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Intro to RAM data structures improved.
[saga.git] / ram.tex
1 \ifx\endpart\undefined
2 \input macros.tex
3 \fi
4
5 \chapter{Fine Details of Computation}
6 \id{ramchap}
7
8 \section{Models and machines}
9
10 Traditionally, computer scientists use a~variety of computational models
11 as a~formalism in which their algorithms are stated. If we were studying
12 NP-completeness, we could safely assume that all the models are equivalent,
13 possibly up to polynomial slowdown which is negligible. In our case, the
14 differences between good and not-so-good algorithms are on a~much smaller
15 scale. In this chapter, we will replace the usual ``tape measure'' by a~micrometer,
16 state our computation models carefully and develop a repertoire of basic
17 data structures taking advantage of the fine details of the models.
18
19 We would like to keep the formalism close enough to the reality of the contemporary
20 computers. This rules out Turing machines and similar sequentially addressed
21 models, but even the remaining models are subtly different from each other. For example, some of them
22 allow indexing of arrays in constant time, while on the others,
23 arrays have to be emulated with pointer structures, requiring $\Omega(\log n)$
24 time to access a~single element of an~$n$-element array. It is hard to say which
25 way is superior --- while most ``real'' computers have instructions for constant-time
26 indexing, it seems to be physically impossible to fulfil this promise regardless of
27 the size of memory. Indeed, at the level of logical gates inside the computer,
28 the depth of the actual indexing circuits is logarithmic.
29
30 In recent decades, most researchers in the area of combinatorial algorithms
31 have been considering two computational models: the Random Access Machine and the Pointer
32 Machine. The former is closer to the programmer's view of a~real computer,
33 the latter is slightly more restricted and ``asymptotically safe.''
34 We will follow this practice and study our algorithms in both models.
35
36 \para
37 The \df{Random Access Machine (RAM)} is not a~single coherent model, but rather a~family
38 of closely related machines, sharing the following properties.
39 (See Cook and Reckhow \cite{cook:ram} for one of the usual formal definitions
40 and Hagerup \cite{hagerup:wordram} for a~thorough description of the differences
41 between the RAM variants.)
42
43 The \df{memory} of the machine is represented by an~array of \df{memory cells}
44 addressed by non-negative integers, each of them containing a~single non-negative integer.
45 The \df{program} is a~finite sequence of \df{instructions} of two basic kinds: calculation
46 instructions and control instructions.
47
48 \df{Calculation instructions} have two source arguments and one destination
49 argument, each \df{argument} being either an~immediate constant (not available
50 as destination), a~directly addressed memory cell (specified by its number)
51 or an~indirectly addressed memory cell (its address is stored in a~directly
52 addressed memory cell).
53
54 \df{Control instructions} include branches (to a~specific instruction in
55 the program), conditional branches (e.g., jump if two arguments specified as
56 in the calculation instructions are equal) and an~instruction to halt the program.
57
58 At the beginning of the computation, the memory contains the input data
59 in specified cells and arbitrary values in all other cells.
60 Then the program is executed one instruction at a~time. When it halts,
61 specified memory cells are interpreted as the program's output.
62
63 \para\id{wordsize}%
64 In the description of the RAM family, we have omitted several details
65 on~purpose, because different members of the family define them differently.
66 These are: the size of the available integers, the time complexity of a~single
67 instruction, the space complexity assigned to a~single memory cell and the set
68 of operations available in calculation instructions.
69
70 If we impose no limits on the magnitude of the numbers and we assume that
71 arithmetic and logical operations work on them in constant time, we get
72 a~very powerful parallel computer --- we can emulate an~exponential number
73 of parallel processors using arithmetics and suddenly almost everything can be
74 computed in constant time, modulo encoding and decoding of input and output.
75 Such models are unrealistic and there are two basic possibilities how to
76 avoid this behavior:
77
78 \numlist\ndotted
79 \:Keep unbounded numbers, but increase costs of instructions: each instruction
80   consumes time proportional to the number of bits of the numbers it processes,
81   including memory addresses. Similarly, space usage is measured in bits,
82   counting not only the values, but also the addresses of the respective memory
83   cells.
84 \:Place a~limit on the size of the numbers ---define the \df{word size~$W$,}
85   the number of bits available in the memory cells--- and keep the cost of
86   instructions and memory cells constant. The word size must not be constant,
87   since we can address only~$2^W$ cells of memory. If the input of the algorithm
88   is stored in~$N$ cells, we need~$W\ge\log N$ just to be able to read the input.
89   On the other hand, we are interested in polynomial-time algorithms only, so $\Theta(\log N)$-bit
90   numbers should be sufficient. In practice, we pick~$W$ to be the larger of
91   $\Theta(\log N)$ and the size of integers used in the algorithm's input and output.
92   We will call an integer that fits in a~single memory cell a~\df{machine word.}
93 \endlist
94
95 Both restrictions easily avoid the problems of unbounded parallelism. The first
96 choice is theoretically cleaner and Cook et al.~show nice correspondences to the
97 standard complexity classes, but the calculations of time and space complexity tend
98 to be somewhat tedious. What more, when compared with the RAM with restricted
99 word size, the complexities are usually exactly $\Theta(W)$ times higher.
100 This does not hold in general (consider a~program that uses many small numbers
101 and $\O(1)$ large ones), but it is true for the algorithms we are interested in.
102 Therefore we will always assume that the operations have unit cost and we make
103 sure that all numbers are limited by the available word size.
104
105 \para
106 As for the choice of RAM operations, the following three instruction sets are often used:
107
108 \itemize\ibull
109 \:\df{Word-RAM} --- allows the ``C-language operators'', i.e., addition,
110   subtraction, multiplication, division, remainder, bitwise $\band$, $\bor$, exclusive
111   $\bor$ ($\bxor$) and negation ($\bnot$), and bitwise shifts ($\shl$ and~$\shr$).
112 \:\df{${\rm AC}^0$-RAM} --- allows all operations from the class ${\rm AC}^0$, i.e.,
113   those computable by constant-depth polynomial-size boolean circuits with unlimited
114   fan-in and fan-out. This includes all operations of the Word-RAM except for multiplication,
115   division and remainders, and also many other operations like computing the Hamming
116   weight (number of bits set in a~given number).
117 \:Both restrictions at once.
118 \endlist
119
120 Thorup discusses the usual techniques employed by RAM algorithms in~\cite{thorup:aczero}
121 and he shows that they work on both Word-RAM and ${\rm AC}^0$-RAM, but the combination
122 of the two restrictions is too weak. On the other hand, the intersection of~${\rm AC}^0$
123 with the instruction set of modern processors is already strong enough (e.g., when we
124 add some floating-point operations and multimedia instructions available on the Intel's
125 Pentium~4~\cite{intel:pentium}).
126
127 We will therefore use the Word-RAM instruction set, mentioning differences from the
128 ${\rm AC}^0$-RAM where necessary.
129
130 \nota
131 When speaking of the \df{RAM,} we implicitly mean the version with numbers limited
132 by a~specified word size of $W$~bits, unit cost of operations and memory cells and the instruction
133 set of the Word-RAM. This corresponds to the usage in recent algorithmic literature,
134 although the authors rarely mention the details. In some cases, a~non-uniform variant
135 of the Word-RAM is considered as well (e.g., in~\cite{hagerup:dd}):
136
137 \defn\id{nonuniform}%
138 A~Word-RAM is called \df{weakly non-uniform,} if it is equipped with $\O(1)$-time
139 access to a~constant number of word-sized constants, which depend only on the word
140 size. These are called \df{native constants} and they are available in fixed memory
141 cells when the program starts. (By analogy with the high-level programming languages,
142 these constants can be thought of as computed at ``compile time.'')
143
144 \para
145 The \df{Pointer Machine (PM)} also does not have any well established definition. The
146 various kinds of pointer machines are mapped by Ben-Amram in~\cite{benamram:pm},
147 but unlike the RAM's they turn out to be equivalent up to constant slowdown.
148 Our definition will be closely related to the \em{linking automaton} proposed
149 by Knuth in~\cite{knuth:fundalg}, we will only adapt it to use RAM-like
150 instructions instead of an~opaque control unit.
151
152 The PM works with two different types of data: \df{symbols} from a~finite alphabet
153 and \df{pointers}. The memory of the machine consists of a~fixed amount of \df{registers}
154 (some of them capable of storing a~single symbol, each of the others holds a~single pointer)
155 and an~arbitrary amount of \df{cells}. The structure of all cells is the same: each of them
156 again contains a~fixed number of fields for symbols and pointers. Registers can be addressed
157 directly, the cells only via pointers --- by using a~pointer stored either in a~register,
158 or in a~cell pointed to by a~register (longer chains of pointers cannot be followed in
159 constant time).
160
161 We can therefore view the whole memory as a~directed graph, whose vertices
162 correspond to the cells (the registers are stored in a~single special cell).
