Anforderungen  |   Konzepte  |   Entwurf  |   Entwicklung  |   Qualitätssicherung  |   Lebenszyklus  |   Steuerung
 
 
 
 


Quelle  minimize.rs   Sprache: unbekannt

 
use core::{cell::RefCell, fmt, mem};

use alloc::{collections::BTreeMap, rc::Rc, vec, vec::Vec};

use crate::{
    dfa::{automaton::Automaton, dense, DEAD},
    util::{
        alphabet,
        primitives::{PatternID, StateID},
    },
};

/// An implementation of Hopcroft's algorithm for minimizing DFAs.
///
/// The algorithm implemented here is mostly taken from Wikipedia:
/// https://en.wikipedia.org/wiki/DFA_minimization#Hopcroft's_algorithm
///
/// This code has had some light optimization attention paid to it,
/// particularly in the form of reducing allocation as much as possible.
/// However, it is still generally slow. Future optimization work should
/// probably focus on the bigger picture rather than micro-optimizations. For
/// example:
///
/// 1. Figure out how to more intelligently create initial partitions. That is,
///    Hopcroft's algorithm starts by creating two partitions of DFA states
///    that are known to NOT be equivalent: match states and non-match states.
///    The algorithm proceeds by progressively refining these partitions into
///    smaller partitions. If we could start with more partitions, then we
///    could reduce the amount of work that Hopcroft's algorithm needs to do.
/// 2. For every partition that we visit, we find all incoming transitions to
///    every state in the partition for *every* element in the alphabet. (This
///    is why using byte classes can significantly decrease minimization times,
///    since byte classes shrink the alphabet.) This is quite costly and there
///    is perhaps some redundant work being performed depending on the specific
///    states in the set. For example, we might be able to only visit some
///    elements of the alphabet based on the transitions.
/// 3. Move parts of minimization into determinization. If minimization has
///    fewer states to deal with, then it should run faster. A prime example
///    of this might be large Unicode classes, which are generated in way that
///    can create a lot of redundant states. (Some work has been done on this
///    point during NFA compilation via the algorithm described in the
///    "Incremental Construction of MinimalAcyclic Finite-State Automata"
///    paper.)
pub(crate) struct Minimizer<'a> {
    dfa: &'a mut dense::OwnedDFA,
    in_transitions: Vec<Vec<Vec<StateID>>>,
    partitions: Vec<StateSet>,
    waiting: Vec<StateSet>,
}

impl<'a> fmt::Debug for Minimizer<'a> {
    fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
        f.debug_struct("Minimizer")
            .field("dfa", &self.dfa)
            .field("in_transitions", &self.in_transitions)
            .field("partitions", &self.partitions)
            .field("waiting", &self.waiting)
            .finish()
    }
}

/// A set of states. A state set makes up a single partition in Hopcroft's
/// algorithm.
///
/// It is represented by an ordered set of state identifiers. We use shared
/// ownership so that a single state set can be in both the set of partitions
/// and in the set of waiting sets simultaneously without an additional
/// allocation. Generally, once a state set is built, it becomes immutable.
///
/// We use this representation because it avoids the overhead of more
/// traditional set data structures (HashSet/BTreeSet), and also because
/// computing intersection/subtraction on this representation is especially
/// fast.
#[derive(Clone, Debug, Eq, PartialEq, PartialOrd, Ord)]
struct StateSet {
    ids: Rc<RefCell<Vec<StateID>>>,
}

impl<'a> Minimizer<'a> {
    pub fn new(dfa: &'a mut dense::OwnedDFA) -> Minimizer<'a> {
        let in_transitions = Minimizer::incoming_transitions(dfa);
        let partitions = Minimizer::initial_partitions(dfa);
        let waiting = partitions.clone();
        Minimizer { dfa, in_transitions, partitions, waiting }
    }

    pub fn run(mut self) {
        let stride2 = self.dfa.stride2();
        let as_state_id = |index: usize| -> StateID {
            StateID::new(index << stride2).unwrap()
        };
        let as_index = |id: StateID| -> usize { id.as_usize() >> stride2 };

        let mut incoming = StateSet::empty();
        let mut scratch1 = StateSet::empty();
        let mut scratch2 = StateSet::empty();
        let mut newparts = vec![];

