src/code/target-sxhash.lisp

   1 ;;;; hashing functions
   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 ;;; the depthoid explored when calculating hash values
  15 ;;;
  16 ;;; "Depthoid" here is a sort of mixture of what Common Lisp ordinarily calls
  17 ;;; depth and what Common Lisp ordinarily calls length; it's incremented either
  18 ;;; when we descend into a compound object or when we step through elements of
  19 ;;; a compound object.
  20 (defconstant +max-hash-depthoid+ 4)
  21 \f
  22 ;;;; mixing hash values
  23
  24 ;;; a function for mixing hash values
  25 ;;;
  26 ;;; desiderata:
  27 ;;;   * Non-commutativity keeps us from hashing e.g. #(1 5) to the
  28 ;;;     same value as #(5 1), and ending up in real trouble in some
  29 ;;;     special cases like bit vectors the way that CMUCL 18b SXHASH
  30 ;;;     does. (Under CMUCL 18b, SXHASH of any bit vector is 1..)
  31 ;;;   * We'd like to scatter our hash values over the entire possible range
  32 ;;;     of values instead of hashing small or common key values (like
  33 ;;;     2 and NIL and #\a) to small FIXNUMs the way that the CMUCL 18b
  34 ;;;     SXHASH function does, again helping to avoid pathologies like
  35 ;;;     hashing all bit vectors to 1.
  36 ;;;   * We'd like this to be simple and fast, too.
  37 ;;;
  38 ;;; FIXME: Should this be INLINE?
  39 (declaim (ftype (function ((and fixnum unsigned-byte)
  40                            (and fixnum unsigned-byte))
  41                           (and fixnum unsigned-byte)) mix))
  42 (defun mix (x y)
  43   ;; FIXME: We wouldn't need the nasty (SAFETY 0) here if the compiler
  44   ;; were smarter about optimizing ASH. (Without the THE FIXNUM below,
  45   ;; and the (SAFETY 0) declaration here to get the compiler to trust
  46   ;; it, the sbcl-0.5.0m cross-compiler running under Debian
  47   ;; cmucl-2.4.17 turns the ASH into a full call, requiring the
  48   ;; UNSIGNED-BYTE 32 argument to be coerced to a bignum, requiring
  49   ;; consing, and thus generally obliterating performance.)
  50   (declare (optimize (speed 3) (safety 0)))
  51   (declare (type (and fixnum unsigned-byte) x y))
  52   ;; the ideas here:
  53   ;;   * Bits diffuse in both directions (shifted left by up to 2 places
  54   ;;     in the calculation of XY, and shifted right by up to 5 places
  55   ;;     by the ASH).
  56   ;;   * The #'+ and #'LOGXOR operations don't commute with each other,
  57   ;;     so different bit patterns are mixed together as they shift
  58   ;;     past each other.
  59   ;;   * The arbitrary constant in the #'LOGXOR expression is intended
  60   ;;     to help break up any weird anomalies we might otherwise get
  61   ;;     when hashing highly regular patterns.
  62   ;; (These are vaguely like the ideas used in many cryptographic
  63   ;; algorithms, but we're not pushing them hard enough here for them
  64   ;; to be cryptographically strong.)
  65   (let* ((xy (+ (* x 3) y)))
  66     (declare (type (unsigned-byte 32) xy))
  67     (the (and fixnum unsigned-byte)
  68          (logand most-positive-fixnum
  69                  (logxor 441516657
  70                          xy
  71                          (the fixnum (ash xy -5)))))))
  72 \f
  73 ;;;; hashing strings
  74 ;;;;
  75 ;;;; Note that this operation is used in compiler symbol table lookups, so we'd
  76 ;;;; like it to be fast.
  77
  78 #!-sb-fluid (declaim (inline %sxhash-substring))
  79 (defun %sxhash-substring (string &optional (count (length string)))
  80   ;; FIXME: As in MIX above, we wouldn't need (SAFETY 0) here if the
  81   ;; cross-compiler were smarter about ASH, but we need it for sbcl-0.5.0m.
