\subsubsection{Sortiernetzwerke}\label{sect:einleitung_sortiernetzwerke}
-{\em Komparatoren} sind die Bausteine, die {\em Sortiernetzwerken} zugrunde
-liegen. Sie haben zwei Eingänge über die sie zwei Zahlen erhalten können.
-Ausserdem besitzt ein {\em Komparator} zwei Ausgänge, die im Gegensatz zu den
-Eingängen unterscheidbar sind: Die grö"sere der beiden Zahlen wird immer auf
-dem einen, die kleinere der beiden Zahlen immer auf dem anderen Ausgang
-ausgegeben.
-
-Wenn man nun mehrere {\em Komparatoren} miteinander kombiniert, also die
-Ausgänge von Komparatoren mit dem Eingängen anderer Komparatoren verbindet,
+\emph{Komparatoren} sind die Bausteine, die \emph{Komparatornetzwerken}
+zugrunde liegen. Sie haben zwei Eingänge über die sie zwei Zahlen erhalten
+können und zwei Ausgänge, auf denen die Zahlen wieder ausgegeben werden. Dabei
+sind die Ausgänge im Gegensatz zu den Eingängen unterscheidbar, da die größere
+der beiden Zahlen wird immer auf dem einen, die kleinere der beiden Zahlen
+immer auf dem anderen Ausgang ausgegeben ausgegeben wird.
+
+Kombiniert man mehrere \emph{Komparatoren} miteinander, das heißt, dass die
+Ausgänge eines Komparators mit Eingängen weiterer Komparatoren verbunden sind,
erhält man ein {\em Komparatornetzwerk}.
\begin{figure}
\end{figure}
Abbildung~\ref{fig:einfaches_komparatornetzwerk} zeigt ein einfaches
-Komparatornetzwerk aus fünf Komparatoren in der üblichen Darstellungsweise:
-Die horizontalen Linien stellen Leitungen von den Eingängen auf der linken
-Seite zu den Ausgängen auf er rechten Seite dar. Die vertikalen Pfeile
-symbolisieren die Komparatoren, die die Werte "`auf den Leitungen"'
-vergleichen und ggf. vertauschen. Nach einem Komparator befindet sich die
+\emph{Komparatornetzwerk} aus fünf Komparatoren. Insgesamt gibt es vier
+verschiedene Eingänge und vier Ausgänge. Die Ein- und Ausgänge werden durch
+eine horizontale Linie dargestellt und als \emph{Leitung} bezeichnet. Die
+\emph{Komparatoren} sind durch vertikale Pfeile dargestellt und verbinden je
+zwei verschiedene \emph{Leitungen} miteinander. Die Verbindungsstellen von
+\emph{Leitungen} und \emph{Komparatoren} sind zur besseren Übersichlichkeit
+durch schwarze Punkte symbolisiert.
+
+Auf der linken Seite befinden sich die Eingänge. Hier wird eine Zahlenfolge in
+das Netzwerk hineingegeben. Jeder Komparator vergleicht die Zahlen „auf“ den
+beiden Leitungen, die er verbindet. Nach einem Komparator befindet sich die
kleinere Zahl immer auf der Leitung, auf die der Pfeil zeigt, die größere Zahl
-befindet sich auf der Leitung auf der der Pfeil seinen Ursprung hat.
+befindet sich auf der Leitung, auf der der Pfeil seinen Ursprung hat.
Komparatoren, die unterschiedliche Leitungen miteinander vergleichen, können
gleichzeitig angewandt werden. Das Beispiel in
Abbildung~\ref{fig:einfaches_komparatornetzwerk} verwendet diesen Umstand und
-vergleicht in einem ersten Schritt die zwei oberen und die zwei unteren
-Leitungen gleichzeitig. Eine Gruppe von Komparatoren, die gleichzeitig
-angewendet werden können, nennt man eine \emph{Schicht} des
-Komparatornetwerks. Die \emph{Verzögerung} eines Komparatornetzwerks ist
-gleichbedeutend mit der Anzahl der Schichten, in die sich die Komparatoren
-mindestens gruppieren lassen, da sie die Anzahl der benötigten parallelen
-Schritte darstellt.
