        std::map<Var, size_t> calcStates( size_t linearState ) {
+            std::map<Var, size_t> states;
+            for( VarSet::const_iterator n = begin(); n != end(); n++ ) {
+                states[*n] = linearState % n->states();
+                linearState /= n->states();
+            }
+            assert( linearState == 0 );
+            return states;
         }
 
-        
-        /// Sends a VarSet to an output stream
-        friend std::ostream& operator<< (std::ostream & os, const VarSet& ns) {
-            for( VarSet::const_iterator n = ns.begin(); n != ns.end(); n++)
-                os << *n;
+        /// Writes a VarSet to an output stream
+        friend std::ostream& operator<< (std::ostream &os, const VarSet& ns)  {
+            os << "{";
+            for( VarSet::const_iterator n = ns.begin(); n != ns.end(); n++ )
+                os << (n != ns.begin() ? "," : "") << *n;
+            os << "}";
             return( os );
         }
-
-        
-/*      The following makes part of the public interface of set<Var> available.
- *      It is important to note that insert functions have to be overloaded,
- *      because they have to recalculate the statespace. A different approach
- *      would be to publicly inherit from set<Var> and only overload the insert
- *      methods.
- */
-        
-        // Additional interface from set<Var> that has to be provided
-        using std::set<Var>::const_iterator;
-        using std::set<Var>::iterator;
-        using std::set<Var>::const_reference;
-        using std::set<Var>::begin;
-        using std::set<Var>::end;
-        using std::set<Var>::size;
-        using std::set<Var>::empty;
-
-        /// Copy of set<Var>::insert which additionally calculates the new statespace
-        std::pair<iterator, bool> insert( const Var& x ) {
-            std::pair<iterator, bool> result = std::set<Var>::insert( x );
-            calcStateSpace();
-            return result;
-        }
-
-        /// Copy of set<Var>::insert which additionally calculates the new statespace
-        iterator insert( iterator pos, const value_type& x ) {
-            iterator result = std::set<Var>::insert( pos, x );
-            calcStateSpace();
-            return result;
-        }
-
-        /// Test for equality (ignore _statespace member)
-        friend bool operator==( const VarSet &a, const VarSet &b ) {
-            return operator==( (std::set<Var>)a, (std::set<Var>)b );
-        }
-
-        /// Test for inequality (ignore _statespace member)
-        friend bool operator!=( const VarSet &a, const VarSet &b ) {
-            return operator!=( (std::set<Var>)a, (std::set<Var>)b );
-        }
-
-        friend bool operator<( const VarSet &a, const VarSet &b ) {
-            return operator<( (std::set<Var>)a, (std::set<Var>)b );
-        }
 };
 
 
-/// For two Vars n1 and n2, the expression n1 | n2 gives the Varset containing n1 and n2
-inline VarSet operator| (const Var& n1, const Var& n2) {
-    return( VarSet(n1, n2) );
-}
+} // end of namespace dai
 
 
-} // end of namespace dai
+/** \example example_varset.cpp
+ *  This example shows how to use the Var and VarSet classes. It also explains the concept of "states" for VarSets.
+ *
+ *  \section Output
+ *  \verbinclude examples/example_varset.out
+ *
+ *  \section Source
+ */
 
 
 #endif