ClickHouse/dbms/include/DB/Common/Volnitsky.h
2016-01-16 03:45:19 +03:00

453 lines
15 KiB
C++
Raw Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

#pragma once
#include <DB/Common/StringSearcher.h>
#include <Poco/UTF8Encoding.h>
#include <Poco/Unicode.h>
#include <ext/range.hpp>
#include <stdint.h>
#include <string.h>
/** Поиск подстроки в строке по алгоритму Вольницкого:
* http://volnitsky.com/project/str_search/
*
* haystack и needle могут содержать нулевые байты.
*
* Алгоритм:
* - при слишком маленьком или слишком большом размере needle, или слишком маленьком haystack, используем std::search или memchr;
* - при инициализации, заполняем open-addressing linear probing хэш-таблицу вида:
* хэш от биграммы из needle -> позиция этой биграммы в needle + 1.
* (прибавлена единица только чтобы отличить смещение ноль от пустой ячейки)
* - в хэш-таблице ключи не хранятся, хранятся только значения;
* - биграммы могут быть вставлены несколько раз, если они встречаются в needle несколько раз;
* - при поиске, берём из haystack биграмму, которая должна соответствовать последней биграмме needle (сравниваем с конца);
* - ищем её в хэш-таблице, если нашли - достаём смещение из хэш-таблицы и сравниваем строку побайтово;
* - если сравнить не получилось - проверяем следующую ячейку хэш-таблицы из цепочки разрешения коллизий;
* - если не нашли, пропускаем в haystack почти размер needle байт;
*
* Используется невыровненный доступ к памяти.
*/
namespace DB
{
/// @todo store lowercase needle to speed up in case there are numerous occurrences of bigrams from needle in haystack
template <typename CRTP>
class VolnitskyBase
{
protected:
using offset_t = uint8_t; /// Смещение в needle. Для основного алгоритма, длина needle не должна быть больше 255.
using ngram_t = uint16_t; /// n-грамма (2 байта).
const UInt8 * const needle;
const size_t needle_size;
const UInt8 * const needle_end = needle + needle_size;
/// На сколько двигаемся, если n-грамма из haystack не нашлась в хэш-таблице.
const size_t step = needle_size - sizeof(ngram_t) + 1;
/** max needle length is 255, max distinct ngrams for case-sensitive is (255 - 1), case-insensitive is 4 * (255 - 1)
* storage of 64K ngrams (n = 2, 128 KB) should be large enough for both cases */
static const size_t hash_size = 64 * 1024; /// Помещается в L2-кэш.
offset_t hash[hash_size]; /// Хэш-таблица.
/// min haystack size to use main algorithm instead of fallback
static constexpr auto min_haystack_size_for_algorithm = 20000;
const bool fallback; /// Нужно ли использовать fallback алгоритм.
public:
/** haystack_size_hint - ожидаемый суммарный размер haystack при вызовах search. Можно не указывать.
* Если указать его достаточно маленьким, то будет использован fallback алгоритм,
* так как считается, что тратить время на инициализацию хэш-таблицы не имеет смысла.
*/
VolnitskyBase(const char * const needle, const size_t needle_size, size_t haystack_size_hint = 0)
: needle{reinterpret_cast<const UInt8 *>(needle)}, needle_size{needle_size},
fallback{
needle_size < 2 * sizeof(ngram_t) or needle_size >= std::numeric_limits<offset_t>::max() or
(haystack_size_hint and haystack_size_hint < min_haystack_size_for_algorithm)
}
{
if (fallback)
return;
memset(hash, 0, sizeof(hash));
/// int is used here because unsigned can't be used with condition like `i >= 0`, unsigned always >= 0
for (auto i = static_cast<int>(needle_size - sizeof(ngram_t)); i >= 0; --i)
self().putNGram(this->needle + i, i + 1);
}
/// Если не найдено - возвращается конец haystack.
const UInt8 * search(const UInt8 * const haystack, const size_t haystack_size) const
{
if (needle_size == 0)
return haystack;
const auto haystack_end = haystack + haystack_size;
if (needle_size == 1 || fallback || haystack_size <= needle_size)
return self().search_fallback(haystack, haystack_end);
/// Будем "прикладывать" needle к haystack и сравнивать n-грам из конца needle.
const auto * pos = haystack + needle_size - sizeof(ngram_t);
for (; pos <= haystack_end - needle_size; pos += step)
{
/// Смотрим все ячейки хэш-таблицы, которые могут соответствовать n-граму из haystack.
for (size_t cell_num = toNGram(pos) % hash_size; hash[cell_num];
cell_num = (cell_num + 1) % hash_size)
{
/// Когда нашли - сравниваем побайтово, используя смещение из хэш-таблицы.
const auto res = pos - (hash[cell_num] - 1);
if (self().compare(res))
return res;
}
}
/// Оставшийся хвостик.