163 The outgoing edges of each vertex correspond to pointer fields of the cells and they are
164 labeled with distinct labels drawn from a~finite set. In addition to that,
165 each vertex contains a~fixed amount of symbols. The program can directly access
166 vertices within distance~2 from the register vertex.
167
168 The program is a~finite sequence of instructions of the following kinds:
169
170 \itemize\ibull
171 \:\df{symbol instructions,} which read a~pair of symbols, apply an~arbitrary
172   function on them and write the result to a~symbol register or field;
173 \:\df{pointer instructions} for assignment of pointers to pointer registers/fields
174   and for creation of new memory cells (a~pointer to the new cell is assigned
175   immediately);
176 \:\df{control instructions} --- similarly to the RAM; conditional jumps can decide
177   on~arbitrary unary relations on symbols and compare pointers for equality.
178 \endlist
179
180 Time and space complexity are defined in the straightforward way: all instructions
181 have unit cost and so do all memory cells.
182
183 Both input and output of the machine are passed in the form of a~linked structure
184 pointed to by a~designated register. For example, we can pass graphs back and forth
185 without having to encode them as strings of numbers or symbols. This is important,
186 because with the finite alphabet of the~PM, symbolic representations of graphs
187 generally require super-linear space and therefore also time.\foot{%
188 The usual representation of edges as pairs of vertex labels uses $\Theta(m\log n)$ bits
189 and as a~simple counting argument shows, this is asymptotically optimal for general
190 sparse graphs. On the other hand, specific families of sparse graphs can be stored
191 more efficiently, e.g., by a~remarkable result of Tur\'an~\cite{turan:succinct},
192 planar graphs can be encoded in~$\O(n)$ bits. Encoding of dense graphs is of
193 course trivial as the adjacency matrix has only~$\Theta(n^2)$ bits.}
194
195 \para
196 Compared to the RAM, the PM lacks two important capabilities: indexing of arrays
197 and arithmetic instructions. We can emulate both with poly-logarithmic slowdown,
198 but it will turn out that they are rarely needed in graph algorithms. We are
199 also going to prove that the RAM is strictly stronger, so we will prefer to
200 formulate our algorithms in the PM model and use RAM only when necessary.
201
202 \thm
203 Every program for the Word-RAM with word size~$W$ can be translated to a~PM program
204 computing the same with $\O(W^2)$ slowdown (given a~suitable encoding of inputs and
205 outputs, of course). If the RAM program does not use multiplication, division
206 and remainder operations, $\O(W)$~slowdown is sufficient.
207
208 \proofsketch
209 Represent the memory of the RAM by a~balanced binary search tree or by a~radix
210 trie of depth~$\O(W)$. Values are encoded as~linked lists of symbols pointed
211 to by the nodes of the tree. Both direct and indirect accesses to the memory
212 can therefore be done in~$\O(W)$ time. Use standard algorithms for arithmetic
213 on big numbers: $\O(W)$ per operation except for multiplication, division and
214 remainders which take $\O(W^2)$.\foot{We could use more efficient arithmetic
215 algorithms, but the quadratic bound is good enough for our purposes.}
216 \qed
217
218 \FIXME{Add references, especially to the unbounded parallelism remark.}
219
220 \thm
221 Every program for the PM running in polynomial time can be translated to a~program
222 computing the same on the Word-RAM with only $\O(1)$ slowdown.
223
224 \proofsketch
225 Encode each cell of the PM's memory to $\O(1)$ integers. Store the encoded cells to
226 the memory of the RAM sequentially and use memory addresses as pointers. As the symbols
227 are finite and there is only a~polynomial number of cells allocated during execution
228 of the program, $\O(\log N)$-bit integers suffice ($N$~is the size of the program's input).
229 \qed
230
231 \para
232 There are also \df{randomized} versions of both machines. These are equipped
233 with an~additional instruction for generating a~single random bit. The standard
234 techniques of design and analysis of randomized algorithms apply (see for
235 example Motwani and Raghavan~\cite{motwani:randalg}).
236
237 \FIXME{Consult sources. Does it make more sense to generate random words at once on the RAM?}
238
239 \rem
240 There is one more interesting machine: the \df{Immutable Pointer Machine} (see
241 the description of LISP machines in \cite{benamram:pm}). It differs from the
242 ordinary PM by the inability to modify existing memory cells. Only the contents
243 of the registers are allowed to change. All cell modifications thus have to
244 be performed by creating a~copy of the particular cell with some fields changed.
245 This in turn requires the pointers to the cell to be updated, possibly triggering
246 a~cascade of further cell copies. For example, when a~node of a~binary search tree is
247 updated, all nodes on the path from that node to the root have to be copied.
248
249 One of the advantages of this model is that the states of the machine are
250 persistent --- it is possible to return to a~previously visited state by recalling
251 the $\O(1)$ values of the registers (everything else could not have changed
252 since that time) and ``fork'' the computations. This corresponds to the semantics
253 of pure functional languages, e.g., Haskell~\cite{jones:haskell}.
254
255 Unless we are willing to accept a~logarithmic penalty in execution time and space
256 (in fact, our emulation of the Word-RAM on the PM can be easily made immutable),
257 the design of efficient algorithms for the immutable PM requires very different
258 techniques. Therefore, we will concentrate on the imperative models instead
259 and refer the interested reader to the thorough treatment of purely functional
260 data structures in the Okasaki's monograph~\cite{okasaki:funcds}.
261
262 %--------------------------------------------------------------------------------
263
264 \section{Bucket sorting and unification}\id{bucketsort}%
265
266 The Contractive Bor\o{u}vka's algorithm (\ref{contbor}) needs to contract a~given
267 set of edges in the current graph and then flatten the graph, all this in time $\O(m)$.
268 We have spared the technical details for this section, in which we are going to
269 explain several rather general techniques based on bucket sorting.
270
271 As we have already suggested in the proof of Lemma \ref{contbor}, contractions
272 can be performed in linear time by building an~auxiliary graph and finding its
273 connected components. We will thus take care only of the subsequent flattening.
274
275 \paran{Flattening on RAM}%
276 On the RAM, we can view the edges as ordered pairs of vertex identifiers with the
277 smaller of the identifiers placed first and sort them lexicographically. This brings
278 parallel edges together, so that a~simple linear scan suffices to find each bunch
279 of parallel edges and remove all but the lightest one.
280 Lexicographic sorting of pairs can be accomplished in linear time by a~two-pass
281 bucket sort with $n$~buckets corresponding to the vertex identifiers.
282
283 However, there is a~catch in this. Suppose that we use the standard representation
284 of graphs by adjacency lists whose heads are stored in an array indexed by vertex
285 identifiers. When we contract and flatten the graph, the number of vertices decreases,
286 but if we inherit the original vertex identifiers, the arrays will still have the
287 same size. We could then waste a~super-linear amount of time by scanning the increasingly
288 sparse arrays, most of the time skipping unused entries.
289
290 To avoid this problem, we have to renumber the vertices after each contraction to component
291 identifiers from the auxiliary graph and create a~new vertex array. This helps
292 keep the size of the representation of the graph linear with respect to its current
293 size.
294
295 \paran{Flattening on PM}%
296 The pointer representation of graphs does not suffer from sparsity since the vertices
297 are always identified by pointers to per-vertex structures. Each such structure
298 then contains all attributes associated with the vertex, including the head of its
299 adjacency list. However, we have to find a~way how to perform bucket sorting
300 without indexing of arrays.
301
302 We will keep a~list of the per-vertex structures that defines the order of~vertices.
303 Each such structure will be endowed with a~pointer to the head of the list of items in
304 the corresponding bucket. Inserting an~edge to a~bucket can be then done in constant time
305 and scanning the contents of all~$n$ buckets takes $\O(n+m)$ time.
306
307 At last, we must not forget that while it was easy to \df{normalize} the pairs on the RAM
308 by putting the smaller identifier first, this fails on the PM because we can directly
309 compare the identifiers only for equality. We can work around this again by bucket-sorting:
310 we sort the multiset $\{ (x,i) \mid \hbox{$x$~occurs in the $i$-th pair} \}$ on~$x$.
311 Then we reset all pairs and re-insert the values back in their increasing order.
312 This is also $\O(n+m)$.
313
314 \paran{Tree isomorphism}%
315 Another nice example of pointer-based radix sorting is a~Pointer Machine algorithm for
316 deciding whether two rooted trees are isomorphic. Let us assume for a~moment that
317 the outdegree of each vertex is at most a~fixed constant~$k$. We begin by sorting the subtrees
318 of both trees by their depth. This can be accomplished by running depth-first search to calculate
319 the depths and bucket-sorting them with $n$~buckets afterwards.
