src/sn_network.h

   1 /**
   2  * \file sn_network.h
   3  * \brief The sn_network_t class and associated methods.
   4  *
   5  * This is more details about what this file does.
   6  *
   7  * \verbatim
   8  * libsortnetwork - src/sn_network.h
   9  * Copyright (C) 2008-2010  Florian octo Forster
  10  *
  11  * This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
  12  * under the terms of the GNU General Public License as published by the
  13  * Free Software Foundation; only version 2 of the License is applicable.
  14  *
  15  * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
  16  * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  17  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  18  * General Public License for more details.
  19  *
  20  * You should have received a copy of the GNU General Public License along
  21  * with this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
  22  * 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301 USA
  23  *
  24  * Authors:
  25  *   Florian octo Forster <ff at octo.it>
  26  * \endverbatim
  27  **/
  28
  29
  30 #ifndef SN_NETWORK_H
  31 #define SN_NETWORK_H 1
  32
  33 #include <stdio.h>
  34
  35 #include "sn_comparator.h"
  36 #include "sn_stage.h"
  37
  38 /**
  39  * The global struct representing a comparator or sort network.
  40  */
  41 struct sn_network_s
  42 {
  43   int inputs_num;       /**< Number of inputs of the comparator network. */
  44   sn_stage_t **stages;  /**< Array of pointers to the stages of a comparator network. */
  45   int stages_num;       /**< Number of stages in this comparator network. */
  46 };
  47 typedef struct sn_network_s sn_network_t;
  48
  49 #define SN_NETWORK_STAGE_NUM(n) (n)->stages_num
  50 #define SN_NETWORK_STAGE_GET(n,i) ((n)->stages[i])
  51 #define SN_NETWORK_INPUT_NUM(n) (n)->inputs_num
  52
  53 /**
  54  * Creates an empty comparator network and returns a pointer to it. The
  55  * comparator network must be freed using sn_network_destroy().
  56  *
  57  * \param inputs_num Number of inputs the comparator network has.
  58  * \return Pointer to the comparator network or \c NULL on error.
  59  */
  60 sn_network_t *sn_network_create (int inputs_num);
  61
  62 /**
  63  * Clones an existing comparator network.
  64  *
  65  * \param n Comparator network to clone.
  66  * \return Copied sort network or \c NULL on error. The returned network must
  67  *   be freed using sn_network_destroy().
  68  */
  69 sn_network_t *sn_network_clone (const sn_network_t *n);
  70
  71 /**
  72  * Destroys a comparator network allocated with sn_network_create() or one of
  73  * the other methods returning a \c sn_network_t. This frees all allocated
  74  * space.
  75  *
  76  * \param n The comparator network to destroy. May be \c NULL.
  77  */
  78 void sn_network_destroy (sn_network_t *n);
  79
  80 /**
  81  * Creates a new sort network using Batcher's Odd-Even-Mergesort algorithm.
  82  *
  83  * \param inputs_num Number of inputs / outputs of the sorting network.
  84  * \return A pointer to the newly allocated sorting network or \c NULL if an
  85  *   invalid number of inputs was given or allocation failed.
  86  */
  87 sn_network_t *sn_network_create_odd_even_mergesort (int inputs_num);
  88
  89 /**
  90  * Creates a new sorting network using the Pairwise sorting algorithm published
  91  * by Ian Parberry.
  92  * \param inputs_num Number of inputs / outputs of the sorting network.
  93  * \return A pointer to the newly allocated sorting network or \c NULL if an
  94  *   invalid number of inputs was given or allocation failed.
  95  */
  96 sn_network_t *sn_network_create_pairwise (int inputs_num);
  97
  98 /**
  99  * Append a new stage to a comparator network.
 100  *
 101  * \param n The comparator network to which to add the stage.
 102  * \param s A pointer to a stage. The memory pointed to by this parameter is
 103  *   not copied and freed by sn_network_destroy(). It is the caller's
 104  *   responsibility to call sn_stage_clone() if appropriate.
