0.9.14.31:
[sbcl.git] / src / code / sort.lisp
1 ;;;; SORT and friends
2
3 ;;;; This software is part of the SBCL system. See the README file for
4 ;;;; more information.
5 ;;;;
6 ;;;; This software is derived from the CMU CL system, which was
7 ;;;; written at Carnegie Mellon University and released into the
8 ;;;; public domain. The software is in the public domain and is
9 ;;;; provided with absolutely no warranty. See the COPYING and CREDITS
10 ;;;; files for more information.
11
12 (in-package "SB!IMPL")
13
14 (defun sort-vector (vector start end predicate-fun key-fun-or-nil)
15   (sort-vector vector start end predicate-fun key-fun-or-nil))
16
17 ;;; This is MAYBE-INLINE because it's not too hard to have an
18 ;;; application where sorting is a major bottleneck, and inlining it
19 ;;; allows the compiler to make enough optimizations that it might be
20 ;;; worth the (large) cost in space.
21 (declaim (maybe-inline sort))
22 (defun sort (sequence predicate &key key)
23   #!+sb-doc
24   "Destructively sort SEQUENCE. PREDICATE should return non-NIL if
25    ARG1 is to precede ARG2."
26   (let ((predicate-fun (%coerce-callable-to-fun predicate)))
27     (typecase sequence
28       (list
29        (stable-sort-list sequence
30                          predicate-fun
31                          (if key (%coerce-callable-to-fun key) #'identity)))
32       (vector
33        (let ((key-fun-or-nil (and key (%coerce-callable-to-fun key))))
34          (with-array-data ((vector (the vector sequence))
35                            (start 0)
36                            (end (length sequence)))
37            (sort-vector vector start end predicate-fun key-fun-or-nil)))
38        sequence)
39       (t
40        (error 'simple-type-error
41               :datum sequence
42               :expected-type 'sequence
43               :format-control "~S is not a sequence."
44               :format-arguments (list sequence))))))
45 \f
46 ;;;; stable sorting
47
48 (defun stable-sort (sequence predicate &key key)
49   #!+sb-doc
50   "Destructively sort SEQUENCE. PREDICATE should return non-NIL if
51    ARG1 is to precede ARG2."
52   (let ((predicate-fun (%coerce-callable-to-fun predicate)))
53     (typecase sequence
54       (simple-vector
55        (stable-sort-simple-vector sequence
56                                   predicate-fun
57                                   (and key (%coerce-callable-to-fun key))))
58       (list
59        (stable-sort-list sequence
60                          predicate-fun
61                          (if key (%coerce-callable-to-fun key) #'identity)))
62       (vector
63        (stable-sort-vector sequence
64                            predicate-fun
65                            (and key (%coerce-callable-to-fun key))))
66       (t
67        (error 'simple-type-error
68               :datum sequence
69               :expected-type 'sequence
70               :format-control "~S is not a sequence."
71               :format-arguments (list sequence))))))
72   \f
73 ;;; APPLY-KEYED-PRED saves us a function call sometimes.
74 (eval-when (:compile-toplevel :execute)
75   (sb!xc:defmacro apply-keyed-pred (one two pred key)
76     `(if ,key
77          (funcall ,pred (funcall ,key ,one)
78                   (funcall ,key  ,two))
79          (funcall ,pred ,one ,two)))
80 ) ; EVAL-WHEN
81 \f
82 ;;;; stable sort of lists
83
84 (defun last-cons-of (list)
85   (loop (let ((rest (rest list)))
86           (if rest
87               (setf list rest)
88               (return list)))))
89
90 ;;; Destructively merge LIST-1 with LIST-2 (given that they're already
91 ;;; sorted w.r.t. PRED-FUN on KEY-FUN, giving output sorted the same
92 ;;; way). In the resulting list, elements of LIST-1 are guaranteed to
93 ;;; come before equal elements of LIST-2.
94 ;;;
95 ;;; Return (VALUES HEAD TAILTAIL), where HEAD is the same value you'd
96 ;;; expect from MERGE, and TAILTAIL is the last cons in the list (i.e.
