source: branches/help/CONSENSUS_TREE/SyncRoot.cxx

Last change on this file was 18634, checked in by westram, 4 years ago
File size: 19.1 KB
Line 
1// ========================================================= //
2//                                                           //
3//   File      : SyncRoot.cxx                                //
4//   Purpose   : Sync roots of trees                         //
5//                                                           //
6//   Coded by Ralf Westram (coder@reallysoft.de) in May 20   //
7//   http://www.arb-home.de/                                 //
8//                                                           //
9// ========================================================= //
10
11#include "CT_part.hxx"
12#include "SyncRoot.hxx"
13
14#include <TreeRead.h>
15
16using namespace std;
17
18void RootSynchronizer::beginDeconstructionPhase() {
19    arb_assert(!deconstructionPhase());
20
21    get_species_names(species_names);
22    speciesSpacePtr = new SpeciesSpace(species_names);
23    treePartsPtr    = new TreeParts(*speciesSpacePtr, *this);
24
25    arb_assert(deconstructionPhase());
26}
27
28GB_ERROR RootSynchronizer::deconstructTree(int treeIdx, bool provideProgress) {
29    if (!deconstructionPhase()) beginDeconstructionPhase();
30
31    GB_ERROR error = NULp;
32    if (!valid_tree_index(treeIdx)) {
33        error = GBS_global_string("invalid tree index %i (valid 0-%i)", treeIdx, int(get_tree_count())-1);
34    }
35    else {
36        if (dtree.size() <= size_t(treeIdx)) dtree.resize(get_tree_count());
37        arb_assert(dtree.size()>size_t(treeIdx));
38
39        if (dtree[treeIdx].isNull()) {
40            const SizeAwareTree *tree = get_tree(treeIdx);
41            if (!tree) {
42                error = GBS_global_string("tree at index #%i vanished (internal error)", treeIdx);
43            }
44            else {
45                dtree[treeIdx] = new DeconstructedTree(*speciesSpacePtr);
46                error          = dtree[treeIdx]->deconstruct_weighted(tree, treePartsPtr->get_tree_PART(treeIdx), get_tree_info(treeIdx).species_count(), 1.0, provideProgress, speciesSpacePtr->get_allSpecies(), DMODE_ROOTSYNC);
47                if (!error) dtree[treeIdx]->start_sorted_retrieval();
48            }
49        }
50    }
51    return error;
52}
53
54inline void showDeconstructingSubtitle(arb_progress& progress, int treeNr) {
55    progress.subtitle(GBS_global_string("Deconstructing tree #%i", treeNr+1));
56}
57
58ErrorOrSizeAwareTreePtr RootSynchronizer::find_best_root_candidate(int inTree, int accordingToTree, int& best_dist, bool provideProgress) {
59    GB_ERROR             error  = NULp;
60    const SizeAwareTree *result = NULp;
61
62    best_dist = INT_MAX;
63
64    const bool deconInTree = !has_deconstructed_tree(inTree);
65    const bool deconAcTree = !has_deconstructed_tree(accordingToTree);
66
67    SmartPtr<arb_progress> progress;
68    if (provideProgress) progress = new arb_progress(2UL); // 50% deconstruct + 50% search
69
70    // deconstruct involved trees:
71    {
72        SmartPtr<arb_progress> decon_progress;
73        if (provideProgress) {
74            const size_t steps = deconInTree + deconAcTree;
75            if (steps) decon_progress = new arb_progress(steps);
76        }
77        if (!error) {
78            const bool update = deconAcTree && decon_progress.isSet();
79            if (update) showDeconstructingSubtitle(*progress, accordingToTree);
80            error = deconstructTree(accordingToTree, provideProgress);
81            if (update) decon_progress->inc_and_check_user_abort(error);
82        }
83        if (!error) {
84            const bool update = deconInTree && decon_progress.isSet();
85            if (update) showDeconstructingSubtitle(*decon_progress, inTree);
86            error = deconstructTree(inTree, provideProgress);
87            if (update) decon_progress->inc_and_check_user_abort(error);
88        }
89
90        if (provideProgress) progress->inc_and_check_user_abort(error);
91    }
92
93    if (!error) {
94        if (provideProgress) progress->subtitle("Searching best matching root");
95
96        const SizeAwareTree *accordingRoot     = get_tree(accordingToTree);
97        const PART          *accordingRootPART = dtree[accordingToTree]->find_part(accordingRoot->get_leftson());
98        arb_assert(accordingRootPART);
99
100        int best_idx;