320
321 Then we proceed from depth~0 to the maximum depth and for each of them we identify
322 the isomorphism equivalence classes of subtrees of that particular depth. We will assign
323 unique identifiers all such classes; at most~$n+1$ of them are needed as there are
324 $n+1$~subtrees in the tree (including the empty subtree). As the PM does not
325 have numbers as a~first-class type, we create a~``\df{yardstick}'' ---a~list
326 of $n+1$~distinct items--- and we use pointers to these ``ticks'' as identifiers.
327 When we are done, isomorphism of the whole trees can be decided by comparing the
328 identifiers assigned to their roots.
329
330 Suppose that classes of depths $0,\ldots,d-1$ are already computed and we want
331 to identify those of depth~$d$. We will denote their count of~$n_d$. We take
332 a~root of every such tree and label it with an~ordered $k$-tuple of identifiers
333 of its subtrees; when it has less than $k$ sons, we pad the tuple with empty
334 subtrees. Tuples corresponding to isomorphic subtrees are identical up to
335 reordering of elements. We therefore sort the codes inside each tuple and then
336 sort the tuples, which brings the equivalent tuples together.
337
338 The first sort (inside the tuples) would be easy on the RAM, but on the PM we
339 have to use the normalization trick mentioned above. The second sort is
340 a~straightforward $k$-pass bucket sort.
341
342 If we are not careful, a~single sorting pass takes $\O(n_d + n)$ time, because
343 while we have only $n_d$~items to sort, we have to scan all $n$~buckets. This can
344 be easily avoided if we realize that the order of buckets does not need to be
345 fixed --- in every pass, we can use a~completely different order and it still
346 does bring the equivalent tuples together. Thus we can keep a~list of buckets
347 which are used in the current pass and look only inside these buckets. This way,
348 we reduce the time spent in a~single pass to $\O(n_d)$ and the whole algorithm
349 takes $\O(\sum_d n_d) = \O(n)$.
350
351 Our algorithm can be easily modified for trees with unrestricted degrees.
352 We replace the fixed $d$-tuples by general sequences of identifiers. The first
353 sort does not need any changes. In the second sort, we proceed from the first
354 position to the last one and after each bucket-sorting pass we put aside the sequences
355 that have just ended. They are obviously not equivalent to any other sequences.
356 The second sort is linear in the sum of the lengths of the sequences, which is
357 $n_{d+1}$ for depth~$d$. We can therefore decide isomorphism of the whole trees
358 in time $\O(\sum_d (n_d + n_{d+1})) = \O(n)$.
359
360 The unification of sequences by bucket sorting will be useful in many
361 other situations, so we will state it as a~separate lemma:
362
363 \lemman{Sequence unification}\id{suniflemma}%
364 Partitioning of a~collection of sequences $S_1,\ldots,S_n$, whose elements are
365 arbitrary pointers and symbols from a~finite alphabet, to equality classes can
366 be performed on the Pointer Machine in time $\O(n + \sum_i \vert S_i \vert)$.
367
368 \rem
369 The first linear-time algorithm that partitions all subtrees to isomorphism equivalence
370 classes is probably due to Zemlayachenko \cite{zemlay:treeiso}, but it lacks many
371 details. Dinitz et al.~\cite{dinitz:treeiso} have recast this algorithm in modern
372 terminology and filled the gaps. Our algorithm is easier to formulate than those,
373 because it replaces the need for auxiliary data structures by more elaborate bucket
374 sorting.
375
376 \paran{Topological graph computations}%
377 Many graph algorithms are based on the idea of so called \df{micro/macro decomposition:}
378 We decompose a~graph to subgraphs on roughly~$k$ vertices and solve the problem
379 separately inside these ``micrographs'' and in the ``macrograph'' obtained by
380 contraction of the micrographs. If $k$~is small enough, many of the micrographs
381 are isomorphic, so we can compute the result only once for each isomorphism class
382 and recycle it for all micrographs in that class. On the other hand, the macrograph
383 is roughly $k$~times smaller than the original graph, so we can use a~less efficient
384 algorithm and it will still run in linear time with respect to the size of the original
385 graph.
386
387 This kind of decomposition is traditionally used for trees, especially in the
388 algorithms for the Lowest Common Ancestor problem (cf.~Section \ref{verifysect}
389 and the survey paper \cite{alstrup:nca}) and for online maintenance of marked ancestors
390 (cf.~Alstrup et al.~\cite{alstrup:marked}). Let us take a~glimpse at what happens when
391 we decompose a~tree with $k$ set to~$1/4\cdot\log n$. There are at most $2^{2k} = \sqrt n$ non-isomorphic subtrees of size~$k$,
392 because each isomorphism class is uniquely determined by the sequence of $2k$~up/down steps
393 performed by depth-first search. Suppose that we are able to decompose the input and identify
394 the equivalence classes of microtrees in linear time, then solve the problem in time $\O(\poly(k))$ for
395 each microtree and finally in $\O(n'\log n')$ for the macrotree of size $n'=n/k$. When we put these pieces
396 together, we get an~algorithm for the whole problem which achieves time complexity $\O(n
397 + \sqrt{n}\cdot\poly(\log n) + n/\log n\cdot\log(n/\log n)) = \O(n)$.
398
399 Decompositions are usually implemented on the RAM, because subgraphs can be easily
400 encoded in numbers, which can be then used to index arrays containing the precomputed
401 results. As the previous algorithm for subtree isomorphism shows, indexing is not strictly
402 required for identifying equivalent microtrees and it can be replaced by bucket
403 sorting on the Pointer Machine. Buchsbaum et al.~\cite{buchsbaum:verify} have extended
404 this technique to general graphs in form of so called topological graph computations.
405 Let us define them.
406
407 \defn
408 A~\df{graph computation} is a~function that takes a~\df{labeled undirected graph} as its input. The labels of its
409 vertices and edges can be arbitrary symbols drawn from a~finite alphabet. The output
410 of the computation is another labeling of the same graph. This time, the vertices and
411 edges can be labeled with not only symbols of the alphabet, but also with pointers to the vertices
412 and edges of the input graph, and possibly also with pointers to outside objects.
413 A~graph computation is called \df{topological} if it produces isomorphic
414 outputs for isomorphic inputs. The isomorphism of course has to preserve not only
415 the structure of the graph, but also the labels in the obvious way.
416
417 \obs
418 The topological graph computations cover a~great variety of graph problems, ranging
419 from searching for matchings or Eulerian tours to finding Hamilton circuits.
420 The MST problem itself however does not belong to this class, because we do not have any means
421 of representing the edge weights as labels, unless of course there is only a~fixed amount
422 of possible values.
423
424 As in the case of tree decompositions, we would like to identify the equivalent subgraphs
425 and process only a~single instance from each equivalence class. The obstacle is that
426 graph isomorphism is known to be computationally hard (it is one of the few
427 problems that are neither known to lie in~$\rm P$ nor to be $\rm NP$-complete;
428 see Arvind and Kurur \cite{arvind:isomorph} for recent results on its complexity).
429 We will therefore manage with a~weaker form of equivalence, based on some sort
430 of graph encodings:
431
432 \defn
433 A~\df{canonical encoding} of a~given labeled graph represented by adjancency lists
434 is obtained by running the depth-first search on the graph and recording its traces.
435 We start with an~empty encoding. When we enter
436 a~vertex, we assign an~identifier to it (again using a~yardstick to represent numbers)
437 and we append the label of this vertex to the encoding. Then we scan all back edges
438 going from this vertex and append the identifiers of their destinations, accompanied
439 by the edges' labels. Finally we append a~special terminator to mark the boundary
440 between the code of this vertex and its successor.
441
442 \obs
443 The canonical encoding is well defined in the sense that non-iso\-morphic graphs always
444 receive different encodings. Obviously, encodings of isomorphic graphs can differ,
445 depending on the order of vertices and also of the adjacency lists. A~graph
446 on~$n$ vertices with $m$~edges is assigned an~encoding of length at most $2n+2m$ ---
447 for each vertex, we record its label and a~single terminator; edges contribute
448 by identifiers and labels. These encodings can be constructed in linear time and
449 in the same time we can also create a~graph corresponding to any encoding.
450 We will use the encodings for our unification of graphs:
451
452 \defn
453 For a~collection~$\C$ of graphs, we define $\vert\C\vert$ as the number of graphs in
454 the collection and $\Vert\C\Vert$ as their total size, i.e., $\Vert\C\Vert = \sum_{G\in\C} n(G) + m(G)$.
455
456 \lemman{Graph unification}\id{guniflemma}%
457 A~collection~$\C$ of labeled graphs can be partitioned into classes which share the same
458 canonical encoding in time $\O(\Vert\C\Vert)$ on the Pointer Machine.
459
460 \proof
461 Construct canonical encodings of all the graphs and then apply the Sequence unification lemma
462 (\ref{suniflemma}) on them.