 105  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 106  */
 107 int sn_network_stage_add (sn_network_t *n, sn_stage_t *s);
 108
 109 /**
 110  * Remove a stage from a comparator network.
 111  *
 112  * \param n A pointer to the comparator network to modify.
 113  * \param s_num The depth of the comparator network to remove, with zero being
 114  *   meaning the stage closest to the inputs.
 115  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 116  */
 117 int sn_network_stage_remove (sn_network_t *n, int s_num);
 118
 119 /**
 120  * Adds a comparator to a comparator network. The code tries to add the
 121  * comparator to the last stage, i.e. the stage closest to the outputs. If this
 122  * is not possible, because one line is used by another comparator, a new stage
 123  * is created and appended to the sorting network.
 124  *
 125  * \param n Pointer to the comparator netork.
 126  * \param c Pointer to a comparator to add. The given comparator is copied. It
 127  *   is the caller's responsibility to free c.
 128  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 129  */
 130 int sn_network_comparator_add (sn_network_t *n, const sn_comparator_t *c);
 131
 132 /**
 133  * Returns the number of comparators contained in the comparator network. This
 134  * will traverse all comparators in all stages, resulting in a running time of
 135  * \f$ \mathcal{O}(n) \f$.
 136  *
 137  * \param n Comparator network to work with.
 138  * \return The number of comparators contained in the network or less than zero
 139  *  on error (\c n is \c NULL).
 140  */
 141 int sn_network_get_comparator_num (const sn_network_t *n);
 142
 143 /**
 144  * Applies a comparator network to an array of integers. This is implemented by
 145  * calling sn_stage_sort() with every stage of the network.
 146  *
 147  * \param n Pointer to the comparator netork.
 148  * \param[in,out] values Pointer to integer values to sort. The number of
 149  *   integer values pointed to must be at least the number of inputs of the
 150  *   comparator network. Otherwise, segmentation faults or memory corruption
 151  *   will occur.
 152  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 153  * \see sn_stage_sort
 154  */
 155 int sn_network_sort (sn_network_t *n, int *values);
 156
 157 /**
 158  * Checks whether a given comparator network is a sorting network by testing
 159  * all \f$ 2^n \f$ 0-1-patterns. Since this function has exponential running
 160  * time, using it with comparator networks with many inputs is not advisable.
 161  *
 162  * \param n The comparator network to test.
 163  * \return Zero if the comparator network is a sort network, one if the
 164  *   comparator network is \em not a sort network, or something else on error.
 165  */
 166 int sn_network_brute_force_check (sn_network_t *n);
 167
 168 /**
 169  * Prints the comparator network to \c STDOUT using a human readable
 170  * representation.
 171  *
 172  * \param n The comparator network to display.
 173  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 174  */
 175 int sn_network_show (sn_network_t *n);
 176
 177 /**
 178  * Inverts a comparator network by switching the direction of all comparators.
 179  *
 180  * \param n The network to invert.
 181  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 182  */
 183 int sn_network_invert (sn_network_t *n);
 184
 185 /**
 186  * Shifts a comparator network (permutes the inputs). Each input is shifted
 187  * \f$ s \f$ positions, higher inputs are "wrapped around".
 188  *
 189  * \param n The comparator network to shift.
 190  * \param s The number of positions to shift.
 191  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 192  */
 193 int sn_network_shift (sn_network_t *n, int s);
 194
 195 /**
 196  * Compresses a comparator network by moving all comparators to the earliest
 197  * possible stage and removing all remaining empty stages.
 198  *
 199  * \param n The network to compress.
 200  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 201  */
 202 int sn_network_compress (sn_network_t *n);
 203
 204 /**
 205  * Converts a non-standard comparator network to a standard comparator network,
 206  * i.e. a network in which all comparators point in the same direction.
 207  *
 208  * \param n The network to normalize.
 209  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 210  */
 211 int sn_network_normalize (sn_network_t *n);
 212
 213 /**
 214  * Removes an inputs from a comparator network by assuming positive or negative
 215  * infinity to be supplied to a given input. The value will take a
 216  * deterministic way through the comparator network. After removing the path
 217  * and all comparators it touched from the comparator network, a new comparator
 218  * network with \f$ n-1 \f$ inputs remains. The remaining outputs behave
 219  * identical to the original network with respect to one another.