101        find_best_matching_PART_in(best_dist, best_idx, accordingRootPART, *dtree[inTree], get_tree_PART(accordingToTree), get_tree_PART(inTree), provideProgress);
102
103        arb_assert(best_idx != -1); // always expect some "best" match
104
105        result = DOWNCAST(const SizeAwareTree*, PART_FWD::get_origin(dtree[inTree]->peek_part(best_idx)));
106        arb_assert(result);
107
108        if (provideProgress) progress->inc_and_check_user_abort(error);
109    }
110
111    if (error && provideProgress) progress->done();
112
113    return ErrorOrSizeAwareTreePtr(error, result);
114}
115
116void RootSynchronizer::find_best_matching_PART_in(int& best_dist, int &best_idx, const PART *part, const DeconstructedTree& in, const PART *tree_part, const PART *tree_in, bool provideProgress) {
117    // reset result params:
118    best_dist = INT_MAX;
119    best_idx  = -1;
120
121    SmartPtr<arb_progress> findBestProgress;
122    if (provideProgress) {
123        findBestProgress = new arb_progress(in.get_part_count());
124    }
125
126    for (size_t idx = 0; idx<in.get_part_count(); ++idx) {
127        const PART *pin = in.peek_part(idx);
128        arb_assert(pin);
129
130        if (represents_existing_edge(pin)) {
131            int dist = PART_FWD::calcDistance(part, pin, tree_part, tree_in);
132            if (dist<best_dist) {
133                best_idx  = idx;
134                best_dist = dist;
135            }
136            else if (best_dist == 0) {
137                arb_assert(dist>best_dist); // multiple perfect matches should not occur
138            }
139        }
140        if (provideProgress) {
141            ++*findBestProgress;
142            if (findBestProgress->aborted()) break;
143        }
144    }
145}
146
147void RootSynchronizer::find_worst_matching_PART_in(int& worst_dist, int &worst_idx, const PART *part, const DeconstructedTree& in, const PART *tree_part, const PART *tree_in) {
148    // reset result params:
149    worst_dist = INT_MIN;
150    worst_idx  = -1;
151
152    for (size_t idx = 0; idx<in.get_part_count(); ++idx) {
153        const PART *pin = in.peek_part(idx);
154        arb_assert(pin);
155
156        if (!represents_existing_edge(pin)) continue;
157
158        int dist = PART_FWD::calcDistance(part, pin, tree_part, tree_in);
159        if (dist>worst_dist) {
160            worst_idx  = idx;
161            worst_dist = dist;
162        }
163    }
164}
165
166// #define DUMP_AGAIN
167
168MultirootPtr RootSynchronizer::find_better_multiroot(const Multiroot& start, int best_distSum, int best_centerDist, int *movesPerTree, arb_progress *progress) {
169    // best_distSum should be start.distanceSum() or better
170
171    Multiroot    modified(start);
172    MultirootPtr best;
173    const int    nodes = start.size();
174
175    int leftMoves = 0;
176    for (int t = 0; t<nodes; ++t) {
177        leftMoves += movesPerTree[t];
178    }
179
180    for (int t = 0; t<nodes && best.isNull(); ++t) {
181        if (movesPerTree[t]>0) {
182            --movesPerTree[t];
183
184            ConstSizeAwareTreePtr    node = start.get_node(t);
185            ConstSizeAwareTreeVector neighbors;
186
187            // store (up to) 4 neighbors nodes (representing adjacent edges):
188            {
189                if (!node->is_leaf()) { // try branches to both sons
190                    neighbors.push_back(node->get_leftson());
191                    neighbors.push_back(node->get_rightson());
192                }
193
194                ConstSizeAwareTreePtr brother = node->get_brother();
195                arb_assert(brother);
196
197                if (node->is_son_of_root()) {
198                    if (!brother->is_leaf()) { // try branches to both sons of brother
199                        neighbors.push_back(brother->get_leftson());
200                        neighbors.push_back(brother->get_rightson());
201                    }
202                }
203                else { // try branches from father to brother and grandpa (or uncle at root)
204                    neighbors.push_back(brother);
205                    neighbors.push_back(node->get_father());
206                }
207
208                arb_assert(neighbors.size()>0);
209                arb_assert(neighbors.size()<=4);
210            }
211
212            // iterate all neighbors:
213            for (ConstSizeAwareTreeVector::const_iterator n = neighbors.begin(); n != neighbors.end() && best.isNull(); ++n) {