return self().search_fallback(pos - step + 1, haystack_end);
}
const char * search(const char * haystack, size_t haystack_size) const
{
return reinterpret_cast<const char *>(search(reinterpret_cast<const UInt8 *>(haystack), haystack_size));
}
protected:
CRTP & self() { return static_cast<CRTP &>(*this); }
const CRTP & self() const { return const_cast<VolnitskyBase *>(this)->self(); }
static const ngram_t & toNGram(const UInt8 * const pos)
{
return *reinterpret_cast<const ngram_t *>(pos);
}
void putNGramBase(const ngram_t ngram, const int offset)
{
/// Кладём смещение для n-грама в соответствующую ему ячейку или ближайшую свободную.
size_t cell_num = ngram % hash_size;
while (hash[cell_num])
cell_num = (cell_num + 1) % hash_size; /// Поиск следующей свободной ячейки.
hash[cell_num] = offset;
}
};
template <bool CaseSensitive, bool ASCII> struct VolnitskyImpl;
/// Case sensitive comparison
template <bool ASCII> struct VolnitskyImpl<true, ASCII> : VolnitskyBase<VolnitskyImpl<true, ASCII>>
{
VolnitskyImpl(const char * const needle, const size_t needle_size, const size_t haystack_size_hint = 0)
: VolnitskyBase<VolnitskyImpl<true, ASCII>>{needle, needle_size, haystack_size_hint},
fallback_searcher{needle, needle_size}
{
}
void putNGram(const UInt8 * const pos, const int offset)
{
this->putNGramBase(this->toNGram(pos), offset);
}
bool compare(const UInt8 * const pos) const
{
/// @todo: maybe just use memcmp for this case and rely on internal SSE optimization as in case with memcpy?
return fallback_searcher.compare(pos);
}
const UInt8 * search_fallback(const UInt8 * const haystack, const UInt8 * const haystack_end) const
{
return fallback_searcher.search(haystack, haystack_end);
}
ASCIICaseSensitiveStringSearcher fallback_searcher;
};
/// Case-insensitive ASCII
template <> struct VolnitskyImpl<false, true> : VolnitskyBase<VolnitskyImpl<false, true>>
{
VolnitskyImpl(const char * const needle, const size_t needle_size, const size_t haystack_size_hint = 0)
: VolnitskyBase{needle, needle_size, haystack_size_hint}, fallback_searcher{needle, needle_size}
{
}
void putNGram(const UInt8 * const pos, const int offset)
{
union {
ngram_t n;
UInt8 c[2];
};
n = toNGram(pos);
const auto c0_alpha = std::isalpha(c[0]);
const auto c1_alpha = std::isalpha(c[1]);
if (c0_alpha && c1_alpha)
{
/// 4 combinations: AB, aB, Ab, ab
c[0] = std::tolower(c[0]);
c[1] = std::tolower(c[1]);
putNGramBase(n, offset);
c[0] = std::toupper(c[0]);
putNGramBase(n, offset);
c[1] = std::toupper(c[1]);
putNGramBase(n, offset);
c[0] = std::tolower(c[0]);
putNGramBase(n, offset);
}
else if (c0_alpha)
{
/// 2 combinations: A1, a1
c[0] = std::tolower(c[0]);
putNGramBase(n, offset);
c[0] = std::toupper(c[0]);
putNGramBase(n, offset);
}
else if (c1_alpha)
{
/// 2 combinations: 0B, 0b
c[1] = std::tolower(c[1]);
putNGramBase(n, offset);
c[1] = std::toupper(c[1]);
putNGramBase(n, offset);
}
else
/// 1 combination: 01
putNGramBase(n, offset);
}
bool compare(const UInt8 * const pos) const
{
return fallback_searcher.compare(pos);
}
const UInt8 * search_fallback(const UInt8 * const haystack, const UInt8 * const haystack_end) const
{
return fallback_searcher.search(haystack, haystack_end);
}
ASCIICaseInsensitiveStringSearcher fallback_searcher;
};
/// Case-sensitive UTF-8
template <> struct VolnitskyImpl<false, false> : VolnitskyBase<VolnitskyImpl<false, false>>
{
VolnitskyImpl(const char * const needle, const size_t needle_size, const size_t haystack_size_hint = 0)
: VolnitskyBase{needle, needle_size, haystack_size_hint}, fallback_searcher{needle, needle_size}
{
}
void putNGram(const UInt8 * const pos, const int offset)
{
union
{
ngram_t n;
UInt8 c[2];
};
n = toNGram(pos);
if (isascii(c[0]) && isascii(c[1]))
{
const auto c0_al = std::isalpha(c[0]);
const auto c1_al = std::isalpha(c[1]);
if (c0_al && c1_al)
{
/// 4 combinations: AB, aB, Ab, ab
c[0] = std::tolower(c[0]);
c[1] = std::tolower(c[1]);
putNGramBase(n, offset);
c[0] = std::toupper(c[0]);
putNGramBase(n, offset);
c[1] = std::toupper(c[1]);
putNGramBase(n, offset);
c[0] = std::tolower(c[0]);
putNGramBase(n, offset);
}
else if (c0_al)
{
/// 2 combinations: A1, a1
c[0] = std::tolower(c[0]);
putNGramBase(n, offset);
c[0] = std::toupper(c[0]);
putNGramBase(n, offset);
}
else if (c1_al)
{
/// 2 combinations: 0B, 0b
c[1] = std::tolower(c[1]);
putNGramBase(n, offset);
c[1] = std::toupper(c[1]);
putNGramBase(n, offset);
}
else
/// 1 combination: 01
putNGramBase(n, offset);
}
else
{
using Seq = UInt8[6];
static const Poco::UTF8Encoding utf8;
if (UTF8::isContinuationOctet(c[1]))
{
/// ngram is inside a sequence
auto seq_pos = pos;
UTF8::syncBackward(seq_pos);
const auto u32 = utf8.convert(seq_pos);
const auto l_u32 = Poco::Unicode::toLower(u32);
const auto u_u32 = Poco::Unicode::toUpper(u32);
/// symbol is case-independent
if (l_u32 == u_u32)
putNGramBase(n, offset);
else
{
/// where is the given ngram in respect to UTF-8 sequence start?