-
-Komparatornetzwerke, die für jede beliebige Eingabepermutation eine
-Ausgabe erzeugen, die der Sortierung der Eingabe entspricht, heißen
-{\em Sortiernetzwerke}. Das in
+vergleicht die zwei oberen und die zwei unteren Leitungen gleichzeitig. Eine
+Gruppe von Komparatoren, die gleichzeitig angewendet werden können, nennt man
+eine \emph{Schicht} des Komparatornetwerks. Die \emph{Verzögerung} eines
+Komparatornetzwerks ist gleichbedeutend mit der Anzahl der Schichten, in die
+sich die Komparatoren mindestens gruppieren lassen, da sie die Anzahl der
+benötigten parallelen Schritte darstellt.
+
+\emph{Komparatornetzwerke}, die für \emph{jede} Eingabefolge eine Ausgabe
+erzeugen, die der Sortierung der Eingabe entspricht, heißen
+\emph{Sortiernetzwerke}. Das in
Abbildung~\ref{fig:einfaches_komparatornetzwerk} gezeigte Komparatornetzwerk
-ist kein Sotiernetzwerk: Die Eingabefolge ${(1, 2, 3, 4)}$ würde zur Ausgabe
-${(2, 1, 3, 4)}$ führen -- die bestehenden Sortierung wird also sogar
+ist \emph{kein} Sotiernetzwerk: Die Eingabefolge ${(1, 2, 3, 4)}$ führt zur
+Ausgabe ${(2, 1, 3, 4)}$ -- die bestehenden Sortierung wird also sogar
zerstört.
-Zu beweisen, dass ein gegebenes Komparatornetzwerk die Sortiereigenschaft
-{\em nicht} hat, ist mit einem gegebenen Gegenbeispiel einfach möglich.
-Dieses Gegenbeispiel zu finden ist allerdings aufwendig.
-
-\todo{Wie findet man die Gegenbeispiele? Die {\em Entscheidung}, ob ein
-Netzwerk sortiert, ist doch NP-vollständig, also müsste doch das Finden eines
-Gegenbeispiels im Allgemeinen auch exponentialle Laufzeit haben..?}
-\todo{Wenn die {\em Entscheidung}, ob ein Netzwerk sortiert, NP-vollständig
-ist, müsse man dann nicht einen Zeugen für die Sortiereigenschaft angeben
-können?}
-
-\todo{$0-1$-Prinzip}
-
-Um zu überprüfen, ob ein gegebenes Komparatornetzwerk die Sortiereigenschaft
-besetzt, müssen nicht alle $n!$ Permutationen von $n$~unterschiedlichen Zahlen
-ausprobieren. Stattdessen reicht es zu überprüfen, dass das Netzwerk alle
-$2^n$~0-1-Folgen sortiert.
-
-Sortiernetzwerke:
-\begin{itemize}
-\item Ein Komparator-Netzwerk ist $\ldots$
-\item Ein Komparator-Netzwerk ist ein Sortiernetzwerk, wenn $\ldots$
-\item Die Frage nach der Sortiereigenschaft ist NP-vollständig.
-\end{itemize}
+\begin{figure}
+ \begin{center}
+ \input{images/09-e2-c24-allbut1.tex}
+ \end{center}
+ \caption{Ein \emph{Komparatornetzwerk} mit neun Eingängen und
+ 24~Komparatoren, die in 8~Schichten angeordnet sind. Das Netzwerk sortiert
+ alle Eingaben, bei denen das Minimum nicht auf dem mittleren Eingang liegt.}
+ \label{fig:09-e2-c24-allbut1}
+\end{figure}
+Zu beweisen, dass ein gegebenes Komparatornetzwerk die Sortiereigenschaft {\em
+nicht} hat, ist mit einem gegebenen Gegenbeispiel einfach möglich. Das
+Komparatornetzwerk wird auf das Gegenbeispiel angewendet und anschließend wird
+überprüft, ob die Ausgabe sortiert ist. Ist sie es nicht heißt das, dass es
+mindestens eine Eingabefolge gibt, die nicht sortiert wird. Entsprechend der
+Definition handelt es sich bei dem \emph{Komparatornetzwerk} folglich
+\emph{nicht} um ein \emph{Sortiernetzwerk}. Ein solches Gegenbeispiel für ein
+gegebenes Komparatornetzwerk zu finden ist nach heutigem Kenntnisstand jedoch
+nicht \emph{effizient} möglich.