97 ;;; the last cons in the list which NRECONC calls TAIL).
98 (defun merge-lists* (list-1 list-2 pred-fun key-fun)
99   (declare (type list list-1 list-2))
100   (declare (type function pred-fun key-fun))
101   (cond ((null list-1) (values list-2 (last-cons-of list-2)))
102         ((null list-2) (values list-1 (last-cons-of list-1)))
103         (t (let* ((reversed-result-so-far nil)
104                   (key-1 (funcall key-fun (car list-1)))
105                   (key-2 (funcall key-fun (car list-2))))
106              (loop
107               (macrolet ((frob (list-i key-i other-list)
108                            `(progn
109                               ;; basically
110                               ;;   (PUSH (POP ,LIST-I) REVERSED-RESULT-SO-FAR),
111                               ;; except doing some fancy footwork to
112                               ;; reuse the cons cell:
113                               (psetf (cdr ,list-i) reversed-result-so-far
114                                      reversed-result-so-far ,list-i
115                                      ,list-i (cdr ,list-i))
116                               ;; Now maybe we're done.
117                               (if (endp ,list-i)
118                                   (return (values (nreconc
119                                                    reversed-result-so-far
120                                                    ,other-list)
121                                                   (last-cons-of
122                                                    ,other-list)))
123                                   (setf ,key-i
124                                         (funcall key-fun (car ,list-i)))))))
125                 ;; Note that by making KEY-2 the first arg to
126                 ;; PRED-FUN, we arrange that if PRED-FUN is a function
127                 ;; in the #'< style, the outcome is stably sorted.
128                 (if (funcall pred-fun key-2 key-1)
129                     (frob list-2 key-2 list-1)
130                     (frob list-1 key-1 list-2))))))))
131
132 ;;; STABLE-SORT-LIST uses a bottom-up merge sort. First a pass is made
133 ;;; over the list grabbing one element at a time and merging it with
134 ;;; the next one to form pairs of sorted elements. Then N is doubled,
135 ;;; and elements are taken in runs of two, merging one run with the
136 ;;; next to form quadruples of sorted elements. This continues until N
137 ;;; is large enough that the inner loop only runs for one iteration;
138 ;;; that is, there are only two runs that can be merged, the first run
139 ;;; starting at the beginning of the list, and the second being the
140 ;;; remaining elements.
141 (defun stable-sort-list (list pred-fun key-fun)
142   (let ((head (cons :header list))  ; head holds on to everything
143         (n 1)                       ; bottom-up size of lists to be merged
144         unsorted                    ; unsorted is the remaining list to be
145                                     ;   broken into n size lists and merged
146         list-1                      ; list-1 is one length n list to be merged
147         last)                       ; last points to the last visited cell
148     (declare (type function pred-fun key-fun)
149              (type fixnum n))
150     (loop
151      ;; Start collecting runs of N at the first element.
152      (setf unsorted (cdr head))
153      ;; Tack on the first merge of two N-runs to the head holder.
154      (setf last head)
155      (let ((n-1 (1- n)))
156        (declare (fixnum n-1))
157        (loop
158         (setf list-1 unsorted)
159         (let ((temp (nthcdr n-1 list-1))
160               list-2)
161           (cond (temp
162                  ;; There are enough elements for a second run.
163                  (setf list-2 (cdr temp))
164                  (setf (cdr temp) nil)
165                  (setf temp (nthcdr n-1 list-2))
166                  (cond (temp
167                         (setf unsorted (cdr temp))
168                         (setf (cdr temp) nil))
169                        ;; The second run goes off the end of the list.
170                        (t (setf unsorted nil)))
171                  (multiple-value-bind (merged-head merged-last)
172                      (merge-lists* list-1 list-2 pred-fun key-fun)
173                    (setf (cdr last) merged-head
174                          last merged-last))
175                  (if (null unsorted) (return)))
176                 ;; If there is only one run, then tack it on to the end.
