matrix.txx 13 KB

123456789101112131415161718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748495051525354555657585960616263646566676869707172737475767778798081828384858687888990919293949596979899100101102103104105106107108109110111112113114115116117118119120121122123124125126127128129130131132133134135136137138139140141142143144145146147148149150151152153154155156157158159160161162163164165166167168169170171172173174175176177178179180181182183184185186187188189190191192193194195196197198199200201202203204205206207208209210211212213214215216217218219220221222223224225226227228229230231232233234235236237238239240241242243244245246247248249250251252253254255256257258259260261262263264265266267268269270271272273274275276277278279280281282283284285286287288289290291292293294295296297298299300301302303304305306307308309310311312313314315316317318319320321322323324325326327328329330331332333334335336337338339340341342343344345346347348349350351352353354355356357358359360361362363364365366367368369370371372373374375376377378379380381382383384385386387388389390391392393394395396397398399400401402403404405406407408409410411412413414415416417418419420421422423424425426427428429430431432433434435436437438439440441442443444445446447448449450451452453454455456457458459460461462463464465466467468469470471472473474475476477478479480481482483484485486487488489490491492493494495496497498499500501502503504505506507508509510511512513514515516517518519520521522523524525526527528529530531532533534535536537538539540541542543544545546547548549550551552553554555556557
  1. /**
  2. * \file matrix.txx
  3. * \author Dhairya Malhotra, dhairya.malhotra@gmail.com
  4. * \date 2-11-2011
  5. * \brief This file contains inplementation of the class Matrix.
  6. */
  7. #include <cstring>
  8. #include <cassert>
  9. #include <iomanip>
  10. #include <typeinfo>
  11. #include <profile.hpp>
  12. #include <mat_utils.hpp>
  13. namespace pvfmm{
  14. template <class T>
  15. std::ostream& operator<<(std::ostream& output, const Matrix<T>& M){
  16. output<<std::fixed<<std::setprecision(4)<<std::setiosflags(std::ios::left);
  17. for(size_t i=0;i<M.Dim(0);i++){
  18. for(size_t j=0;j<M.Dim(1);j++)
  19. output<<std::setw(10)<<M(i,j)<<' ';
  20. output<<";\n";
  21. }
  22. return output;
  23. }
  24. template <class T>
  25. Matrix<T>::Matrix(){
  26. dim[0]=0;
  27. dim[1]=0;
  28. own_data=true;
  29. data_ptr=NULL;
  30. dev.dev_ptr=(uintptr_t)NULL;
  31. }
  32. template <class T>
  33. Matrix<T>::Matrix(size_t dim1, size_t dim2, T* data_, bool own_data_){
  34. dim[0]=dim1;
  35. dim[1]=dim2;
  36. own_data=own_data_;
  37. if(own_data){
  38. if(dim[0]*dim[1]>0){
  39. data_ptr=mem::aligned_malloc<T>(dim[0]*dim[1]);
  40. #if !defined(__MIC__) || !defined(__INTEL_OFFLOAD)
  41. Profile::Add_MEM(dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  42. #endif
  43. if(data_!=NULL) mem::memcopy(data_ptr,data_,dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  44. }else data_ptr=NULL;
  45. }else
  46. data_ptr=data_;
  47. dev.dev_ptr=(uintptr_t)NULL;
  48. }
  49. template <class T>
  50. Matrix<T>::Matrix(const Matrix<T>& M){
  51. dim[0]=M.dim[0];
  52. dim[1]=M.dim[1];
  53. own_data=true;
  54. if(dim[0]*dim[1]>0){
  55. data_ptr=mem::aligned_malloc<T>(dim[0]*dim[1]);
  56. #if !defined(__MIC__) || !defined(__INTEL_OFFLOAD)
  57. Profile::Add_MEM(dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  58. #endif
  59. mem::memcopy(data_ptr,M.data_ptr,dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  60. }else
  61. data_ptr=NULL;
  62. dev.dev_ptr=(uintptr_t)NULL;
  63. }
  64. template <class T>
  65. Matrix<T>::~Matrix(){
  66. FreeDevice(false);
  67. if(own_data){
  68. if(data_ptr!=NULL){
  69. mem::aligned_free(data_ptr);
  70. #if !defined(__MIC__) || !defined(__INTEL_OFFLOAD)
  71. Profile::Add_MEM(-dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  72. #endif
  73. }
  74. }
  75. data_ptr=NULL;
  76. dim[0]=0;
  77. dim[1]=0;
  78. }
  79. template <class T>
  80. void Matrix<T>::Swap(Matrix<T>& M){
  81. size_t dim_[2]={dim[0],dim[1]};
  82. T* data_ptr_=data_ptr;
  83. bool own_data_=own_data;
  84. Device dev_=dev;
  85. Vector<char> dev_sig_=dev_sig;
  86. dim[0]=M.dim[0];
  87. dim[1]=M.dim[1];
  88. data_ptr=M.data_ptr;
  89. own_data=M.own_data;
  90. dev=M.dev;
  91. dev_sig=M.dev_sig;
  92. M.dim[0]=dim_[0];
  93. M.dim[1]=dim_[1];
  94. M.data_ptr=data_ptr_;
  95. M.own_data=own_data_;
  96. M.dev=dev_;
  97. M.dev_sig=dev_sig_;
  98. }
  99. template <class T>
  100. void Matrix<T>::ReInit(size_t dim1, size_t dim2, T* data_, bool own_data_){
  101. Matrix<T> tmp(dim1,dim2,data_,own_data_);
  102. this->Swap(tmp);
  103. }
  104. template <class T>
  105. typename Matrix<T>::Device& Matrix<T>::AllocDevice(bool copy){
  106. size_t len=dim[0]*dim[1];
  107. if(dev.dev_ptr==(uintptr_t)NULL && len>0) // Allocate data on device.