        // This loop is basically Hopcroft's algorithm. Everything else is just
        // shuffling data around to fit our representation.
        while let Some(set) = self.waiting.pop() {
            for b in self.dfa.byte_classes().iter() {
                self.find_incoming_to(b, &set, &mut incoming);
                // If incoming is empty, then the intersection with any other
                // set must also be empty. So 'newparts' just ends up being
                // 'self.partitions'. So there's no need to go through the loop
                // below.
                //
                // This actually turns out to be rather large optimization. On
                // the order of making minimization 4-5x faster. It's likely
                // that the vast majority of all states have very few incoming
                // transitions.
                if incoming.is_empty() {
                    continue;
                }

                for p in 0..self.partitions.len() {
                    self.partitions[p].intersection(&incoming, &mut scratch1);
                    if scratch1.is_empty() {
                        newparts.push(self.partitions[p].clone());
                        continue;
                    }

                    self.partitions[p].subtract(&incoming, &mut scratch2);
                    if scratch2.is_empty() {
                        newparts.push(self.partitions[p].clone());
                        continue;
                    }

                    let (x, y) =
                        (scratch1.deep_clone(), scratch2.deep_clone());
                    newparts.push(x.clone());
                    newparts.push(y.clone());
                    match self.find_waiting(&self.partitions[p]) {
                        Some(i) => {
                            self.waiting[i] = x;
                            self.waiting.push(y);
                        }
                        None => {
                            if x.len() <= y.len() {
                                self.waiting.push(x);
                            } else {
                                self.waiting.push(y);
                            }
                        }
                    }
                }
                newparts = mem::replace(&mut self.partitions, newparts);
                newparts.clear();
            }
        }

        // At this point, we now have a minimal partitioning of states, where
        // each partition is an equivalence class of DFA states. Now we need to
        // use this partitioning to update the DFA to only contain one state for
        // each partition.

        // Create a map from DFA state ID to the representative ID of the
        // equivalence class to which it belongs. The representative ID of an
        // equivalence class of states is the minimum ID in that class.
        let mut state_to_part = vec![DEAD; self.dfa.state_len()];
        for p in &self.partitions {
            p.iter(|id| state_to_part[as_index(id)] = p.min());
        }

        // Generate a new contiguous sequence of IDs for minimal states, and
        // create a map from equivalence IDs to the new IDs. Thus, the new
        // minimal ID of *any* state in the unminimized DFA can be obtained
        // with minimals_ids[state_to_part[old_id]].
        let mut minimal_ids = vec![DEAD; self.dfa.state_len()];
        let mut new_index = 0;
        for state in self.dfa.states() {
            if state_to_part[as_index(state.id())] == state.id() {
                minimal_ids[as_index(state.id())] = as_state_id(new_index);
                new_index += 1;
            }
        }
        // The total number of states in the minimal DFA.
        let minimal_count = new_index;
        // Convenience function for remapping state IDs. This takes an old ID,
        // looks up its Hopcroft partition and then maps that to the new ID
        // range.
        let remap = |old| minimal_ids[as_index(state_to_part[as_index(old)])];

        // Re-map this DFA in place such that the only states remaining
        // correspond to the representative states of every equivalence class.
        for id in (0..self.dfa.state_len()).map(as_state_id) {
            // If this state isn't a representative for an equivalence class,
            // then we skip it since it won't appear in the minimal DFA.
            if state_to_part[as_index(id)] != id {
                continue;
            }
            self.dfa.remap_state(id, remap);
            self.dfa.swap_states(id, minimal_ids[as_index(id)]);
        }
        // Trim off all unused states from the pre-minimized DFA. This
        // represents all states that were merged into a non-singleton
        // equivalence class of states, and appeared after the first state
        // in each such class. (Because the state with the smallest ID in each
        // equivalence class is its representative ID.)
        self.dfa.truncate_states(minimal_count);