214                ConstSizeAwareTreePtr next_node = *n;
215                modified.replace_node(t, next_node);
216
217                // calc current distance and keep best found Multiroot:
218                int mod_distSum = modified.distanceSum(*this);
219                if (mod_distSum<=best_distSum) {
220                    bool takeModified = mod_distSum<best_distSum;
221                    if (!takeModified) {
222                        arb_assert(mod_distSum == best_distSum);
223                        const int mod_centerDist = modified.distanceToCenterSum(*this);
224                        if (mod_centerDist<best_centerDist) {
225#if defined(DUMP_AGAIN)
226                            fprintf(stderr, "- again found mod_distSum=%i (center dist: %i -> %i)\n", mod_distSum, best_centerDist, mod_centerDist);
227#endif
228                            best_centerDist = mod_centerDist;
229                            takeModified    = true;
230                        }
231                    }
232                    if (takeModified) {
233                        best_distSum = mod_distSum;
234                        best         = new Multiroot(modified);
235                    }
236                }
237
238                if (progress && progress->aborted()) {
239                    break;
240                }
241
242                if (leftMoves>1 && best.isNull()) {
243                    MultirootPtr recursed = find_better_multiroot(modified, best_distSum, best_centerDist, movesPerTree, progress);
244                    if (recursed.isSet()) {
245                        int recursed_distSum = recursed->distanceSum(*this);
246                        if (recursed_distSum<=best_distSum) {
247                            bool takeRecursed = recursed_distSum<best_distSum;
248                            if (!takeRecursed) {
249                                arb_assert(recursed_distSum == best_distSum);
250                                const int rec_centerDist = recursed->distanceToCenterSum(*this);
251                                if (rec_centerDist<best_centerDist) {
252#if defined(DUMP_AGAIN)
253                                    fprintf(stderr, "- again found recursed_distSum=%i (center dist: %i -> %i)\n", recursed_distSum, best_centerDist, rec_centerDist);
254#endif
255                                    best_centerDist = rec_centerDist;
256                                    takeRecursed    = true;
257                                }
258                            }
259                            if (takeRecursed) {
260                                best_distSum = recursed_distSum;
261                                best         = recursed;
262                            }
263                        }
264                    }
265                }
266            }
267
268            ++movesPerTree[t];
269        }
270    }
271    return best;
272}
273
274GB_ERROR RootSynchronizer::deconstruct_all_trees(bool provideProgress) {
275    SmartPtr<arb_progress> progress;
276    GB_ERROR               error = NULp;
277
278    if (provideProgress) {
279        progress = new arb_progress("Deconstructing trees", get_tree_count());
280    }
281
282    const int treeCount = get_tree_count();
283
284    for (int t = 0; t<treeCount && !error; ++t) {
285        if (provideProgress) showDeconstructingSubtitle(*progress, t);
286        error = deconstructTree(t, provideProgress);
287        if (provideProgress) progress->inc_and_check_user_abort(error);
288    }
289
290    if (error && provideProgress) progress->done();
291
292    return error;
293}
294
295#define DUMP_DEPTH
296
297ErrorOrMultirootPtr RootSynchronizer::find_good_roots_for_trees(const int MAX_DEPTH, arb_progress *progress) {
298    GB_ERROR error = deconstruct_all_trees(false);
299    arb_assert(deconstructionPhase());
300
301    if (error) {
302        MultirootPtr none;
303        return ErrorOrMultirootPtr(error, none);
304    }
305
306    int depth = 0;
307
308    ErrorOrMultirootPtr emr = get_current_roots();
309    if (!emr.hasError()) {
310        const int    CANDIDATES = 2;
311        MultirootPtr mr[CANDIDATES];
312        int          mr_dist[CANDIDATES];
313        int          mr_centerDist[CANDIDATES];
314
315        mr[0] = emr.getValue();
316        mr[1] = get_innermost_edges(); // add second, speculative multiroot (at centermost branches)!