463 \qed
464
465 \para
466 When we want to perform a~topological computation on a~collection~$\C$ of graphs
467 with $k$~vertices, we first precompute its result for a~collection~$\cal G$ of \df{generic graphs}
468 corresponding to all possible canonical encodings on $k$~vertices. Then we use unification to match
469 the \df{actual graphs} in~$\C$ to the generic graphs in~$\cal G$. This gives us the following
470 theorem:
471
472 \thmn{Batched topological computations, Buchsbaum et al.~\cite{buchsbaum:verify}}\id{topothm}%
473 Suppose that we have a~topological graph computation~$\cal T$ that can be performed in time
474 $T(k)$ for graphs on $k$~vertices. Then we can run~$\cal T$ on a~collection~$\C$
475 of labeled graphs on~$k$ vertices in time $\O(\Vert\C\Vert + (k+s)^{k(k+2)}\cdot (T(k)+k^2))$,
476 where~$s$ is a~constant depending only on the number of symbols used as vertex/edge labels.
477
478 \proof
479 A~graph on~$k$ vertices has less than~$k^2/2$ edges, so the canonical encodings of
480 all such graphs are shorter than $2k + 2k^2/2 = k(k+2)$. Each element of the encoding
481 is either a~vertex identifier, or a~symbol, or a~separator, so it can attain at most $k+s$
482 possible values for some fixed~$s$.
483 We can therefore enumerate all possible encodings and convert them to a~collection $\cal G$
484 of all generic graphs such that $\vert{\cal G}\vert \le (k+s)^{k(k+2)}$ and $\Vert{\cal G}\Vert
485 \le \vert{\cal G}\vert \cdot k^2$.
486
487 We run the computation on all generic graphs in time $\O(\vert{\cal G}\vert \cdot T(k))$
488 and then we use the Unification lemma (\ref{guniflemma}) on the union of the collections
489 $\C$ and~$\cal G$ to match the generic graphs with the equivalent actual graphs in~$\C$
490 in time $\O(\Vert\C\Vert + \Vert{\cal G}\Vert)$.
491 Finally we create a~copy of the generic result for each of the actual graphs.
492 If the computation uses pointers to the input vertices in its output, we have to
493 redirect them to the actual input vertices, which we can do by associating
494 the output vertices that refer to an~input vertex with the corresponding places
495 in the encoding of the input graph. This way, the whole output can be generated in time
496 $\O(\Vert\C\Vert + \Vert{\cal G}\Vert)$.
497 \qed
498
499 \rem
500 The topological computations and the Graph unification lemma will play important
501 roles in Sections \ref{verifysect} and \ref{optalgsect}.
502
503 %--------------------------------------------------------------------------------
504
505 \section{Data structures on the RAM}
506 \id{ramdssect}
507
508 There is a~lot of data structures designed specifically for the RAM. These structures
509 take advantage of both indexing and arithmetics and they often surpass the known
510 lower bounds for the same problem on the~PM. In many cases, they achieve constant time
511 per operation, at least when either the magnitude of the values or the size of
512 the data structure are suitably bounded.
513
514 A~classical result of this type are the trees of van Emde Boas~\cite{boas:vebt}
515 which represent a~subset of the integers $\{0,\ldots,U-1\}$. They allow insertion,
516 deletion and order operations (minimum, maximum, successor etc.) in time $\O(\log\log U)$,
517 regardless of the size of the subset. If we replace the heap used in the Jarn\'\i{}k's
518 algorithm (\ref{jarnik}) by this structure, we immediately get an~algorithm
519 for finding the MST in integer-weighted graphs in time $\O(m\log\log w_{max})$,
520 where $w_{max}$ is the maximum weight.
521
522 A~real breakthrough has been however made by Fredman and Willard who introduced
523 the Fusion trees~\cite{fw:fusion}. They again perform membership and predecessor
524 operation on a~set of $n$~integers, but with time complexity $\O(\log_W n)$
525 per operation on a~Word-RAM with $W$-bit words. This of course assumes that
526 each element of the set fits in a~single word. As $W$ must at least~$\log n$,
527 the operations take $\O(\log n/\log\log n)$ time and thus we are able to sort $n$~integers
528 in time~$o(n\log n)$. This was a~beginning of a~long sequence of faster and
529 faster sorting algorithms, culminating with the work by Thorup and Han.
530 They have improved the time complexity of integer sorting to $\O(n\log\log n)$ deterministically~\cite{han:detsort}
531 and expected $\O(n\sqrt{\log\log n})$ for randomized algorithms~\cite{hanthor:randsort},
532 both in linear space.
533
534 The Fusion trees themselves have very limited use in graph algorithms, but the
535 principles behind them are ubiquitious in many other data structures and these
536 will serve us well and often. We are going to build the theory of Q-heaps in
537 Section \ref{qheaps}, which will later lead to a~linear-time MST algorithm
538 for arbitrary integer weights in Section \ref{iteralg}. Other such structures
539 will help us in building linear-time RAM algorithms for computing the ranks
540 of various combinatorial structures in Chapter~\ref{rankchap}.
541
542 Outside our area, important consequences of these data structures include the
543 Thorup's $\O(m)$ algorithm for single-source shortest paths in undirected
544 graphs with positive integer weights \cite{thorup:usssp} and his $\O(m\log\log
545 n)$ algorithm for the same problem in directed graphs \cite{thorup:sssp}. Both
546 algorithms have been then significantly simplified by Hagerup
547 \cite{hagerup:sssp}.
548
549 Despite the progress in the recent years, the corner-stone of all RAM structures
550 is still the representation of combinatorial objects by integers introduced by
551 Fredman and Willard. It will also form a~basis for the rest of this chapter.
552
553 %--------------------------------------------------------------------------------
554
555 \section{Bits and vectors}\id{bitsect}
556
557 In this rather technical section, we will show how the RAM can be used as a~vector
558 computer to operate in parallel on multiple elements, as long as these elements
559 fit in a~single machine word. At the first sight this might seem useless, because we
560 cannot require large word sizes, but surprisingly often the elements are small
561 enough relative to the size of the algorithm's input and thus also relative to
562 the minimum possible word size. Also, as the following lemma shows, we can
563 easily emulate slightly longer words:
564
565 \lemman{Multiple-precision calculations}
566 Given a~RAM with $W$-bit words, we can emulate all calculation and control
567 instructions of a~RAM with word size $kW$ in time depending only on the~$k$.
568 (This is usually called \df{multiple-precision arithmetics.})
569
570 \proof
571 We split each word of the ``big'' machine to $W'$-bit blocks, where $W'=W/2$, and store these
572 blocks in $2k$ consecutive memory cells. Addition, subtraction, comparison and
573 bitwise logical operations can be performed block-by-block. Shifts by a~multiple
574 of~$W'$ are trivial, otherwise we can combine each block of the result from
575 shifted versions of two original blocks.
576 To multiply two numbers, we can use the elementary school algorithm using the $W'$-bit
577 blocks as digits in base $2^{W'}$ --- the product of any two blocks fits
578 in a~single word.
579
580 Division is harder, but Newton-Raphson iteration (see~\cite{ito:newrap})
581 converges to the quotient in a~constant number of iterations, each of them
582 involving $\O(1)$ multiple-precision additions and multiplications. A~good
583 starting approximation can be obtained by dividing the two most-significant
584 (non-zero) blocks of both numbers.
585
586 Another approach to division is using the improved elementary school algorithm as described
587 by Knuth in~\cite{knuth:seminalg}. It uses $\O(k^2)$ steps, but the steps involve
588 calculation of the most significant bit set in a~word. We will show below that it
589 can be done in constant time, but we have to be careful to avoid division instructions.
590 \qed
591
592 \notan{Bit strings}\id{bitnota}%
593 We will work with binary representations of natural numbers by strings over the
594 alphabet $\{\0,\1\}$: we will use $\(x)$ for the number~$x$ written in binary,
595 $\(x)_b$ for the same padded to exactly $b$ bits by adding leading zeroes,
596 and $x[k]$ for the value of the $k$-th bit of~$x$ (with a~numbering of bits such that $2^k[k]=1$).
597 The usual conventions for operations on strings will be utilized: When $s$
598 and~$t$ are strings, we write $st$ for their concatenation and
599 $s^k$ for the string~$s$ repeated $k$~times.
600 When the meaning is clear from the context,
601 we will use $x$ and $\(x)$ interchangeably to avoid outbreak of symbols.
602
603 \defn
604 The \df{bitwise encoding} of a~vector ${\bf x}=(x_0,\ldots,x_{d-1})$ of~$b$-bit numbers
605 is an~integer~$x$ such that $\(x)=\(x_{d-1})_b\0\(x_{d-2})_b\0\ldots\0\(x_0)_b$, i.e.,
606 $x = \sum_i 2^{(b+1)i}\cdot x_i$. (We have interspersed the elements with \df{separator bits.})
607
608 \notan{Vectors}\id{vecnota}%
609 We will use boldface letters for vectors and the same letters in normal type
610 for their encodings. The elements of a~vector~${\bf x}$ will be written as
611 $x_0,\ldots,x_{d-1}$.