        // Update the new start states, which is now just the minimal ID of
        // whatever state the old start state was collapsed into. Also, we
        // collect everything before-hand to work around the borrow checker.
        // We're already allocating so much that this is probably fine. If this
        // turns out to be costly, then I guess add a `starts_mut` iterator.
        let starts: Vec<_> = self.dfa.starts().collect();
        for (old_start_id, anchored, start_type) in starts {
            self.dfa.set_start_state(
                anchored,
                start_type,
                remap(old_start_id),
            );
        }

        // Update the match state pattern ID list for multi-regexes. All we
        // need to do is remap the match state IDs. The pattern ID lists are
        // always the same as they were since match states with distinct
        // pattern ID lists are always considered distinct states.
        let mut pmap = BTreeMap::new();
        for (match_id, pattern_ids) in self.dfa.pattern_map() {
            let new_id = remap(match_id);
            pmap.insert(new_id, pattern_ids);
        }
        // This unwrap is OK because minimization never increases the number of
        // match states or patterns in those match states. Since minimization
        // runs after the pattern map has already been set at least once, we
        // know that our match states cannot error.
        self.dfa.set_pattern_map(&pmap).unwrap();

        // In order to update the ID of the maximum match state, we need to
        // find the maximum ID among all of the match states in the minimized
        // DFA. This is not necessarily the new ID of the unminimized maximum
        // match state, since that could have been collapsed with a much
        // earlier match state. Therefore, to find the new max match state,
        // we iterate over all previous match states, find their corresponding
        // new minimal ID, and take the maximum of those.
        let old = self.dfa.special().clone();
        let new = self.dfa.special_mut();
        // ... but only remap if we had match states.
        if old.matches() {
            new.min_match = StateID::MAX;
            new.max_match = StateID::ZERO;
            for i in as_index(old.min_match)..=as_index(old.max_match) {
                let new_id = remap(as_state_id(i));
                if new_id < new.min_match {
                    new.min_match = new_id;
                }
                if new_id > new.max_match {
                    new.max_match = new_id;
                }
            }
        }
        // ... same, but for start states.
        if old.starts() {
            new.min_start = StateID::MAX;
            new.max_start = StateID::ZERO;
            for i in as_index(old.min_start)..=as_index(old.max_start) {
                let new_id = remap(as_state_id(i));
                if new_id == DEAD {
                    continue;
                }
                if new_id < new.min_start {
                    new.min_start = new_id;
                }
                if new_id > new.max_start {
                    new.max_start = new_id;
                }
            }
            if new.max_start == DEAD {
                new.min_start = DEAD;
            }
        }
        new.quit_id = remap(new.quit_id);
        new.set_max();
    }

    fn find_waiting(&self, set: &StateSet) -> Option<usize> {
        self.waiting.iter().position(|s| s == set)
    }

    fn find_incoming_to(
        &self,
        b: alphabet::Unit,
        set: &StateSet,
        incoming: &mut StateSet,
    ) {
        incoming.clear();
        set.iter(|id| {
            for &inid in
                &self.in_transitions[self.dfa.to_index(id)][b.as_usize()]
            {
                incoming.add(inid);
            }
        });
        incoming.canonicalize();
    }

    fn initial_partitions(dfa: &dense::OwnedDFA) -> Vec<StateSet> {
        // For match states, we know that two match states with different
        // pattern ID lists will *always* be distinct, so we can partition them
        // initially based on that.
        let mut matching: BTreeMap<Vec<PatternID>, StateSet> = BTreeMap::new();
        let mut is_quit = StateSet::empty();
        let mut no_match = StateSet::empty();
        for state in dfa.states() {
            if dfa.is_match_state(state.id()) {
                let mut pids = vec![];
                for i in 0..dfa.match_len(state.id()) {
                    pids.push(dfa.match_pattern(state.id(), i));
                }
                matching
                    .entry(pids)
                    .or_insert(StateSet::empty())
                    .add(state.id());
            } else if dfa.is_quit_state(state.id()) {
                is_quit.add(state.id());
            } else {
                no_match.add(state.id());
            }
        }