+
+Beispielsweise sortiert das Komparatornetzwerk in
+Abbildung~\ref{fig:09-e2-c24-allbut1} viele der 362.880 möglichen
+Eingabepermutationen. Mit dem Gegenbeispiel $(3, 5, 2, 1, 0, 7, 4, 8, 6)$
+lässt sich jedoch leicht beweisen, dass das Komparatornetzwerk die
+Sortiereigenschaft \emph{nicht} besitzt, da es in diesem Fall die Folge
+$(1, 0, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)$ ausgibt.
+
+Insgesamt gibt es $n!$~Permutationen von $n$~Elementen. Wenn ein
+Komparatornetzwerk die Sortiereigenschaft besitzt, bildet es alle diese
+Permutationen auf die sortierte Reihenfolge ab. Allerdings wächst $n!$
+über-exponentiell schnell, so dass ein Ausprobieren aller möglichen
+Permutationen schon bei 16~Leitungen praktisch nicht mehr zu bewerkstelligen
+ist.\footnote{1.307.674.368.000 Permutationen}
+
+Glücklicherweise reicht es aus, alle möglichen 0-1-Folgen zu überprüfen, wie
+\textit{Donald~E. Knuth} in \cite{KNUTH} zeigt. Die Beweisidee ist folgende:
+Angenommen ein Komparatornetzwerk sortiert alle 0-1-Folgen und es gibt eine
+Permutation $E = (e_0, \dots, e_{n-1})$ beliebiger Zahlen, die nicht sortiert
+wird. Die Ausgabefolge sei $A = (a_0, \dots, a_{n-1})$. Sei $i$ eine Position
+in der Ausgabe, die die Sortierbedingung verletzt:
+\begin{displaymath}
+ a_0 \leqq a_1 \leqq \dots \leqq a_{i-1} > a_i \dots
+\end{displaymath}
+Die Eingabe kann mittels
+\begin{displaymath}
+ \hat{e}_j = \left\{
+ \begin{array}{cl}
+ 0 & e_j \leqq a_i \\
+ 1 & e_j > a_i
+ \end{array} \right.
+\end{displaymath}
+auf eine 0-1-Folge abgebildet werden, die entsprechen der Annahme von
+Komparatornetzwerk sortiert wird. Allerdings verändert diese Abbildung das
+Verhalten jedes einzelnen Komparators nicht, so dass die Annahme auf einen
+Widerspruch geführt wird.
+
+Im Gegensatz zum Überprüfen aller möglichen Permutationen, was der
+Komplexitätsklasse
+$\mathcal{O}\left(\sqrt{n}\left(\frac{n}{e}\right)^n\right)$ zuzuordnen ist,
+ist das Überprüfen aller 0-1-Folgen „nur“ mit dem Aufwand $\mathcal{O}(2^n)$
+verbunden. Entsprechend ist dieses Verfahren nicht \emph{effizient} -- ein
+schnelleres Verfahren ist bisher allerdings nicht bekannt. Um zu überprüfen,
+ob ein Komparatornetzwerk mit 16~Leitungen die Sortiereigenschaft besitzt,
+sind mit dieser Methode nur 65.536 Tests notwendig -- eine Zahl, die für
+aktuelle Prozessoren keine Herausforderung darstellt. Für die Überprüfung
+eines Komparatornetzwerks mit 32~Leitungen sind jedoch bereits etwa
+4,3~Millarden Tests notwendig, die einen Rechner durchaus mehrere Minuten
+beschäftigen.
\subsubsection{Evolutionäre Algorithmen}
Nicht alle Probleme eignen sich für diese Strategie: Zum einen muss es möglich
sein, eine initiale Population zur Verfügung zu stellen, da diese als Basis
aller weiteren Operationen dient. Das ist häufig keine große Einschränkung, da
-es oft einfach ist {\em irgendeine} Lösung anzugeben. Zum anderen muss eine
-Methode für die Rekombination existieren. Das insbesondere dann problematisch
-wenn {\em Nebenbedingungen} eingehalten werden müssen.
