source: trunk/HeuristicLab.Problems.DataAnalysis.Symbolic/3.4/Interpreter/SymbolicDataAnalysisExpressionTreeBatchInterpreter.cs @ 16656

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1using System;
2using System.Collections.Generic;
3using System.Linq;
4
5using HeuristicLab.Common;
6using HeuristicLab.Core;
7using HeuristicLab.Data;
8using HeuristicLab.Encodings.SymbolicExpressionTreeEncoding;
9using HeuristicLab.Parameters;
10using HEAL.Attic;
11
12using static HeuristicLab.Problems.DataAnalysis.Symbolic.BatchOperations;
13
14namespace HeuristicLab.Problems.DataAnalysis.Symbolic {
15  [Item("SymbolicDataAnalysisExpressionTreeBatchInterpreter", "An interpreter that uses batching and vectorization techniques to achieve faster performance.")]
16  [StorableType("BEB15146-BB95-4838-83AC-6838543F017B")]
17  public class SymbolicDataAnalysisExpressionTreeBatchInterpreter : ParameterizedNamedItem, ISymbolicDataAnalysisExpressionTreeInterpreter {
18    private const string EvaluatedSolutionsParameterName = "EvaluatedSolutions";
19
20    #region parameters
21    public IFixedValueParameter<IntValue> EvaluatedSolutionsParameter {
22      get { return (IFixedValueParameter<IntValue>)Parameters[EvaluatedSolutionsParameterName]; }
23    }
24    #endregion
25
26    #region properties
27    public int EvaluatedSolutions {
28      get { return EvaluatedSolutionsParameter.Value.Value; }
29      set { EvaluatedSolutionsParameter.Value.Value = value; }
30    }
31    #endregion
32
33    public void ClearState() { }
34
35    public SymbolicDataAnalysisExpressionTreeBatchInterpreter() {
36      Parameters.Add(new FixedValueParameter<IntValue>(EvaluatedSolutionsParameterName, "A counter for the total number of solutions the interpreter has evaluated", new IntValue(0)));
37    }
38
39    [StorableConstructor]
40    protected SymbolicDataAnalysisExpressionTreeBatchInterpreter(StorableConstructorFlag _) : base(_) { }
41    protected SymbolicDataAnalysisExpressionTreeBatchInterpreter(SymbolicDataAnalysisExpressionTreeBatchInterpreter original, Cloner cloner) : base(original, cloner) {
42    }
43    public override IDeepCloneable Clone(Cloner cloner) {
44      return new SymbolicDataAnalysisExpressionTreeBatchInterpreter(this, cloner);
45    }
46
47    private void LoadData(BatchInstruction instr, int[] rows, int rowIndex, int batchSize) {
48      for (int i = 0; i < batchSize; ++i) {
49        var row = rows[rowIndex] + i;
50        instr.buf[i] = instr.weight * instr.data[row];
51      }
52    }
53
54    private void Evaluate(BatchInstruction[] code, int[] rows, int rowIndex, int batchSize) {
55      for (int i = code.Length - 1; i >= 0; --i) {
56        var instr = code[i];
57        var c = instr.childIndex;
58        var n = instr.narg;
59
60        switch (instr.opcode) {
61          case OpCodes.Variable: {
62              LoadData(instr, rows, rowIndex, batchSize);
63              break;
64            }
65
66          case OpCodes.Add: {
67              Load(instr.buf, code[c].buf);
68              for (int j = 1; j < n; ++j) {
69                Add(instr.buf, code[c + j].buf);
70              }
71              break;
72            }
73
74          case OpCodes.Sub: {
75              if (n == 1) {
76                Neg(instr.buf, code[c].buf);
77              } else {
78                Load(instr.buf, code[c].buf);
79                for (int j = 1; j < n; ++j) {
80                  Sub(instr.buf, code[c + j].buf);
81                }
82              }
83              break;
84            }
85
86          case OpCodes.Mul: {
87              Load(instr.buf, code[c].buf);
88              for (int j = 1; j < n; ++j) {
89                Mul(instr.buf, code[c + j].buf);
90              }
91              break;
92            }
93
94          case OpCodes.Div: {
95              if (n == 1) {
96                Inv(instr.buf, code[c].buf);
97              } else {
98                Load(instr.buf, code[c].buf);
99                for (int j = 1; j < n; ++j) {
100                  Div(instr.buf, code[c + j].buf);
101                }
102              }
103              break;
104            }
105
106          case OpCodes.Square: {
107              Square(instr.buf, code[c].buf);
108              break;
109            }
110
111          case OpCodes.Root: {
112              Load(instr.buf, code[c].buf);
113              Root(instr.buf, code[c + 1].buf);
114              break;
115            }
116
117          case OpCodes.SquareRoot: {
118              Sqrt(instr.buf, code[c].buf);
119              break;
120            }
121
122          case OpCodes.Cube: {
123              Cube(instr.buf, code[c].buf);
124              break;
125            }
126          case OpCodes.CubeRoot: {
127              CubeRoot(instr.buf, code[c].buf);
128              break;
129            }
130
131          case OpCodes.Power: {
132              Load(instr.buf, code[c].buf);