        let mut sets: Vec<StateSet> =
            matching.into_iter().map(|(_, set)| set).collect();
        sets.push(no_match);
        sets.push(is_quit);
        sets
    }

    fn incoming_transitions(dfa: &dense::OwnedDFA) -> Vec<Vec<Vec<StateID>>> {
        let mut incoming = vec![];
        for _ in dfa.states() {
            incoming.push(vec![vec![]; dfa.alphabet_len()]);
        }
        for state in dfa.states() {
            for (b, next) in state.transitions() {
                incoming[dfa.to_index(next)][b.as_usize()].push(state.id());
            }
        }
        incoming
    }
}

impl StateSet {
    fn empty() -> StateSet {
        StateSet { ids: Rc::new(RefCell::new(vec![])) }
    }

    fn add(&mut self, id: StateID) {
        self.ids.borrow_mut().push(id);
    }

    fn min(&self) -> StateID {
        self.ids.borrow()[0]
    }

    fn canonicalize(&mut self) {
        self.ids.borrow_mut().sort();
        self.ids.borrow_mut().dedup();
    }

    fn clear(&mut self) {
        self.ids.borrow_mut().clear();
    }

    fn len(&self) -> usize {
        self.ids.borrow().len()
    }

    fn is_empty(&self) -> bool {
        self.len() == 0
    }

    fn deep_clone(&self) -> StateSet {
        let ids = self.ids.borrow().iter().cloned().collect();
        StateSet { ids: Rc::new(RefCell::new(ids)) }
    }

    fn iter<F: FnMut(StateID)>(&self, mut f: F) {
        for &id in self.ids.borrow().iter() {
            f(id);
        }
    }

    fn intersection(&self, other: &StateSet, dest: &mut StateSet) {
        dest.clear();
        if self.is_empty() || other.is_empty() {
            return;
        }

        let (seta, setb) = (self.ids.borrow(), other.ids.borrow());
        let (mut ita, mut itb) = (seta.iter().cloned(), setb.iter().cloned());
        let (mut a, mut b) = (ita.next().unwrap(), itb.next().unwrap());
        loop {
            if a == b {
                dest.add(a);
                a = match ita.next() {
                    None => break,
                    Some(a) => a,
                };
                b = match itb.next() {
                    None => break,
                    Some(b) => b,
                };
            } else if a < b {
                a = match ita.next() {
                    None => break,
                    Some(a) => a,
                };
            } else {
                b = match itb.next() {
                    None => break,
                    Some(b) => b,
                };
            }
        }
    }

    fn subtract(&self, other: &StateSet, dest: &mut StateSet) {
        dest.clear();
        if self.is_empty() || other.is_empty() {
            self.iter(|s| dest.add(s));
            return;
        }

        let (seta, setb) = (self.ids.borrow(), other.ids.borrow());
        let (mut ita, mut itb) = (seta.iter().cloned(), setb.iter().cloned());
        let (mut a, mut b) = (ita.next().unwrap(), itb.next().unwrap());
        loop {
            if a == b {
                a = match ita.next() {
                    None => break,
                    Some(a) => a,
                };
                b = match itb.next() {
                    None => {
                        dest.add(a);
                        break;
                    }
                    Some(b) => b,
                };
            } else if a < b {
                dest.add(a);
                a = match ita.next() {
                    None => break,
                    Some(a) => a,
                };
            } else {
                b = match itb.next() {
                    None => {
                        dest.add(a);
                        break;
                    }
                    Some(b) => b,
                };
            }
        }
        for a in ita {
            dest.add(a);
        }
    }
}

[ Dauer der Verarbeitung: 0.2 Sekunden  (vorverarbeitet)  ]

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                     


Neuigkeiten

     Aktuelles
     Motto des Tages

Software

     Produkte
     Quellcodebibliothek

Aktivitäten

     Artikel über Sicherheit
     Anleitung zur Aktivierung von SSL

Muße

     Gedichte
     Musik
     Bilder

Jenseits des Üblichen ....

Besucherstatistik

Besucherstatistik

Monitoring

Montastic status badge