612
613 \para
614 If we want to fit the whole vector in a~single word, the parameters $b$ and~$d$ must satisty
615 the condition $(b+1)d\le W$.
616 By using multiple-precision arithmetics, we can encode all vectors satisfying $bd=\O(W)$.
617 We will now describe how to translate simple vector manipulations to sequences of $\O(1)$ RAM operations
618 on their codes. As we are interested in asymptotic complexity only, we prefer clarity
619 of the algorithms over saving instructions. Among other things, we freely use calculations
620 on words of size $\O(bd)$, assuming that the Multiple-precision lemma comes to save us
621 when necessary.
622
623 \para
624 First of all, let us observe that we can use $\band$ and $\bor$ with suitable constants
625 to write zeroes or ones to an~arbitrary set of bit positions at once. These operations
626 are usually called \df{bit masking}. Also, any element of a~vector can be extracted or
627 replaced by a~different value in $\O(1)$ time by masking and shifts.
628
629 \newdimen\slotwd
630 \def\setslot#1{\setbox0=#1\slotwd=\wd0}
631 \def\slot#1{\hbox to \slotwd{\hfil #1\hfil}}
632 \def\[#1]{\slot{$#1$}}
633 \def\9{\rack{\0}{\hss$\cdot$\hss}}
634
635 \def\alik#1{%
636 \medskip
637 \halign{\hskip 0.15\hsize\hfil $ ##$&\hbox to 0.6\hsize{${}##$ \hss}\cr
638 #1}
639 \medskip
640 }
641
642 \algn{Operations on vectors with $d$~elements of $b$~bits each}\id{vecops}
643
644 \itemize\ibull
645
646 \:$\<Replicate>(\alpha)$ --- creates a~vector $(\alpha,\ldots,\alpha)$:
647
648 \alik{\<Replicate>(\alpha)=\alpha\cdot(\0^b\1)^d. \cr}
649
650 \:$\<Sum>(x)$ --- calculates the sum of the elements of~${\bf x}$, assuming that
651 the result fits in $b$~bits:
652
653 \alik{\<Sum>(x) = x \bmod \1^{b+1}. \cr}
654
655 This is correct because when we calculate modulo~$\1^{b+1}$, the number $2^{b+1}=\1\0^{b+1}$
656 is congruent to~1 and thus $x = \sum_i 2^{(b+1)i}\cdot x_i \equiv \sum_i 1^i\cdot x_i \equiv \sum_i x_i$.
657 As the result should fit in $b$~bits, the modulo makes no difference.
658
659 If we want to avoid division, we can use double-precision multiplication instead:
660
661 \setslot{\hbox{~$\0x_{d-1}$}}
662 \def\.{\[]}
663 \def\z{\[\0^b\1]}
664 \def\dd{\slot{$\cdots$}}
665 \def\vd{\slot{$\vdots$}}
666 \def\rule{\noalign{\medskip\nointerlineskip}$\hrulefill$\cr\noalign{\nointerlineskip\medskip}}
667
668 \alik{
669 \[\0x_{d-1}] \dd \[\0x_2] \[\0x_1] \[\0x_0] \cr
670 *~~ \z \dd \z\z\z \cr
671 \rule
672 \[x_{d-1}] \dd \[x_2] \[x_1] \[x_0] \cr
673 \[x_{d-1}] \[x_{d-2}] \dd \[x_1] \[x_0] \. \cr
674 \[x_{d-1}] \[x_{d-2}] \[x_{d-3}] \dd \[x_0] \. \. \cr
675 \vd\vd\vd\vd\.\.\.\cr
676 \[x_{d-1}] \dd \[x_2]\[x_1]\[x_0] \. \. \. \. \cr
677 \rule
678 \[r_{d-1}] \dd \[r_2] \[r_1] \[s_d] \dd \[s_3] \[s_2] \[s_1] \cr
679 }
680
681 This way, we even get the vector of all partial sums:
682 $s_k=\sum_{i=0}^{k-1}x_i$, $r_k=\sum_{i=k}^{d-1}x_i$.
683
684 \:$\<Cmp>(x,y)$ --- element-wise comparison of~vectors ${\bf x}$ and~${\bf y}$,
685 i.e., a~vector ${\bf z}$ such that $z_i=1$ if $x_i<y_i$ and $z_i=0$ otherwise.
686
687 We replace the separator zeroes in~$x$ by ones and subtract~$y$. These ones
688 change back to zeroes exactly at the positions where $x_i<y_i$ and they stop
689 carries from propagating, so the fields do not interact with each other:
690
691 \setslot{\vbox{\hbox{~$x_{d-1}$}\hbox{~$y_{d-1}$}}}
692 \def\9{\rack{\0}{\hss ?\hss}}
693 \alik{
694    \1 \[x_{d-1}] \1 \[x_{d-2}] \[\cdots] \1 \[x_1] \1 \[x_0]  \cr
695 -~ \0 \[y_{d-1}] \0 \[y_{d-2}] \[\cdots] \0 \[y_1] \0 \[y_0]  \cr
696 \rule
697    \9 \[\ldots]  \9 \[\ldots]  \[\cdots] \9 \[\ldots] \9 \[\ldots] \cr
698 }
699
700 It only remains to shift the separator bits to the right positions, negate them
701 and mask out all other bits.
702
703 \:$\<Rank>(x,\alpha)$ --- returns the number of elements of~${\bf x}$ which are less than~$\alpha$,
704 assuming that the result fits in~$b$ bits:
705
706 \alik{
707 \<Rank>(x,\alpha) = \<Sum>(\<Cmp>(x,\<Replicate>(\alpha))). \cr
708 }
709
710 \:$\<Insert>(x,\alpha)$ --- inserts~$\alpha$ into a~sorted vector $\bf x$:
711
712 We calculate the rank of~$\alpha$ in~$x$ first, then we insert~$\alpha$ as the $k$-th
713 field of~$\bf x$ using masking operations and shifts.
714
715 \algo
716 \:$k\=\<Rank>(x,\alpha)$.
717 \:$\ell\=x \band \1^{(b+1)(n-k-1)}\0^{(b+1)(k+1)}$. \cmt{``left'' part of the vector}
718 \:$r=x \band \1^{(b+1)k}$. \cmt{``right'' part}
719 \:Return $(\ell\shl (b+1)) \bor (\alpha\shl ((b+1)k)) \bor r$.
720 \endalgo
721
722 \:$\<Unpack>(\alpha)$ --- creates a~vector whose elements are the bits of~$\(\alpha)_d$.
723 In other words, inserts blocks~$\0^b$ between the bits of~$\alpha$. Assuming that $b\ge d$,
724 we can do it as follows:
725
726 \algo
727 \:$x\=\<Replicate>(\alpha)$.
728 \:$y\=(2^{b-1},2^{b-2},\ldots,2^0)$. \cmt{bitwise encoding of this vector}
729 \:$z\=x \band y$.
730 \:Return $\<Cmp>(z,y)$.
731 \endalgo
732
733 Let us observe that $z_i$ is either zero or equal to~$y_i$ depending on the value
734 of the $i$-th bit of the number~$\alpha$. Comparing it with~$y_i$ normalizes it
735 to either zero or one.
736
737 \:$\<Unpack>_\pi(\alpha)$ --- like \<Unpack>, but changes the order of the
738 bits according to a~fixed permutation~$\pi$: The $i$-th element of the
739 resulting vector is equal to~$\alpha[\pi(i)]$.
740
741 Implemented as above, but with a~mask $y=(2^{\pi(b-1)},\ldots,2^{\pi(0)})$.
742
743 \:$\<Pack>(x)$ --- the inverse of \<Unpack>: given a~vector of zeroes and ones,
744 it produces a~number whose bits are the elements of the vector (in other words,
745 it crosses out the $\0^b$ blocks).
746
747 We interpret the~$x$ as an~encoding of a~vector with elements one bit shorter
748 and we sum these elements. For example, when $n=4$ and~$b=4$:
749
750 \setslot{\hbox{$x_3$}}
751 \def\z{\[\0]}
752 \def\|{\hskip1pt\vrule height 10pt depth 4pt\hskip1pt}
753 \def\.{\hphantom{\|}}
754
755 \alik{
756 \|\z\.\z\.\z\.\z\.\[x_3]\|\z\.\z\.\z\.\z\.\[x_2]\|\z\.\z\.\z\.\z\[x_1]\|\z\.\z\.\z\.\z\.\[x_0]\|\cr
757 \|\z\.\z\.\z\.\z\|\[x_3]\.\z\.\z\.\z\|\z\.\[x_2]\.\z\.\z\|\z\.\z\[x_1]\.\z\|\z\.\z\.\z\.\[x_0]\|\cr
758 }
759
760 However, this ``reformatting'' does not produce a~correct encoding of a~vector,
761 because the separator zeroes are missing. For this reason, the implementation
762 of~\<Sum> using modulo does not work correctly (it produces $\0^b$ instead of $\1^b$).