+es oft einfach ist {\em irgendeine} Lösung anzugeben. Die angegebenen
+Algorithmen verwenden als einfache, initiale Lösung häufig das
+\emph{Odd-Even-Transpositionsort}-Netzwerk, das in
+Abschnitt~\ref{sect:odd_even_transpositionsort} beschrieben wird. Zum anderen
+muss eine Methode für die Rekombination existieren. Das ist insbesondere dann
+problematisch, wenn {\em Nebenbedingungen} eingehalten werden müssen.
Beim Aussuchen von zufälligen Lösungen aus der Population, der
\emph{Selektion}, werden gute Lösungen bevorzugt. Wie sehr diese Lösungen
beispielsweise bei der Optimierung von Sortiernetzwerken die Parameter
zwischen verschiedenen Leitungszahlen stark unterscheiden.
-\begin{itemize}
-\item Unter einem "`Evolutionären Algorithmus"' versteht man $\ldots$
-\item Da die Sortiereigenschaft zu überprüfen NP-schwer ist, ist die
-Mutation \textit{(vermutlich)} nicht (effizient) möglich.
-\end{itemize}
+Die \textit{Exploration} kann von einem weiteren Mechanismus unterstützt
+werden, der ebenfalls der Evolutionslehre entliehen ist, der \emph{Mutation}.
+Dabei werden Lösungen zufällig verändert, so dass auch andere Lösungen „in der
+Nähe“ von direkten Nachfolgern erreicht werden können. Das hilft insbesondere
+bei der intensiven Suche in der Nähe eines lokalen Optimums aber auch beim
+„Ausbrechen“ und finden noch besserer Lösungen.
+
+Bei \emph{Sortiernetzwerken} ist eine \emph{Mutation} leider immer damit
+verbunden, dass anschließend die Sortiereigenschaft des resultierenden
+\emph{Komparatornetzwerks} wieder überprüft werden muss, da selbst das
+Hinzufügen eines zufälligen Komparators diese Eigenschaft zerstören kann. Beim
+Suchen möglichst effizienter Netzwerke ist natürlich das zufällige Entfernen
+von Komparatoren interessanter, was die Sortiereigenschaft sehr oft aufhebt.
+
+Die im Folgenden beschriebenen Algorithmen mutieren (verändern) daher nicht
+die \emph{Sortiernetzwerke} selbst, sondern verzichten auf Mutation oder
+mutieren lediglich Transformationen von Sortiernetzwerken, die die
+Sortiereigenschaft erhält. Transformationen von Sortiernetzwerken werden in
+Abschnitt~\ref{sect:tranformation} beschrieben, ein Algorithmus, der Mutation
+einsetzt, wird in Abschnitt~\ref{sect:sn-evolution-cut} vorgestellt.
\newpage
\section{Bekannte konstruktive Sortiernetzwerke}
\newpage
\section{Transformation von Sortiernetzwerken}
+\label{sect:tranformation}
\subsection{Komprimieren}
\label{fig:count-cuts-16}
\end{figure}
-Um die Anzahl der \emph{unterschiedlichen} Schnittmuster abschätzen zu können,
-wurden je eine Million zufällige 8-Schnittmuster auf die 16-Sortiernetzwerke
+Alleine durch Betrachten der ersten Schicht von Komparatoren konnte die Anzahl
+der \emph{unterschiedlichen} Schnittmuster auf höchstens $\frac{2}{3}$ der
+\emph{möglichen} Schnittmuster reduziert werden. Um die Anzahl der
+\emph{unterschiedlichen} Schnittmuster experimentell zu ermitteln, wurden je
+eine Million zufällige 8-Schnittmuster auf die 16-Sortiernetzwerke
$\operatorname{OES}(16)$, $\operatorname{BS}(16)$ und $\operatorname{PS}(16)$
-angewandt. Abbildung~\ref{fig:count-cuts-16} trägt die Anzahl der
+angewandt. Anschließend wurde mithilfe einer Hashtabelle überprüft, ob das
+resultierende Sortiernetzwerk schon von einem \emph{äquivalenten}
+Schnittmuster erzeugt wurde. Falls das Sortiernetzwerk noch nicht in der
+Hashtabelle enthalten war, wurde der Zähler für unterschiedliche Schnittmuster
+erhöht und das Sortiernetzwerk eingefügt.