  82   (declare (optimize (speed 3) (safety 0)))
  83   (declare (type string string))
  84   (declare (type index count))
  85   (let ((result 408967240))
  86     (declare (type fixnum result))
  87     (dotimes (i count)
  88       (declare (type index i))
  89       (mixf result
  90             (the fixnum
  91                  (ash (char-code (aref string i)) 5))))
  92     result))
  93 ;;; test:
  94 ;;;   (let ((ht (make-hash-table :test 'equal)))
  95 ;;;     (do-all-symbols (symbol)
  96 ;;;       (let* ((string (symbol-name symbol))
  97 ;;;           (hash (%sxhash-substring string)))
  98 ;;;      (if (gethash hash ht)
  99 ;;;          (unless (string= (gethash hash ht) string)
 100 ;;;            (format t "collision: ~S ~S~%" string (gethash hash ht)))
 101 ;;;          (setf (gethash hash ht) string))))
 102 ;;;     (format t "final count=~W~%" (hash-table-count ht)))
 103
 104 (defun %sxhash-simple-string (x)
 105   (declare (optimize speed))
 106   (declare (type simple-string x))
 107   (%sxhash-substring x))
 108
 109 (defun %sxhash-simple-substring (x count)
 110   (declare (optimize speed))
 111   (declare (type simple-string x))
 112   (declare (type index count))
 113   (%sxhash-substring x count))
 114 \f
 115 ;;;; the SXHASH function
 116
 117 (defun sxhash (x)
 118   ;; profiling SXHASH is hard, but we might as well try to make it go
 119   ;; fast, in case it is the bottleneck somwhere.  -- CSR, 2003-03-14
 120   (declare (optimize speed))
 121   (labels ((sxhash-number (x)
 122              (etypecase x
 123                (fixnum (sxhash x))      ; through DEFTRANSFORM
 124                (integer (sb!bignum:sxhash-bignum x))
 125                (single-float (sxhash x)) ; through DEFTRANSFORM
 126                (double-float (sxhash x)) ; through DEFTRANSFORM
 127                #!+long-float (long-float (error "stub: no LONG-FLOAT"))
 128                (ratio (let ((result 127810327))
 129                         (declare (type fixnum result))
 130                         (mixf result (sxhash-number (numerator x)))
 131                         (mixf result (sxhash-number (denominator x)))
 132                         result))
 133                (complex (let ((result 535698211))
 134                           (declare (type fixnum result))
 135                           (mixf result (sxhash-number (realpart x)))
 136                           (mixf result (sxhash-number (imagpart x)))
 137                           result))))
 138            (sxhash-recurse (x &optional (depthoid +max-hash-depthoid+))
 139              (declare (type index depthoid))
 140              (typecase x
 141                (cons
 142                 (if (plusp depthoid)
 143                     (mix (sxhash-recurse (car x) (1- depthoid))
 144                          (sxhash-recurse (cdr x) (1- depthoid)))
 145                     261835505))
 146                (instance
 147                 (if (typep x 'structure-object)
 148                     (logxor 422371266
 149                             (sxhash ; through DEFTRANSFORM
 150                              (class-name (layout-class (%instance-layout x)))))
 151                     (sxhash-instance x)))
 152                (symbol (sxhash x)) ; through DEFTRANSFORM
 153                (array
 154                 (typecase x
 155                   (simple-string (sxhash x)) ; through DEFTRANSFORM
 156                   (string (%sxhash-substring x))
 157                   (simple-bit-vector (sxhash x)) ; through DEFTRANSFORM
 158                   (bit-vector
 159                    ;; FIXME: It must surely be possible to do better
 160                    ;; than this.  The problem is that a non-SIMPLE
 161                    ;; BIT-VECTOR could be displaced to another, with a
 162                    ;; non-zero offset -- so that significantly more
 163                    ;; work needs to be done using the %RAW-BITS
 164                    ;; approach.  This will probably do for now.
 165                    (sxhash-recurse (copy-seq x) depthoid))
 166                   (t (logxor 191020317 (sxhash (array-rank x))))))
 167                (character
 168                 (logxor 72185131
 169                         (sxhash (char-code x)))) ; through DEFTRANSFORM
 170                ;; general, inefficient case of NUMBER
 171                (number (sxhash-number x))
 172                (generic-function (sxhash-instance x))
 173                (t 42))))
 174     (sxhash-recurse x)))
 175 \f
 176 ;;;; the PSXHASH function
 177
 178 ;;;; FIXME: This code does a lot of unnecessary full calls. It could be made
 179 ;;;; more efficient (in both time and space) by rewriting it along the lines
 180 ;;;; of the SXHASH code above.
 181
 182 ;;; like SXHASH, but for EQUALP hashing instead of EQUAL hashing
 183 (defun psxhash (key &optional (depthoid +max-hash-depthoid+))
 184   (declare (optimize speed))
 185   (declare (type (integer 0 #.+max-hash-depthoid+) depthoid))
 186   ;; Note: You might think it would be cleaner to use the ordering given in the
 187   ;; table from Figure 5-13 in the EQUALP section of the ANSI specification
 188   ;; here. So did I, but that is a snare for the unwary! Nothing in the ANSI
 189   ;; spec says that HASH-TABLE can't be a STRUCTURE-OBJECT, and in fact our
 190   ;; HASH-TABLEs *are* STRUCTURE-OBJECTs, so we need to pick off the special
 191   ;; HASH-TABLE behavior before we fall through to the generic STRUCTURE-OBJECT
 192   ;; comparison behavior.
 193   (typecase key
 194     (array (array-psxhash key depthoid))
 195     (hash-table (hash-table-psxhash key))
 196     (structure-object (structure-object-psxhash key depthoid))
 197     (cons (list-psxhash key depthoid))
 198     (number (number-psxhash key))
 199     (character (sxhash (char-upcase key)))
 200     (t (sxhash key))))
 201
 202 (defun array-psxhash (key depthoid)
 203   (declare (optimize speed))
 204   (declare (type array key))
 205   (declare (type (integer 0 #.+max-hash-depthoid+) depthoid))
 206   (typecase key
 207     ;; VECTORs have to be treated specially because ANSI specifies
 208     ;; that we must respect fill pointers.