763 We therefore use the technique based on multiplication instead, which does not need
764 the separators. (Alternatively, we can observe that $\1^b$ is the only case
765 affected, so we can handle it separately.)
766
767 \endlist
768
769 \para
770 We can use the aforementioned tricks to perform interesting operations on individual
771 numbers in constant time, too. Let us assume for a~while that we are
772 operating on $b$-bit numbers and the word size is at least~$b^2$.
773 This enables us to make use of intermediate vectors with $b$~elements
774 of $b$~bits each.
775
776 \algn{Integer operations in quadratic workspace}\id{lsbmsb}
777
778 \itemize\ibull
779
780 \:$\<Weight>(\alpha)$ --- computes the Hamming weight of~$\alpha$, i.e., the number of ones in~$\(\alpha)$.
781
782 We perform \<Unpack> and then \<Sum>.
783
784 \:$\<Permute>_\pi(\alpha)$ --- shuffles the bits of~$\alpha$ according
785 to a~fixed permutation~$\pi$.
786
787 We perform $\<Unpack>_\pi$ and \<Pack> back.
788
789 \:$\<LSB>(\alpha)$ --- finds the least significant bit of~$\alpha$,
790 i.e., the smallest~$i$ such that $\alpha[i]=1$.
791
792 By a~combination of subtraction with $\bxor$, we create a~number
793 that contains ones exactly at the position of $\<LSB>(\alpha)$ and below:
794
795 \alik{
796 \alpha&=                        \9\9\9\9\9\1\0\0\0\0\cr
797 \alpha-1&=                      \9\9\9\9\9\0\1\1\1\1\cr
798 \alpha\bxor(\alpha-1)&=         \0\9\9\9\0\1\1\1\1\1\cr
799 }
800
801 Then we calculate the \<Weight> of the result and subtract~1.
802
803 \:$\<MSB>(\alpha)$ --- finds the most significant bit of~$\alpha$ (the position
804 of the highest bit set).
805
806 Reverse the bits of the number~$\alpha$ first by calling \<Permute>, then apply \<LSB>
807 and subtract the result from~$b-1$.
808
809 \endlist
810
811 \rem
812 As noted by Brodnik~\cite{brodnik:lsb} and others, the space requirements of
813 the \<LSB> operation can be reduced to linear. We split the input to $\sqrt{b}$
814 blocks of $\sqrt{b}$ bits each. Then we determine which blocks are non-zero and
815 identify the lowest such block (this is a~\<LSB> of a~number whose bits
816 correspond to the blocks). Finally we calculate the \<LSB> of this block. In
817 both calls to \<LSB,> we have a $\sqrt{b}$-bit number in a~$b$-bit word, so we
818 can use the previous algorithm. The same trick of course works for finding the
819 \<MSB> as well.
820
821 The following algorithm shows the details.
822
823 \algn{LSB in linear workspace}
824
825 \algo\id{lsb}
826 \algin A~$w$-bit number~$\alpha$.
827 \:$b\=\lceil\sqrt{w}\,\rceil$. \cmt{size of a~block}
828 \:$\ell\=b$. \cmt{the number of blocks is the same}
829 \:$x\=(\alpha \band (\0\1^b)^\ell) \bor (\alpha \band (\1\0^b)^\ell)$.
830 \hfill\break
831 \cmt{encoding of a~vector~${\bf x}$ such that $x_i\ne 0$ iff the $i$-th block is non-zero}%
832 \foot{Why is this so complicated? It is tempting to take $\alpha$ itself as a~code of this vector,
833 but we unfortunately need the separator bits between elements, so we create them and
834 relocate the bits we have overwritten.}
835 \:$y\=\<Cmp>(0,x)$. \cmt{$y_i=1$ if the $i$-th block is non-zero, otherwise $y_0=0$}
836 \:$\beta\=\<Pack>(y)$. \cmt{each block compressed to a~single bit}
837 \:$p\=\<LSB>(\beta)$. \cmt{the index of the lowest non-zero block}
838 \:$\gamma\=(\alpha \shr bp) \band \1^b$. \cmt{the contents of that block}
839 \:$q\=\<LSB>(\gamma)$. \cmt{the lowest bit set there}
840 \algout $\<LSB>(\alpha) = bp+q$.
841 \endalgo
842
843 \rem
844 We have used a~plenty of constants that depend on the format of the vectors.
845 Either we can write non-uniform programs (see \ref{nonuniform}) and use native constants,
846 or we can observe that all such constants can be easily manufactured. For example,
847 $(\0^b\1)^d = \1^{(b+1)d} / \1^{b+1} = (2^{(b+1)d}-1)/(2^{b+1}-1)$. The only exceptions
848 are the~$w$ and~$b$ in the LSB algorithm \ref{lsb}, which we are unable to produce
849 in constant time. In practice we use the ``bit tricks'' as frequently called subroutines
850 in an~encompassing algorithm, so we usually can spend a~lot of time on the precalculation
851 of constants performed once during algorithm startup.
852
853 %--------------------------------------------------------------------------------
854
855 \section{Q-Heaps}\id{qheaps}%
856
857 We have shown how to perform non-trivial operations on a~set of values
858 in constant time, but so far only under the assumption that the number of these
859 values is small enough and that the values themselves are also small enough
860 (so that the whole set fits in $\O(1)$ machine words). Now we will show how to
861 lift the restriction on the magnitude of the values and still keep constant time
862 complexity. We will describe a~slightly simplified version of the Q-heaps developed by
863 Fredman and Willard in~\cite{fw:transdich}.
864
865 The Q-heap represents a~set of at most~$k$ word-sized integers, where $k\le W^{1/4}$
866 and $W$ is the word size of the machine. It will support insertion, deletion, finding
867 of minimum and maximum, and other operations described below, in constant time, provided that
868 we are willing to spend~$\O(2^{k^4})$ time on preprocessing.
869
870 The exponential-time preprocessing may sound alarming, but a~typical application uses
871 Q-heaps of size $k=\log^{1/4} N$, where $N$ is the size of the algorithm's input.
872 This guarantees that $k\le W^{1/4}$ and $\O(2^{k^4}) = \O(N)$. Let us however
873 remark that the whole construction is primarily of theoretical importance
874 and that the huge constants involved everywhere make these heaps useless
875 in practical algorithms. Despise this, many of the tricks we develop have proven
876 themselves useful even in real-life implementations.
877
878 Spending the time on reprocessing makes it possible to precompute tables for
879 almost arbitrary functions and then assume that they can be evaluated in
880 constant time:
881
882 \lemma\id{qhprecomp}%
883 When~$f$ is a~function computable in polynomial time, $\O(2^{k^4})$ time is enough
884 to precompute a~table of the values of~$f$ for all arguments whose size is $\O(k^3)$ bits.
885
886 \proof
887 There are $2^{\O(k^3)}$ possible combinations of arguments of the given size and for each of
888 them we spend $\poly(k)$ time on calculating the function. It remains
889 to observe that $2^{\O(k^3)}\cdot \poly(k) = \O(2^{k^4})$.
890 \qed
891
892 \paran{Tries and ranks}%
893 We will first show an~auxiliary construction based on tries and then derive
894 the real definition of the Q-heap from it.
895
896 \nota
897 Let us introduce some notation first:
898 \itemize\ibull
899 \:$W$ --- the word size of the RAM,
900 \:$k = \O(W^{1/4})$ --- the limit on the size of the heap,
901 \:$n\le k$ --- the number of elements stored in the heap,
902 \:$X=\{x_1, \ldots, x_n\}$ --- the elements themselves: distinct $W$-bit numbers
903 indexed in a~way that $x_1 < \ldots < x_n$,
904 \:$g_i = \<MSB>(x_i \bxor x_{i+1})$ --- the position of the most significant bit in which $x_i$ and~$x_{i+1}$ differ,
905 \:$R_X(x)$ --- the rank of~$x$ in~$X$, that is the number of elements of~$X$ which are less than~$x$
906 (where $x$~itself need not be an~element of~$X$).\foot{We will dedicate the whole chapter \ref{rankchap} to the
907 study of various ranks.}
908 \endlist
909
910 \defn
911 A~\df{trie} for a~set of strings~$S$ over a~finite alphabet~$\Sigma$ is
912 a~rooted tree whose vertices are the prefixes of the strings in~$S$ and there
913 is an~edge going from a~prefix~$\alpha$ to a~prefix~$\beta$ iff $\beta$ can be
914 obtained from~$\alpha$ by appending a~single symbol of the alphabet. The edge
915 will be labeled with the particular symbol. We will also define the~\df{letter depth}
916 of a~vertex as the length of the corresponding prefix. We mark the vertices
917 which match a~string of~$S$.