177                 (t (setf (cdr last) list-1)
178                    (return)))))
179        (setf n (ash n 1)) ; (+ n n)
180        ;; If the inner loop only executed once, then there were only
181        ;; enough elements for two runs given n, so all the elements
182        ;; have been merged into one list. This may waste one outer
183        ;; iteration to realize.
184        (if (eq list-1 (cdr head))
185            (return list-1))))))
186 \f
187 ;;;; stable sort of vectors
188
189 ;;; Stable sorting vectors is done with the same algorithm used for
190 ;;; lists, using a temporary vector to merge back and forth between it
191 ;;; and the given vector to sort.
192
193 (eval-when (:compile-toplevel :execute)
194
195 ;;; STABLE-SORT-MERGE-VECTORS* takes a source vector with subsequences,
196 ;;;    start-1 (inclusive) ... end-1 (exclusive) and
197 ;;;    end-1 (inclusive) ... end-2 (exclusive),
198 ;;; and merges them into a target vector starting at index start-1.
199
200 (sb!xc:defmacro stable-sort-merge-vectors* (source target start-1 end-1 end-2
201                                                      pred key source-ref
202                                                      target-ref)
203   (let ((i (gensym))
204         (j (gensym))
205         (target-i (gensym)))
206     `(let ((,i ,start-1)
207            (,j ,end-1) ; start-2
208            (,target-i ,start-1))
209        (declare (fixnum ,i ,j ,target-i))
210        (loop
211         (cond ((= ,i ,end-1)
212                (loop (if (= ,j ,end-2) (return))
213                      (setf (,target-ref ,target ,target-i)
214                            (,source-ref ,source ,j))
215                      (incf ,target-i)
216                      (incf ,j))
217                (return))
218               ((= ,j ,end-2)
219                (loop (if (= ,i ,end-1) (return))
220                      (setf (,target-ref ,target ,target-i)
221                            (,source-ref ,source ,i))
222                      (incf ,target-i)
223                      (incf ,i))
224                (return))
225               ((apply-keyed-pred (,source-ref ,source ,j)
226                                  (,source-ref ,source ,i)
227                                  ,pred ,key)
228                (setf (,target-ref ,target ,target-i)
229                      (,source-ref ,source ,j))
230                (incf ,j))
231               (t (setf (,target-ref ,target ,target-i)
232                        (,source-ref ,source ,i))
233                  (incf ,i)))
234         (incf ,target-i)))))
235
236 ;;; VECTOR-MERGE-SORT is the same algorithm used to stable sort lists,
237 ;;; but it uses a temporary vector. DIRECTION determines whether we
238 ;;; are merging into the temporary (T) or back into the given vector
239 ;;; (NIL).
240 (sb!xc:defmacro vector-merge-sort (vector pred key vector-ref)
241   (let ((vector-len (gensym)) (n (gensym))
242         (direction (gensym))  (unsorted (gensym))
243         (start-1 (gensym))    (end-1 (gensym))
244         (end-2 (gensym))      (temp-len (gensym))
245         (i (gensym)))
246     `(let ((,vector-len (length (the vector ,vector)))
247            (,n 1)        ; bottom-up size of contiguous runs to be merged
248            (,direction t) ; t vector --> temp    nil temp --> vector
249            (,temp-len (length (the simple-vector *merge-sort-temp-vector*)))
250            (,unsorted 0)  ; unsorted..vector-len are the elements that need
251                           ; to be merged for a given n
252            (,start-1 0))  ; one n-len subsequence to be merged with the next
253        (declare (fixnum ,vector-len ,n ,temp-len ,unsorted ,start-1))