133              Pow(instr.buf, code[c + 1].buf);
134              break;
135            }
136
137          case OpCodes.Exp: {
138              Exp(instr.buf, code[c].buf);
139              break;
140            }
141
142          case OpCodes.Log: {
143              Log(instr.buf, code[c].buf);
144              break;
145            }
146
147          case OpCodes.Sin: {
148              Sin(instr.buf, code[c].buf);
149              break;
150            }
151
152          case OpCodes.Cos: {
153              Cos(instr.buf, code[c].buf);
154              break;
155            }
156
157          case OpCodes.Tan: {
158              Tan(instr.buf, code[c].buf);
159              break;
160            }
161          case OpCodes.Tanh: {
162              Tanh(instr.buf, code[c].buf);
163              break;
164            }
165          case OpCodes.Absolute: {
166              Absolute(instr.buf, code[c].buf);
167              break;
168            }
169
170          case OpCodes.AnalyticQuotient: {
171              Load(instr.buf, code[c].buf);
172              AnalyticQuotient(instr.buf, code[c + 1].buf);
173              break;
174            }
175        }
176      }
177    }
178
179    private readonly object syncRoot = new object();
180
181    [ThreadStatic]
182    private Dictionary<string, double[]> cachedData;
183
184    [ThreadStatic]
185    private IDataset dataset;
186
187    private void InitCache(IDataset dataset) {
188      this.dataset = dataset;
189      cachedData = new Dictionary<string, double[]>();
190      foreach (var v in dataset.DoubleVariables) {
191        cachedData[v] = dataset.GetDoubleValues(v).ToArray();
192      }
193    }
194
195    public void InitializeState() {
196      cachedData = null;
197      dataset = null;
198      EvaluatedSolutions = 0;
199    }
200
201    private double[] GetValues(ISymbolicExpressionTree tree, IDataset dataset, int[] rows) {
202      if (cachedData == null || this.dataset != dataset) {
203        InitCache(dataset);
204      }
205
206      var code = Compile(tree, dataset, OpCodes.MapSymbolToOpCode);
207      var remainingRows = rows.Length % BATCHSIZE;
208      var roundedTotal = rows.Length - remainingRows;
209
210      var result = new double[rows.Length];
211
212      for (int rowIndex = 0; rowIndex < roundedTotal; rowIndex += BATCHSIZE) {
213        Evaluate(code, rows, rowIndex, BATCHSIZE);
214        Array.Copy(code[0].buf, 0, result, rowIndex, BATCHSIZE);
215      }
216
217      if (remainingRows > 0) {
218        Evaluate(code, rows, roundedTotal, remainingRows);
219        Array.Copy(code[0].buf, 0, result, roundedTotal, remainingRows);
220      }
221
222      // when evaluation took place without any error, we can increment the counter
223      lock (syncRoot) {
224        EvaluatedSolutions++;
225      }
226
227      return result;
228    }
229
230    public IEnumerable<double> GetSymbolicExpressionTreeValues(ISymbolicExpressionTree tree, IDataset dataset, int[] rows) {
231      return GetValues(tree, dataset, rows);
232    }
233
234    public IEnumerable<double> GetSymbolicExpressionTreeValues(ISymbolicExpressionTree tree, IDataset dataset, IEnumerable<int> rows) {
235      return GetSymbolicExpressionTreeValues(tree, dataset, rows.ToArray());
236    }
237
238    private BatchInstruction[] Compile(ISymbolicExpressionTree tree, IDataset dataset, Func<ISymbolicExpressionTreeNode, byte> opCodeMapper) {
239      var root = tree.Root.GetSubtree(0).GetSubtree(0);
240      var code = new BatchInstruction[root.GetLength()];
241      if (root.SubtreeCount > ushort.MaxValue) throw new ArgumentException("Number of subtrees is too big (>65.535)");
242      int c = 1, i = 0;
243      foreach (var node in root.IterateNodesBreadth()) {
244        if (node.SubtreeCount > ushort.MaxValue) throw new ArgumentException("Number of subtrees is too big (>65.535)");
245        code[i] = new BatchInstruction {
246          opcode = opCodeMapper(node),
247          narg = (ushort)node.SubtreeCount,
248          buf = new double[BATCHSIZE],
249          childIndex = c
250        };
251        if (node is VariableTreeNode variable) {
252          code[i].weight = variable.Weight;
253          if (cachedData.ContainsKey(variable.VariableName)) {
254            code[i].data = cachedData[variable.VariableName];
255          } else {
256            code[i].data = dataset.GetReadOnlyDoubleValues(variable.VariableName).ToArray();
257            cachedData[variable.VariableName] = code[i].data;
258          }
259        } else if (node is ConstantTreeNode constant) {
260          code[i].value = constant.Value;
261          for (int j = 0; j < BATCHSIZE; ++j)
262            code[i].buf[j] = code[i].value;
263        }
264        c += node.SubtreeCount;
265        ++i;
266      }
267      return code;
268    }
269  }
270}
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.