317
318        int best_c = -1;
319        {
320            int best_dist       = INT_MAX;
321            int best_centerDist = INT_MAX;
322
323            for (int c = 0; c<CANDIDATES; ++c) {
324                arb_assert(mr[c].isSet());
325                mr_dist[c]       = mr[c]->distanceSum(*this);
326                mr_centerDist[c] = mr[c]->distanceToCenterSum(*this);
327
328                if (mr_dist[c]<best_dist || (mr_dist[c] == best_dist && mr_centerDist[c]<best_centerDist)) {
329                    best_c          = c;
330                    best_dist       = mr_dist[c];
331                    best_centerDist = mr_centerDist[c];
332                }
333            }
334        }
335        arb_assert(best_c != -1);
336
337        bool done = false;
338        while (!done) {
339            if (progress) {
340                progress->subtitle(GBS_global_string("distance=%i / center distance=%i", mr_dist[best_c], mr_centerDist[best_c]));
341                if (progress->aborted()) {
342#if defined(DUMP_DEPTH)
343                    fprintf(stderr, "Aborting recursion (user abort)\n");
344#endif
345                    break;
346                }
347            }
348
349            int cand_checked = 0;
350            for (int pass = 1; pass<=2 && !done; ++pass) { // pass1 = optimize best_c; pass2=optimize rest
351                for (int c = 0; c<CANDIDATES && !done; ++c) {
352                    bool search = pass == 1 ? (c == best_c) : (c != best_c);
353                    if (search) {
354                        const int nodes = mr[c]->size();
355                        int       movesPerTree[nodes];
356                        for (int n = 0; n<nodes; ++n) {
357                            movesPerTree[n] = depth+1;
358                        }
359                        MultirootPtr better_mr = find_better_multiroot(*(mr[c]), mr_dist[c], mr_centerDist[c], movesPerTree, progress);
360                        ++cand_checked;
361                        if (better_mr.isNull()) {
362#if defined(DUMP_DEPTH)
363                            fprintf(stderr, "Found no better multiroot[%i] at depth=%i (dist=%i; center-dist=%i)\n", c, depth, mr_dist[c], mr_centerDist[c]);
364#endif
365                            if (cand_checked == CANDIDATES) { // do not increase depth if not all candidates checked yet
366                                if (depth == MAX_DEPTH) {
367                                    done = true; // no improvement -> done
368                                }
369                                else {
370                                    ++depth; // search deeper
371#if defined(DUMP_DEPTH)
372                                    fprintf(stderr, "Increasing depth to %i\n", depth);
373#endif
374                                }
375                            }
376                        }
377                        else {
378                            mr[c]            = better_mr;
379                            mr_dist[c]       = better_mr->distanceSum(*this);
380                            mr_centerDist[c] = better_mr->distanceToCenterSum(*this);
381
382#if defined(DUMP_DEPTH)
383                            fprintf(stderr, "Found better multiroot[%i] at depth=%i (dist=%i; center-dist=%i)\n", c, depth, mr_dist[c], mr_centerDist[c]);
384#endif
385                            if (c != best_c) {
386                                if (mr_dist[c]<mr_dist[best_c] || (mr_dist[c] == mr_dist[best_c] && mr_centerDist[c]<mr_centerDist[best_c])) {
387                                    best_c = c;
388                                }
389                            }
390
391                            // decrement depth again after better root-combi was found:
392                            if (depth>0) --depth;
393#if defined(DUMP_DEPTH)
394                            fprintf(stderr, "[continuing with depth=%i]\n", depth);
395#endif
396                        }
397                    }