const auto seq_ngram_offset = pos - seq_pos;
Seq seq;
/// put ngram from lowercase
utf8.convert(l_u32, seq, sizeof(seq));
c[0] = seq[seq_ngram_offset];
c[1] = seq[seq_ngram_offset + 1];
putNGramBase(n, offset);
/// put ngram for uppercase
utf8.convert(u_u32, seq, sizeof(seq));
c[0] = seq[seq_ngram_offset];
c[1] = seq[seq_ngram_offset + 1];
putNGramBase(n, offset);
}
}
else
{
/// ngram is on the boundary of two sequences
/// first sequence may start before u_pos if it is not ASCII
auto first_seq_pos = pos;
UTF8::syncBackward(first_seq_pos);
const auto first_u32 = utf8.convert(first_seq_pos);
const auto first_l_u32 = Poco::Unicode::toLower(first_u32);
const auto first_u_u32 = Poco::Unicode::toUpper(first_u32);
/// second sequence always start immediately after u_pos
auto second_seq_pos = pos + 1;
const auto second_u32 = utf8.convert(second_seq_pos);
const auto second_l_u32 = Poco::Unicode::toLower(second_u32);
const auto second_u_u32 = Poco::Unicode::toUpper(second_u32);
/// both symbols are case-independent
if (first_l_u32 == first_u_u32 && second_l_u32 == second_u_u32)
putNGramBase(n, offset);
else if (first_l_u32 == first_u_u32)
{
/// first symbol is case-independent
Seq seq;
/// put ngram for lowercase
utf8.convert(second_l_u32, seq, sizeof(seq));
c[1] = seq[0];
putNGramBase(n, offset);
/// put ngram from uppercase
utf8.convert(second_u_u32, seq, sizeof(seq));
c[1] = seq[0];
putNGramBase(n, offset);
}
else if (second_l_u32 == second_u_u32)
{
/// second symbol is case-independent
/// where is the given ngram in respect to the first UTF-8 sequence start?
const auto seq_ngram_offset = pos - first_seq_pos;
Seq seq;
/// put ngram for lowercase
utf8.convert(second_l_u32, seq, sizeof(seq));
c[0] = seq[seq_ngram_offset];
putNGramBase(n, offset);
/// put ngram for uppercase
utf8.convert(second_u_u32, seq, sizeof(seq));
c[0] = seq[seq_ngram_offset];
putNGramBase(n, offset);
}
else
{
/// where is the given ngram in respect to the first UTF-8 sequence start?
const auto seq_ngram_offset = pos - first_seq_pos;
Seq first_l_seq, first_u_seq, second_l_seq, second_u_seq;
utf8.convert(first_l_u32, first_l_seq, sizeof(first_l_seq));
utf8.convert(first_u_u32, first_u_seq, sizeof(first_u_seq));
utf8.convert(second_l_u32, second_l_seq, sizeof(second_l_seq));
utf8.convert(second_u_u32, second_u_seq, sizeof(second_u_seq));
/// ngram for ll
c[0] = first_l_seq[seq_ngram_offset];
c[1] = second_l_seq[0];
putNGramBase(n, offset);
/// ngram for lU
c[0] = first_l_seq[seq_ngram_offset];
c[1] = second_u_seq[0];
putNGramBase(n, offset);
/// ngram for Ul
c[0] = first_u_seq[seq_ngram_offset];
c[1] = second_l_seq[0];
putNGramBase(n, offset);
/// ngram for UU
c[0] = first_u_seq[seq_ngram_offset];
c[1] = second_u_seq[0];
putNGramBase(n, offset);
}
}
}
}
bool compare(const UInt8 * const pos) const
{
return fallback_searcher.compare(pos);
}
const UInt8 * search_fallback(const UInt8 * const haystack, const UInt8 * const haystack_end) const
{
return fallback_searcher.search(haystack, haystack_end);
}
UTF8CaseInsensitiveStringSearcher fallback_searcher;
};
using Volnitsky = VolnitskyImpl<true, true>;
using VolnitskyUTF8 = VolnitskyImpl<true, false>; /// exactly same as Volnitsky
using VolnitskyCaseInsensitive = VolnitskyImpl<false, true>; /// ignores non-ASCII bytes
using VolnitskyCaseInsensitiveUTF8 = VolnitskyImpl<false, false>;
}