+
+Abbildung~\ref{fig:count-cuts-16} trägt die Anzahl der
\emph{unterschiedlichen} Schnittmuster gegen die Anzahl der zufälligen
Schnittmuster auf. Klar zu sehen ist, dass sich die Anzahl der erzeugten
Sortiernetzwerke nach $500.000$~Iterationen nur noch gering verändert und der
Wert nach $1.000.000$~Iterationen allem Anschein nach dem Endwert schon sehr
nahe ist.
-Die Anzahl der 8-Schnittmuster ist entsprechend der
+Die Anzahl der möglichen 8-Schnittmuster ist entsprechend der
Formel~\ref{eqn:anzahl_schnittmuster} 3.294.720. Diese möglichen Schnittmuster
führen aber nur zu wenigen \emph{unterschiedlichen} Sortiernetzwerken: 3519
($\approx 0,1\%$) im Fall des \emph{Odd-Even-Mergesort-Netzwerks}, 4973
vernachlässigbar klein ist.
Bedingt durch die sehr große Anzahl möglicher Schnittmuster ist dieses
-Experiment für größere Sortiernetzwerke leider nicht sinnvoll durchführbar. Um
-die Anzahl der unterschiedlichen Schnittmuster trotzdem abschätzen zu können,
-kann man sich einer stochastischen Methode bedienen, der sogenannten
+Experiment für größere Sortiernetzwerke leider nicht sinnvoll durchführbar.
+Die Hashtabelle benötigt mehr Arbeitsspeicher als in derzeitigen Rechnern
+vorhanden ist, bevor ein entsprechender Graph den linearen Bereich für
+„kleine“ x-Werte verlässt.
+
+Um die Anzahl der unterschiedlichen Schnittmuster trotzdem abschätzen zu
+können, kann man sich einer stochastischen Methode bedienen, der sogenannten
\emph{Monte-Carlo-Methode}. Zunächst generiert man eine Menge~$S$ von
$k$~unterschiedlichen Schnittmustern. Anschließend werden $n$~Schnittmuster
zufällig erzeugt und überprüft, ob sie sich in der Menge~$S$ enthalten sind.
-Unter der Annahme, dass das Verhältnis der zufälligen Schnittmuster, die in $S$
-enthalten sind, und $n$ dem Verhältnis von $k$ und der Anzahl der
+Unter der Annahme, dass das Verhältnis der zufälligen Schnittmuster, die in
+$S$ enthalten sind, und $n$ dem Verhältnis von $k$ und der Anzahl der
unterschiedlichen Schnittmuster ingesamt entspricht, kann man die Anzahl der
unterschiedlichen Schnittmuster abschätzen.
\newpage
\section{Der \textsc{SN-Evolution}-Algorithmus}
-Um einen evolutionären Algorithmus für Sortiernetzwerke zu entwickeln, werden
-die vorgestellten Methoden kombiniert.
+Der \textsc{SN-Evolution}-Algorithmus ist ein \emph{evolutionärer
+Algorithmus}, der die in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Mischer
+(Abschnitt~\ref{sect:konstruktive_netzwerke}) und Schnittmuster
+(Abschnitt~\ref{sect:leitungen_entfernen}) verwendet, um „möglichst gute“
+Sortiernetzwerke zu erzeugen. Was ein „gutes“ Sortiernetzwerk ausmacht, wird
+in Abschnitt~\ref{sect:bewertung} behandelt.
\subsection{Bewertungsfunktion}\label{sect:bewertung}
Um Sortiernetzwerke überhaupt optimieren zu können, muss zunächst die
{\em Güte} eines Netzwerkes definiert werden. Prinzipiell gibt es zwei Ziele,
-die interessant sind:
+die bei Sortiernetzwerken verfolgt werden können:
\begin{itemize}
- \item Möglichst wenige Komparatoren ("`klein"')
- \item Möglichst wenige Schichten ("`schnell"')
+ \item Möglichst wenige Komparatoren („billig“)
+ \item Möglichst wenige Schichten („schnell“)
\end{itemize}
Diese Ziele führen im Allgemeinen zu unterschiedlichen Netzwerken. Das
-kleinste bekannte Sortiernetzwerk für 16~Eingänge besteht aus 60~Komparatoren
+billigste bekannte Sortiernetzwerk für 16~Eingänge besteht aus 60~Komparatoren
in 10~Schichten. Das schnellste Netzwerk besteht aus 61~Komparatoren in nur
9~Schichten.