 220  *
 221  * \param n The comparator network to modify.
 222  * \param input The input to remove.
 223  * \param dir The direction in which to cut, i.e. whether to assume positive or
 224  *   negative infinity.
 225  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 226  */
 227 int sn_network_cut_at (sn_network_t *n, int input, enum sn_network_cut_dir_e dir);
 228
 229 /**
 230  * An alias for sn_network_combine_odd_even_merge().
 231  */
 232 sn_network_t *sn_network_combine (sn_network_t *n0, sn_network_t *n1);
 233
 234 /**
 235  * Combines two comparator networks using a bitonic merger. The number of
 236  * inputs of both comparator networks must be identical and a power of two.
 237  *
 238  * \param n0 First network.
 239  * \param n1 Second network.
 240  * \return Newly allocated network with twice the number of inputs or \c NULL
 241  *   on error.
 242  */
 243 sn_network_t *sn_network_combine_bitonic_merge (sn_network_t *n0, sn_network_t *n1);
 244
 245 /**
 246  * Combines two comparator networks using the odd-even-merger.
 247  *
 248  * \param n0 First network.
 249  * \param n1 Second network.
 250  * \return Newly allocated network or \c NULL on error.
 251  */
 252 sn_network_t *sn_network_combine_odd_even_merge (sn_network_t *n0, sn_network_t *n1);
 253
 254 /**
 255  * Reads a comparator network from a open file handle.
 256  *
 257  * \param fh The FILE pointer to read from.
 258  * \return A newly allocated comparator network or \c NULL on error.
 259  * \see sn_network_read_file
 260  */
 261 sn_network_t *sn_network_read (FILE *fh);
 262
 263 /**
 264  * Reads a comparator network from a file.
 265  *
 266  * \param file File name to read the network from.
 267  * \return A newly allocated comparator network or \c NULL on error.
 268  * \see sn_network_read
 269  */
 270 sn_network_t *sn_network_read_file (const char *file);
 271
 272 /**
 273  * Writes a comparator network to a file handle.
 274  *
 275  * \param n The comparator network to write.
 276  * \param fh The file handle to write to. Must be opened in write mode.
 277  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 278  * \see sn_network_write_file
 279  */
 280 int sn_network_write (sn_network_t *n, FILE *fh);
 281
 282 /**
 283  * Writes a comparator network to a file.
 284  *
 285  * \param n The comparator network to write.
 286  * \param fh The file name to write the network to.
 287  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 288  * \see sn_network_write
 289  */
 290 int sn_network_write_file (sn_network_t *n, const char *file);
 291
 292 /**
 293  * Creates a serialized form of the given comparator network. The serialized
 294  * form is byte-order independent and can easily be sent over a computer
 295  * network.
 296  *
 297  * \param n The comparator network to serialize.
 298  * \param[out] ret_buffer Pointer to a pointer into which the location of the
 299  *   allocated memory will be written. It is the caller's responsibility to
 300  *   free this memory.
 301  * \param[out] ret_buffer_size Pointer to a size_t into which the size of the
 302  *   allocated memory will be written.
 303  * \return Zero on success, non-zero on failure.
 304  * \see sn_network_unserialize
 305  */
 306 int sn_network_serialize (sn_network_t *n, char **ret_buffer,
 307     size_t *ret_buffer_size);
 308
 309 /**
 310  * Creates a comparator network from its serialized form.
 311  *
 312  * \param buffer Pointer to a buffer containing the comparator network in
 313  *   serialized form.
 314  * \param buffer_size Size of the buffer (in bytes).
 315  * \return Pointer to the newly allocated comparator network or \c NULL on
 316  *   error.
 317  * \see sn_network_serialize
 318  */
 319 sn_network_t *sn_network_unserialize (char *buffer, size_t buffer_size);
 320 #endif /* SN_NETWORK_H */
 321
 322 /* vim: set shiftwidth=2 softtabstop=2 : */