918
919 A~\df{compressed trie} is obtained from the trie by removing the vertices of outdegree~1
920 except for the root and marked vertices.
921 Whereever is a~directed path whose internal vertices have outdegree~1 and they carry
922 no mark, we replace this path by a~single edge labeled with the contatenation
923 of the original edges' labels.
924
925 In both kinds of tries, we order the outgoing edges of every vertex by their labels
926 lexicographically.
927
928 \obs
929 In both tries, the root of the tree is the empty word and for every other vertex, the
930 corresponding prefix is equal to the concatenation of edge labels on the path
931 leading from the root to that vertex. The letter depth of the vertex is equal to
932 the total size of these labels. All leaves correspond to strings in~$S$, but so can
933 some internal vertices if there are two strings in~$S$ such that one is a~prefix
934 of the other.
935
936 Furthermore, the labels of all edges leaving a~common vertex are always
937 distinct and when we compress the trie, no two such labels have share their initial
938 symbols. This allows us to search in the trie efficiently: when looking for
939 a~string~$x$, we follow the path from the root and whenever we visit
940 an~internal vertex of letter depth~$d$, we test the $d$-th character of~$x$,
941 we follow the edge whose label starts with this character, and we check that the
942 rest of the label matches.
943
944 The compressed trie is also efficient in terms of space consumption --- it has
945 $\O(\vert S\vert)$ vertices (this can be easily shown by induction on~$\vert S\vert$)
946 and all edge labels can be represented in space linear in the sum of the
947 lengths of the strings in~$S$.
948
949 \defn
950 For our set~$X$, we define~$T$ as a~compressed trie for the set of binary
951 encodings of the numbers~$x_i$, padded to exactly $W$~bits, i.e., for $S = \{ \(x)_W \mid x\in X \}$.
952
953 \obs
954 The trie~$T$ has several interesting properties. Since all words in~$S$ have the same
955 length, the leaves of the trie correspond to these exact words, that is to the numbers~$x_i$.
956 The inorder traversal of the trie enumerates the words of~$S$ in lexicographic order
957 and therefore also the~$x_i$'s in the order of their values. Between each
958 pair of leaves $x_i$ and~$x_{i+1}$ it visits an~internal vertex whose letter depth
959 is exactly~$W-1-g_i$.
960
961 \para
962 Let us now modify the algorithm for searching in the trie and make it compare
963 only the first symbols of the edges. In other words, we will test only the bits~$g_i$
964 which will be called \df{guides} (as they guide us through the tree). For $x\in
965 X$, the modified algorithm will still return the correct leaf. For all~$x$ outside~$X$
966 it will no longer fail and instead it will land on some leaf~$x_i$. At the
967 first sight the number~$x_i$ may seem unrelated, but we will show that it can be
968 used to determine the rank of~$x$ in~$X$, which will later form a~basis for all
969 Q-heap operations:
970
971 \lemma\id{qhdeterm}%
972 The rank $R_X(x)$ is uniquely determined by a~combination of:
973 \itemize\ibull
974 \:the trie~$T$,
975 \:the index~$i$ of the leaf found when searching for~$x$ in~$T$,
976 \:the relation ($<$, $=$, $>$) between $x$ and $x_i$,
977 \:the bit position $b=\<MSB>(x\bxor x_i)$ of the first disagreement between~$x$ and~$x_i$.
978 \endlist
979
980 \proof
981 If $x\in X$, we detect that from $x_i=x$ and the rank is obviously~$i-1$.
982 Let us assume that $x\not\in X$ and imagine that we follow the same path as when
983 searching for~$x$,
984 but this time we check the full edge labels. The position~$b$ is the first position
985 where~$\(x)$ disagrees with a~label. Before this point, all edges not taken by
986 the search were leading either to subtrees containing elements all smaller than~$x$
987 or all larger than~$x$ and the only values not known yet are those in the subtree
988 below the edge that we currently consider. Now if $x[b]=0$ (and therefore $x<x_i$),
989 all values in that subtree have $x_j[b]=1$ and thus they are larger than~$x$. In the other
990 case, $x[b]=1$ and $x_j[b]=0$, so they are smaller.
991 \qed
992
993 \paran{A~better representation}%
994 The preceding lemma shows that the rank can be computed in polynomial time, but
995 unfortunately the variables on which it depends are too large for a~table to
996 be efficiently precomputed. We will carefully choose an~equivalent representation
997 of the trie which is compact enough.
998
999 \lemma\id{citree}%
1000 The trie is uniquely determined by the order of the guides~$g_1,\ldots,g_{n-1}$.
1001
1002 \proof
1003 We already know that the letter depths of the trie vertices are exactly
1004 the numbers~$W-1-g_i$. The root of the trie must have the smallest of these
1005 letter depths, i.e., it must correspond to the highest numbered bit. Let
1006 us call this bit~$g_i$. This implies that the values $x_1,\ldots,x_i$
1007 must lie in the left subtree of the root and $x_{i+1},\ldots,x_n$ in its
1008 right subtree. Both subtrees can be then constructed recursively.\foot{This
1009 construction is also known as the \df{cartesian tree} for the sequence
1010 $g_1,\ldots,g_n$ and it is useful in many other algorithms as it can be
1011 built in $\O(n)$ time. A~nice application on the Lowest Common Ancestor
1012 and Range Minimum problems has been described by Bender et al.~in \cite{bender:lca}.}
1013 \qed
1014
1015 \para
1016 Unfortunately, the vector of the $g_i$'s is also too long (is has $k\log W$ bits
1017 and we have no upper bound on~$W$ in terms of~$k$), so we will compress it even
1018 further:
1019
1020 \nota\id{qhnota}%
1021 \itemize\ibull
1022 \:$B = \{g_1,\ldots,g_n\}$ --- the set of bit positions of all the guides, stored as a~sorted array,
1023 \:$G : \{1,\ldots,n\} \rightarrow \{1,\ldots,n\}$ --- a~function mapping
1024 the guides to their bit positions in~$B$: $g_i = B[G(i)]$,
1025 \:$x[B]$ --- a~bit string containing the bits of~$x$ originally located
1026 at the positions given by~$B$, i.e., the concatenation of bits $x[B[1]],
1027 x[B[2]],\ldots, x[B[n]]$.
1028 \endlist
1029
1030 \obs\id{qhsetb}%
1031 The set~$B$ has $\O(k\log W)=\O(W)$ bits, so it can be stored in a~constant number
1032 of machine words in form of a~sorted vector. The function~$G$ can be also stored as a~vector
1033 of $\O(k\log k)$ bits. We can change a~single~$g_i$ in constant time using
1034 vector operations: First we delete the original value of~$g_i$ from~$B$ if it
1035 is not used anywhere else. Then we add the new value to~$B$ if it was not
1036 there yet and we write its position in~$B$ to~$G(i)$. Whenever we insert
1037 or delete a~value in~$B$, the values at the higher positions shift one position
1038 up or down and we have to update the pointers in~$G$. This can be fortunately
1039 accomplished by adding or subtracting a~result of vector comparison.
1040
1041 In this representation, we can reformulate our lemma on ranks as follows:
1042
1043 \lemma\id{qhrank}%
1044 The rank $R_X(x)$ can be computed in constant time from:
1045 \itemize\ibull
1046 \:the function~$G$,
1047 \:the values $x_1,\ldots,x_n$,
1048 \:the bit string~$x[B]$,
1049 \:$x$ itself.
1050 \endlist
1051
1052 \proof
1053 Let us prove that all ingredients of Lemma~\ref{qhdeterm} are either small
1054 enough or computable in constant time.
1055
1056 We know that the shape of the trie~$T$ is uniquely determined by the order of the $g_i$'s
1057 and therefore by the function~$G$ since the array~$B$ is sorted. The shape of
1058 the trie together with the bits in $x[B]$ determine the leaf~$x_i$ found when searching
1059 for~$x$ using only the guides. This can be computed in polynomial time and it
1060 depends on $\O(k\log k)$ bits of input, so according to Lemma~\ref{qhprecomp}
1061 we can look it up in a~precomputed table.
1062
1063 The relation between $x$ and~$x_i$ can be obtained directly as we know the~$x_i$.
1064 The bit position of the first disagreement can be calculated in constant time
1065 using the LSB/MSB algorithm (\ref{lsb}).
1066
1067 All these ingredients can be stored in $\O(k\log k)$ bits, so we may assume
1068 that the rank can be looked up in constant time as well.
1069 \qed
1070
1071 \para
1072 In the Q-heap we would like to store the set~$X$ as a~sorted array together
1073 with the corresponding trie, which will allow us to determine the position
1074 for a~newly inserted element in constant time. However, the set is too large
1075 to fit in a~vector and we cannot perform insertion on an~ordinary array in
1076 constant time. This can be worked around by keeping the set in an~unsorted
1077 array together with a~vector containing the permutation that sorts the array.