-Eine Gütefunktion, die die beiden Ziele "`klein"' und "`schnell"'
+Eine Gütefunktion, die die beiden Ziele "`billig"' und "`schnell"'
berücksichtigen kann, hat die folgende allgemeine Form:
\begin{equation}
\operatorname{Guete}(S) = w_{\mathrm{Basis}}
dabei der Festlegung des Optimierungsziels. Wenn einer der beiden Parameter
gleich Null ist, wird nur das jeweils andere Ziel verfolgt. Sind beide
Parameter gleich Null, werden alle Netzwerke mit der gleich Güte bewertet --
-jegliche Ergebnisse sind dann rein zufälliger Natur.
+jegliche Ergebnisse sind dann rein zufälliger Natur.\footnote{Dass dies nicht
+so schlecht ist wie man intuitiv vermuten könnte, zeigt der
+\textsc{SN-Markov}-Algorithmus in Abschnitt~\ref{sect:markov}.}
+
+Da möglichst billige und schnelle Sortiernetzwerke gefunden werden sollen, ist
+ein kleiner Wert von $\operatorname{Guete}(S)$ besser als ein großer Wert. Das
+heißt, dass das Ziel von \textsc{SN-Evolution} ist, $\operatorname{Guete}(S)$
+zu \emph{minimieren}.
Mit dem Parameter $w_{\mathrm{Basis}}$ kann auf die Selektion Einfluss
genommen werden. Ist er groß, wird der relative Unterschied der Güten
verschiedener Netzwerke kleiner, was die {\em Exploration}, das Absuchen des
gesamten Lösungsraums, begünstigt. Wählt man $w_{\mathrm{Basis}}$ hingegen
-klein, in Abhängigkeit von den anderen beiden Parametern sind auch negative
-Werte möglich, werden die relativen Unterschiede groß. Dadurch wird die {\em
-Exploitation}, das Finden lokaler Optima, bevorzugt.
+klein -- in Abhängigkeit von den anderen beiden Parametern sind auch negative
+Werte möglich -- werden die relativen Unterschiede groß. Dadurch wird die {\em
+Exploitation}, das Finden (lokaler) Optima, bevorzugt.
+
+Diese Parameter haben einen großen Einfluss auf die Geschwindigkeit, mit der
+der \textsc{SN-Evolution}-Algorithmus konvergiert und ob er tatsächlich gute
+Lösungen findet oder sich in \emph{lokalen} Optima verrennt. Leider gibt es
+kein Patentrezept für die Wahl der Parameter, so dass für verschiedene
+Leitungszahlen und Mischer-Typen experimentiert werden muss.
\subsection{Selektion}
-...
+Die \emph{Selektion} sorgt dafür, dass bessere Individuen eine größere
+Wahrscheinlichkeit haben, zur nächsten Generation beizutragen. Diese
+Ungleichbehandlung von Individuen verschiedener Güte ist der Grund für das
+Streben des Algorithmus nach besseren Lösungen.
+
+Obwohl dieser Vorteil für gute Individuen intuitiv als sehr gering erscheint,
+ist es sehr häufig, dass die \emph{Exploitation} überhand gewinnt und der
+Algorithmus vorschnell in Richtung eines lokalen Optimums optimiert.
+
+Die in \textsc{SN-Evolution} implementierte Selektion lässt sich mithilfe von
+Pseudocode wie folgt beschreiben:
+\begin{verbatim}
+Guetesumme := 0
+Auswahl := (leer)
+
+fuer jedes Individuum in Population
+{
+ reziproke Guete := 1.0 / Guete(Individuum)
+ Wahrscheinlichkeit P := reziproke Guete / (reziproke Guete + Guetesumme)
+ Guetesumme := Guetesumme + reziproke Guete
+
+ mit Wahrscheinlichkeit P
+ {
+ Auswahl := Individuum
+ }
+}
+gebe Auswahl zurueck
+\end{verbatim}
\subsection{Rekombination}
\newpage
\section{Der \textsc{SN-Markov}-Algorithmus}
+\label{sect:markov}
Der evolutionäre \textsc{SN-Evolution}-Algorithmus aus dem vorherigen
Abschnitt verwendete immer zwei zufällige Sortiernetzwerke („Individuen“) aus
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