254        (if (> ,vector-len ,temp-len)
255            (setf *merge-sort-temp-vector*
256                  (make-array (max ,vector-len (+ ,temp-len ,temp-len)))))
257        (loop
258         ;; for each n, we start taking n-runs from the start of the vector
259         (setf ,unsorted 0)
260         (loop
261          (setf ,start-1 ,unsorted)
262          (let ((,end-1 (+ ,start-1 ,n)))
263            (declare (fixnum ,end-1))
264            (cond ((< ,end-1 ,vector-len)
265                   ;; there are enough elements for a second run
266                   (let ((,end-2 (+ ,end-1 ,n)))
267                     (declare (fixnum ,end-2))
268                     (if (> ,end-2 ,vector-len) (setf ,end-2 ,vector-len))
269                     (setf ,unsorted ,end-2)
270                     (if ,direction
271                         (stable-sort-merge-vectors*
272                          ,vector *merge-sort-temp-vector*
273                          ,start-1 ,end-1 ,end-2 ,pred ,key ,vector-ref svref)
274                         (stable-sort-merge-vectors*
275                          *merge-sort-temp-vector* ,vector
276                          ,start-1 ,end-1 ,end-2 ,pred ,key svref ,vector-ref))
277                     (if (= ,unsorted ,vector-len) (return))))
278                  ;; if there is only one run, copy those elements to the end
279                  (t (if ,direction
280                         (do ((,i ,start-1 (1+ ,i)))
281                             ((= ,i ,vector-len))
282                           (declare (fixnum ,i))
283                           (setf (svref *merge-sort-temp-vector* ,i)
284                                 (,vector-ref ,vector ,i)))
285                         (do ((,i ,start-1 (1+ ,i)))
286                             ((= ,i ,vector-len))
287                           (declare (fixnum ,i))
288                           (setf (,vector-ref ,vector ,i)
289                                 (svref *merge-sort-temp-vector* ,i))))
290                     (return)))))
291         ;; If the inner loop only executed once, then there were only enough
292         ;; elements for two subsequences given n, so all the elements have
293         ;; been merged into one list. Start-1 will have remained 0 upon exit.
294         (when (zerop ,start-1)
295           (if ,direction
296               ;; if we just merged into the temporary, copy it all back
297               ;; to the given vector.
298               (dotimes (,i ,vector-len)
299                 (setf (,vector-ref ,vector ,i)
300                       (svref *merge-sort-temp-vector* ,i))))
301           (return ,vector))
302         (setf ,n (ash ,n 1)) ; (* 2 n)
303         (setf ,direction (not ,direction))))))
304
305 ) ; EVAL-when
306
307 ;;; temporary vector for stable sorting vectors
308 (defvar *merge-sort-temp-vector*
309   (make-array 50))
310
311 (declaim (simple-vector *merge-sort-temp-vector*))
312
313 (defun stable-sort-simple-vector (vector pred key)
314   (declare (type simple-vector vector)
315            (type function pred)
316            (type (or null function) key))
317   (vector-merge-sort vector pred key svref))
318
319 (defun stable-sort-vector (vector pred key)
320   (declare (type function pred)
321            (type (or null function) key))
322   (vector-merge-sort vector pred key aref))
323 \f
324 ;;;; merging
325
326 (eval-when (:compile-toplevel :execute)
327
328 ;;; MERGE-VECTORS returns a new vector which contains an interleaving
329 ;;; of the elements of VECTOR-1 and VECTOR-2. Elements from VECTOR-2
330 ;;; are chosen only if they are strictly less than elements of
331 ;;; VECTOR-1, (PRED ELT-2 ELT-1), as specified in the manual.