1078 We can then insert a~new element at an~arbitrary place in the array and just
1079 update the permutation to reflect the correct order.
1080
1081 We are now ready for the real definition of the Q-heap and for the description
1082 of the basic operations on it.
1083
1084 \defn
1085 A~\df{Q-heap} consists of:
1086 \itemize\ibull
1087 \:$k$, $n$ --- the capacity of the heap and the current number of elements (word-sized integers),
1088 \:$X$ --- the set of word-sized elements stored in the heap (an~array of words in an~arbitrary order),
1089 \:$\varrho$ --- a~permutation on~$\{1,\ldots,n\}$ such that $X[\varrho(1)] < \ldots < X[\varrho(n)]$
1090 (a~vector of $\O(n\log k)$ bits; we will write $x_i$ for $X[\varrho(i)]$),
1091 \:$B$ --- a~set of ``interesting'' bit positions
1092 (a~sorted vector of~$\O(n\log W)$ bits),
1093 \:$G$ --- the function that maps the guides to the bit positions in~$B$
1094 (a~vector of~$\O(n\log k)$ bits),
1095 \:precomputed tables of various functions.
1096 \endlist
1097
1098 \algn{Search in the Q-heap}\id{qhfirst}%
1099 \algo
1100 \algin A~Q-heap and an~integer~$x$ to search for.
1101 \:$i\=R_X(x)+1$, using Lemma~\ref{qhrank} to calculate the rank.
1102 \:If $i\le n$ return $x_i$, otherwise return {\sc undefined.}
1103 \algout The smallest element of the heap which is greater or equal to~$x$.
1104 \endalgo
1105
1106 \algn{Insertion to the Q-heap}
1107 \algo
1108 \algin A~Q-heap and an~integer~$x$ to insert.
1109 \:$i\=R_X(x)+1$, using Lemma~\ref{qhrank} to calculate the rank.
1110 \:If $x=x_i$, return immediately (the value is already present).
1111 \:Insert the new value to~$X$:
1112 \::$n\=n+1$.
1113 \::$X[n]\=x$.
1114 \::Insert~$n$ at the $i$-th position in the permutation~$\varrho$.
1115 \:Update the $g_j$'s:
1116 \::Move all~$g_j$ for $j\ge i$ one position up. \hfil\break
1117    This translates to insertion in the vector representing~$G$.
1118 \::Recalculate $g_{i-1}$ and~$g_i$ according to the definition.
1119    \hfil\break Update~$B$ and~$G$ as described in~\ref{qhsetb}.
1120 \algout The updated Q-heap.
1121 \endalgo
1122
1123 \algn{Deletion from the Q-heap}
1124 \algo
1125 \algin A~Q-heap and an~integer~$x$ to be deleted from it.
1126 \:$i\=R_X(x)+1$, using Lemma~\ref{qhrank} to calculate the rank.
1127 \:If $i>n$ or $x_i\ne x$, return immediately (the value is not in the heap).
1128 \:Delete the value from~$X$:
1129 \::$X[\varrho(i)]\=X[n]$.
1130 \::Find $j$ such that~$\varrho(j)=n$ and set $\varrho(j)\=\varrho(i)$.
1131 \::$n\=n-1$.
1132 \:Update the $g_j$'s like in the previous algorithm.
1133 \algout The updated Q-heap.
1134 \endalgo
1135
1136 \algn{Finding the $i$-th smallest element in the Q-heap}\id{qhlast}%
1137 \algo
1138 \algin A~Q-heap and an~index~$i$.
1139 \:If $i<1$ or $i>n$, return {\sc undefined.}
1140 \:Return~$x_i$.
1141 \algout The $i$-th smallest element in the heap.
1142 \endalgo
1143
1144 \paran{Extraction}%
1145 The heap algorithms we have just described have been built from primitives
1146 operating in constant time, with one notable exception: the extraction
1147 $x[B]$ of all bits of~$x$ at positions specified by the set~$B$. This cannot be done
1148 in~$\O(1)$ time on the Word-RAM, but we can implement it with ${\rm AC}^0$
1149 instructions as suggested by Andersson in \cite{andersson:fusion} or even
1150 with those ${\rm AC}^0$ instructions present on real processors (see Thorup
1151 \cite{thorup:aczero}). On the Word-RAM, we need to make use of the fact
1152 that the set~$B$ is not changing too much --- there are $\O(1)$ changes
1153 per Q-heap operation. As Fredman and Willard have shown, it is possible
1154 to maintain a~``decoder'', whose state is stored in $\O(1)$ machine words,
1155 and which helps us to extract $x[B]$ in a~constant number of operations:
1156
1157 \lemman{Extraction of bits}\id{qhxtract}%
1158 Under the assumptions on~$k$, $W$ and the preprocessing time as in the Q-heaps,\foot{%
1159 Actually, this is the only place where we need~$k$ to be as low as $W^{1/4}$.
1160 In the ${\rm AC}^0$ implementation, it is enough to ensure $k\log k\le W$.
1161 On the other hand, we need not care about the exponent because it can
1162 be arbitrarily increased using the Q-heap trees described below.}
1163 it is possible to maintain a~data structure for a~set~$B$ of bit positions,
1164 which allows~$x[B]$ to be extracted in $\O(1)$ time for an~arbitrary~$x$.
1165 When a~single element is inserted to~$B$ or deleted from~$B$, the structure
1166 can be updated in constant time, as long as $\vert B\vert \le k$.
1167
1168 \proof
1169 See Fredman and Willard \cite{fw:transdich}.
1170 \qed
1171
1172 \para
1173 This was the last missing bit of the mechanics of the Q-heaps. We are
1174 therefore ready to conclude this section by the following theorem
1175 and its consequences:
1176
1177 \thmn{Q-heaps, Fredman and Willard \cite{fw:transdich}}\id{qh}%
1178 Let $W$ and~$k$ be positive integers such that $k=\O(W^{1/4})$. Let~$Q$
1179 be a~Q-heap of at most $k$-elements of $W$~bits each. Then the Q-heap
1180 operations \ref{qhfirst} to \ref{qhlast} on~$Q$ (insertion, deletion,
1181 search for a~given value and search for the $i$-th smallest element)
1182 run in constant time on a~Word-RAM with word size~$W$, after spending
1183 time $\O(2^{k^4})$ on the same RAM on precomputing of tables.
1184
1185 \proof
1186 Every operation on the Q-heap can be performed in a~constant number of
1187 vector operations and calculations of ranks. The ranks are computed
1188 in $\O(1)$ steps involving again $\O(1)$ vector operations, binary
1189 logarithms and bit extraction. All these can be calculated in constant
1190 time using the results of section \ref{bitsect} and Lemma \ref{qhxtract}.
1191 \qed
1192
1193 \paran{Combining Q-heaps}%
1194 We can also use the Q-heaps as building blocks of more complex structures
1195 like Atomic heaps and AF-heaps (see once again \cite{fw:transdich}). We will
1196 show a~simpler, but useful construction, sometimes called the \df{Q-heap tree.}
1197 Suppose we have a~Q-heap of capacity~$k$ and a~parameter $d\in{\bb N}^+$. We
1198 can build a~balanced $k$-ary tree of depth~$d$ such that its leaves contain
1199 a~given set and every internal vertex keeps the minimum value in the subtree
1200 rooted in it, together with a~Q-heap containing the values in all its sons.
1201 This allows minimum to be extracted in constant time (it is placed in the root)
1202 and when any element is changed, it is sufficient to recalculate the values
1203 from the path from this element to the root, which takes $\O(d)$ Q-heap
1204 operations.
1205
1206 \corn{Q-heap trees}\id{qhtree}%
1207 For every positive integer~$r$ and $\delta>0$ there exists a~data structure
1208 capable of maintaining the minimum of a~set of at most~$r$ word-sized numbers
1209 under insertions and deletions. Each operation takes $\O(1)$ time on a~Word-RAM
1210 with word size $W=\Omega(r^{\delta})$, after spending time
1211 $\O(2^{r^\delta})$ on precomputing of tables.
1212
1213 \proof
1214 Choose $\delta' \le \delta$ such that $r^{\delta'} = \O(W^{1/4})$. Build
1215 a~Q-heap tree of depth $d=\lceil \delta/\delta'\rceil$ containing Q-heaps of
1216 size $k=r^{\delta'}$. \qed
1217
1218 \rem\id{qhtreerem}%
1219 When we have an~algorithm with input of size~$N$, the word size is at least~$\log N$
1220 and we can spend time $\O(N)$ on preprocessing, so we can choose $r=\log N$ and
1221 $\delta=1$ in the above corollary and get a~heap of size $\log N$ working in
1222 constant time per operation.
1223
1224 \endpart