 209     (vector
 210      (macrolet ((frob ()
 211                   '(let ((result 572539))
 212                      (declare (type fixnum result))
 213                      (mixf result (length key))
 214                      (dotimes (i (min depthoid (length key)))
 215                        (declare (type fixnum i))
 216                        (mixf result
 217                              (psxhash (aref key i)
 218                                       (- depthoid 1 i))))
 219                      result)))
 220        ;; CMU can compile SIMPLE-ARRAY operations so much more efficiently
 221        ;; than the general case that it's probably worth picking off the
 222        ;; common special cases.
 223        (typecase key
 224          (simple-string
 225           ;;(format t "~&SIMPLE-STRING special case~%")
 226           (frob))
 227          (simple-vector
 228           ;;(format t "~&SIMPLE-VECTOR special case~%")
 229           (frob))
 230          (t (frob)))))
 231     ;; Any other array can be hashed by working with its underlying
 232     ;; one-dimensional physical representation.
 233     (t
 234      (let ((result 60828))
 235        (declare (type fixnum result))
 236        (dotimes (i (min depthoid (array-rank key)))
 237          (mixf result (array-dimension key i)))
 238        (dotimes (i (min depthoid (array-total-size key)))
 239          (mixf result
 240                (psxhash (row-major-aref key i)
 241                         (- depthoid 1 i))))
 242        result))))
 243
 244 (defun structure-object-psxhash (key depthoid)
 245   (declare (optimize speed))
 246   (declare (type structure-object key))
 247   (declare (type (integer 0 #.+max-hash-depthoid+) depthoid))
 248   (let* ((layout (%instance-layout key)) ; i.e. slot #0
 249          (length (layout-length layout))
 250          (class (layout-class layout))
 251          (name (class-name class))
 252          (result (mix (sxhash name) (the fixnum 79867))))
 253     (declare (type fixnum result))
 254     (dotimes (i (min depthoid (1- length)))
 255       (declare (type fixnum i))
 256       (let ((j (1+ i))) ; skipping slot #0, which is for LAYOUT
 257         (declare (type fixnum j))
 258         (mixf result
 259               (psxhash (%instance-ref key j)
 260                        (1- depthoid)))))
 261     result))
 262
 263 (defun list-psxhash (key depthoid)
 264   (declare (optimize speed))
 265   (declare (type list key))
 266   (declare (type (integer 0 #.+max-hash-depthoid+) depthoid))
 267   (cond ((null key)
 268          (the fixnum 480929))
 269         ((zerop depthoid)
 270          (the fixnum 779578))
 271         (t
 272          (mix (psxhash (car key) (1- depthoid))
 273               (psxhash (cdr key) (1- depthoid))))))
 274
 275 (defun hash-table-psxhash (key)
 276   (declare (optimize speed))
 277   (declare (type hash-table key))
 278   (let ((result 103924836))
 279     (declare (type fixnum result))
 280     (mixf result (hash-table-count key))
 281     (mixf result (sxhash (hash-table-test key)))
 282     result))
 283
 284 (defun number-psxhash (key)
 285   (declare (optimize speed))
 286   (declare (type number key))
 287   (flet ((sxhash-double-float (val)
 288            (declare (type double-float val))
 289            ;; FIXME: Check to make sure that the DEFTRANSFORM kicks in and the
 290            ;; resulting code works without consing. (In Debian cmucl 2.4.17,
 291            ;; it didn't.)
 292            (sxhash val)))
 293     (etypecase key
 294       (integer (sxhash key))
 295       (float (macrolet ((frob (type)
 296                           (let ((lo (coerce most-negative-fixnum type))
 297                                 (hi (coerce most-positive-fixnum type)))
 298                             `(cond (;; This clause allows FIXNUM-sized integer
 299                                     ;; values to be handled without consing.
 300                                     (<= ,lo key ,hi)
 301                                     (multiple-value-bind (q r)
 302                                         (floor (the (,type ,lo ,hi) key))
 303                                       (if (zerop (the ,type r))
 304                                           (sxhash q)
 305                                           (sxhash-double-float
 306                                            (coerce key 'double-float)))))
 307                                    (t
 308                                     (multiple-value-bind (q r) (floor key)
 309                                       (if (zerop (the ,type r))
 310                                           (sxhash q)
 311                                           (sxhash-double-float
 312                                            (coerce key 'double-float)))))))))
 313                (etypecase key
 314                  (single-float (frob single-float))
 315                  (double-float (frob double-float))
 316                  (short-float (frob short-float))
 317                  (long-float (error "LONG-FLOAT not currently supported")))))
 318       (rational (if (and (<= most-negative-double-float
 319                              key
 320                              most-positive-double-float)
 321                          (= (coerce key 'double-float) key))
 322                     (sxhash-double-float (coerce key 'double-float))
 323                     (sxhash key)))
 324       (complex (if (zerop (imagpart key))
 325                    (number-psxhash (realpart key))
 326                    (let ((result 330231))
 327                      (declare (type fixnum result))
 328                      (mixf result (number-psxhash (realpart key)))
 329                      (mixf result (number-psxhash (imagpart key)))
 330                      result))))))