332 (sb!xc:defmacro merge-vectors (vector-1 length-1 vector-2 length-2
333                                result-vector pred key access)
334   (let ((result-i (gensym))
335         (i (gensym))
336         (j (gensym)))
337     `(let* ((,result-i 0)
338             (,i 0)
339             (,j 0))
340        (declare (fixnum ,result-i ,i ,j))
341        (loop
342         (cond ((= ,i ,length-1)
343                (loop (if (= ,j ,length-2) (return))
344                      (setf (,access ,result-vector ,result-i)
345                            (,access ,vector-2 ,j))
346                      (incf ,result-i)
347                      (incf ,j))
348                (return ,result-vector))
349               ((= ,j ,length-2)
350                (loop (if (= ,i ,length-1) (return))
351                      (setf (,access ,result-vector ,result-i)
352                            (,access ,vector-1 ,i))
353                      (incf ,result-i)
354                      (incf ,i))
355                (return ,result-vector))
356               ((apply-keyed-pred (,access ,vector-2 ,j) (,access ,vector-1 ,i)
357                                  ,pred ,key)
358                (setf (,access ,result-vector ,result-i)
359                      (,access ,vector-2 ,j))
360                (incf ,j))
361               (t (setf (,access ,result-vector ,result-i)
362                        (,access ,vector-1 ,i))
363                  (incf ,i)))
364         (incf ,result-i)))))
365
366 ) ; EVAL-WHEN
367
368 (defun merge (result-type sequence1 sequence2 predicate &key key)
369   #!+sb-doc
370   "Merge the sequences SEQUENCE1 and SEQUENCE2 destructively into a
371    sequence of type RESULT-TYPE using PREDICATE to order the elements."
372   ;; FIXME: This implementation is remarkably inefficient in various
373   ;; ways. In decreasing order of estimated user astonishment, I note:
374   ;; full calls to SPECIFIER-TYPE at runtime; copying input vectors
375   ;; to lists before doing MERGE-LISTS*; and walking input lists
376   ;; (because of the call to MERGE-LISTS*, which walks the list to
377   ;; find the last element for its second return value) even in cases
378   ;; like (MERGE 'LIST (LIST 1) (LIST 2 3 4 5 ... 1000)) where one list
379   ;; can be largely ignored. -- WHN 2003-01-05
380   (let ((type (specifier-type result-type)))
381     (cond
382       ((csubtypep type (specifier-type 'list))
383        ;; the VECTOR clause, below, goes through MAKE-SEQUENCE, so
384        ;; benefits from the error checking there. Short of
385        ;; reimplementing everything, we can't do the same for the LIST
386        ;; case, so do relevant length checking here:
387        (let ((s1 (coerce sequence1 'list))
388              (s2 (coerce sequence2 'list))
389              (pred-fun (%coerce-callable-to-fun predicate))
390              (key-fun (if key
391                           (%coerce-callable-to-fun key)
392                           #'identity)))
393          (when (type= type (specifier-type 'list))
394            (return-from merge (values (merge-lists* s1 s2 pred-fun key-fun))))
395          (when (eq type *empty-type*)
396            (bad-sequence-type-error nil))
397          (when (type= type (specifier-type 'null))
398            (if (and (null s1) (null s2))
399                (return-from merge 'nil)
400                ;; FIXME: This will break on circular lists (as,
401                ;; indeed, will the whole MERGE function).
402                (sequence-type-length-mismatch-error type
403                                                     (+ (length s1)
404                                                        (length s2)))))
405          (if (cons-type-p type)
406              (multiple-value-bind (min exactp)
407                  (sb!kernel::cons-type-length-info type)
408                (let ((length (+ (length s1) (length s2))))
409                  (if exactp
410                      (unless (= length min)
411                        (sequence-type-length-mismatch-error type length))
412                      (unless (>= length min)
413                        (sequence-type-length-mismatch-error type length)))
414                  (values (merge-lists* s1 s2 pred-fun key-fun))))
415              (sequence-type-too-hairy result-type))))
416       ((csubtypep type (specifier-type 'vector))
417        (let* ((vector-1 (coerce sequence1 'vector))
418               (vector-2 (coerce sequence2 'vector))
419               (length-1 (length vector-1))
420               (length-2 (length vector-2))
421               (result (make-sequence result-type
422                                      (+ length-1 length-2))))
423          (declare (vector vector-1 vector-2)
424                   (fixnum length-1 length-2))
425          (if (and (simple-vector-p result)
426                   (simple-vector-p vector-1)
427                   (simple-vector-p vector-2))
428              (merge-vectors vector-1 length-1 vector-2 length-2
429                             result predicate key svref)
430              (merge-vectors vector-1 length-1 vector-2 length-2
431                             result predicate key aref))))
432       (t (bad-sequence-type-error result-type)))))