398                }
399            }
400        }
401
402        return ErrorOrMultirootPtr(NULp, mr[best_c]);
403    }
404    return emr;
405}
406
407ErrorOrMultirootPtr RootSynchronizer::get_current_roots() const {
408    MultirootPtr result;
409    GB_ERROR     error = NULp;
410    if (get_tree_count()<2) {
411        error = "Need at least two trees";
412    }
413    else {
414        result = new Multiroot(*this);
415    }
416    return ErrorOrMultirootPtr(error, result);
417}
418
419MultirootPtr RootSynchronizer::get_innermost_edges() const {
420    arb_assert(allTreesDeconstructed());
421
422    MultirootPtr mr = new Multiroot(*this);
423
424    // set nodes to innermost edges:
425    for (size_t i = 0; i<get_tree_count(); ++i) {
426        const PART *innerPart = dtree[i]->find_innermost_part();
427        arb_assert(innerPart);
428
429        const SizeAwareTree *innerNode = DOWNCAST(const SizeAwareTree*, PART_FWD::get_origin(innerPart));
430        mr->replace_node(i, innerNode);
431    }
432
433    return mr;
434}
435
436int RootSynchronizer::calcEdgeDistance(int i1, const SizeAwareTree *n1, int i2, const SizeAwareTree *n2) const {
437    arb_assert(deconstructionPhase());
438
439    arb_assert(valid_tree_index(i1));
440    arb_assert(valid_tree_index(i2));
441
442    arb_assert(!n1->is_root_node());
443    arb_assert(!n2->is_root_node());
444
445    const PART *p1 = dtree[i1]->find_part(n1);
446    const PART *p2 = dtree[i2]->find_part(n2);
447
448    arb_assert(p1);
449    arb_assert(p2);
450
451    const PART *t1 = get_tree_PART(i1);
452    const PART *t2 = get_tree_PART(i2);
453
454    return PART_FWD::calcDistance(p1, p2, t1, t2);
455}
456
457int RootSynchronizer::calcTreeDistance(int i1, int i2) const {
458    const PART *t1 = get_tree_PART(i1);
459    const PART *t2 = get_tree_PART(i2);
460
461    return PART_FWD::calcDistance(t1, t2, t1, t2);
462}
463
464int RootSynchronizer::minDistanceSum() const {
465    int sum = 0;
466    for (size_t i = 0; i<get_tree_count(); ++i) {
467        for (size_t j = 0; j<i; ++j) {
468            sum += calcTreeDistance(i, j);
469        }
470    }
471    return sum;
472}
473
474int Multiroot::lazy_eval_distance(const RootSynchronizer& rsync, int i, int j) const {
475    int dist = distance.get(i, j);
476    if (dist == UNKNOWN_DISTANCE) {
477        dist = rsync.calcEdgeDistance(i, get_node(i), j, get_node(j));
478        distance.set(i, j, dist);
479    }
480    arb_assert(dist >= 0); // distance should be up-to-date now!
481    return dist;
482}
483
484int Multiroot::distanceSum(const RootSynchronizer& rsync) const {
485    arb_assert(rsync.deconstructionPhase());
486
487    int sum = 0;
488    for (int i = 0; i<size(); ++i) {
489        for (int j = 0; j<i; ++j) {
490            sum += lazy_eval_distance(rsync, i, j);
491        }
492    }
493    return sum;
494}
495
496int Multiroot::distanceToCenterSum(const RootSynchronizer& rsync) const {
497    int sum = 0;
498    for (int i = 0; i<size(); ++i) {
499        const PART *part  = rsync.get_edge_PART(i, get_node(i));
500        sum              += part->distance_to_tree_center();
501    }
502    return sum;
503}
504
505
506int Multiroot::singleTreeDistanceSum(const RootSynchronizer& rsync, int idx) {
507    arb_assert(idx>=0 && idx<size());
508    int sum = 0;
509    for (int i = 0; i<size(); ++i) {
510        if (i != idx) {
511            sum += lazy_eval_distance(rsync, i, idx);
512        }
513    }
514    return sum;
515}
516
517void Multiroot::replace_node(int idx, ConstSizeAwareTreePtr newNode) {
518    arb_assert(newNode); // missing node
519    arb_assert(idx<size());
520
521    node[idx] = newNode;
522    // invalidate distances affected by replaced node:
523    for (int i = 0; i<size(); ++i) {
524        if (i != idx) {
525            distance.set(i, idx, UNKNOWN_DISTANCE);
526        }
527    }
528}
529
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.