  108. dev.dev_ptr=DeviceWrapper::alloc_device((char*)data_ptr, len*sizeof(T));
  109. if(dev.dev_ptr!=(uintptr_t)NULL && copy) // Copy data to device
  110. dev.lock_idx=DeviceWrapper::host2device((char*)data_ptr,(char*)data_ptr,dev.dev_ptr,len*sizeof(T));
  111. dev.dim[0]=dim[0];
  112. dev.dim[1]=dim[1];
  113. return dev;
  114. }
  115. template <class T>
  116. void Matrix<T>::Device2Host(T* host_ptr){
  117. dev.lock_idx=DeviceWrapper::device2host((char*)data_ptr,dev.dev_ptr,(char*)(host_ptr==NULL?data_ptr:host_ptr),dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  118. }
  119. template <class T>
  120. void Matrix<T>::Device2HostWait(){
  121. DeviceWrapper::wait(dev.lock_idx);
  122. dev.lock_idx=-1;
  123. }
  124. template <class T>
  125. void Matrix<T>::FreeDevice(bool copy){
  126. if(dev.dev_ptr==(uintptr_t)NULL) return;
  127. if(copy) DeviceWrapper::device2host((char*)data_ptr,dev.dev_ptr,(char*)data_ptr,dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  128. DeviceWrapper::free_device((char*)data_ptr, dev.dev_ptr);
  129. dev.dev_ptr=(uintptr_t)NULL;
  130. dev.dim[0]=0;
  131. dev.dim[1]=0;
  132. }
  133. template <class T>
  134. void Matrix<T>::Write(const char* fname){
  135. FILE* f1=fopen(fname,"wb+");
  136. if(f1==NULL){
  137. std::cout<<"Unable to open file for writing:"<<fname<<'\n';
  138. return;
  139. }
  140. size_t dim_[2]={dim[0],dim[1]};
  141. fwrite(dim_,sizeof(size_t),2,f1);
  142. fwrite(data_ptr,sizeof(T),dim[0]*dim[1],f1);
  143. fclose(f1);
  144. }
  145. template <class T>
  146. size_t Matrix<T>::Dim(size_t i) const{
  147. return dim[i];
  148. }
  149. template <class T>
  150. void Matrix<T>::Resize(size_t i, size_t j){
  151. if(dim[0]==i && dim[1]==j) return;
  152. FreeDevice(false);
  153. if(own_data){
  154. if(data_ptr!=NULL){
  155. mem::aligned_free(data_ptr);
  156. #if !defined(__MIC__) || !defined(__INTEL_OFFLOAD)
  157. Profile::Add_MEM(-dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  158. #endif
  159. }
  160. }
  161. dim[0]=i;
  162. dim[1]=j;
  163. if(own_data){
  164. if(dim[0]*dim[1]>0){
  165. data_ptr=mem::aligned_malloc<T>(dim[0]*dim[1]);
  166. #if !defined(__MIC__) || !defined(__INTEL_OFFLOAD)
  167. Profile::Add_MEM(dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  168. #endif
  169. }else
  170. data_ptr=NULL;
  171. }
  172. }
  173. template <class T>
  174. void Matrix<T>::SetZero(){
  175. if(dim[0]*dim[1]>0)
  176. memset(data_ptr,0,dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  177. }
  178. template <class T>
  179. Matrix<T>& Matrix<T>::operator=(const Matrix<T>& M){
  180. if(this!=&M){
  181. FreeDevice(false);
  182. if(own_data && dim[0]*dim[1]!=M.dim[0]*M.dim[1]){
  183. if(data_ptr!=NULL){
  184. mem::aligned_free(data_ptr); data_ptr=NULL;
  185. #if !defined(__MIC__) || !defined(__INTEL_OFFLOAD)
  186. Profile::Add_MEM(-dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  187. #endif
  188. }
  189. if(M.dim[0]*M.dim[1]>0){
  190. data_ptr=mem::aligned_malloc<T>(M.dim[0]*M.dim[1]);
  191. #if !defined(__MIC__) || !defined(__INTEL_OFFLOAD)
  192. Profile::Add_MEM(M.dim[0]*M.dim[1]*sizeof(T));
  193. #endif
  194. }
  195. }
  196. dim[0]=M.dim[0];
  197. dim[1]=M.dim[1];
  198. mem::memcopy(data_ptr,M.data_ptr,dim[0]*dim[1]*sizeof(T));
  199. }
  200. return *this;
  201. }
  202. template <class T>
  203. Matrix<T>& Matrix<T>::operator+=(const Matrix<T>& M){
  204. assert(M.Dim(0)==Dim(0) && M.Dim(1)==Dim(1));
  205. Profile::Add_FLOP(dim[0]*dim[1]);
  206. for(size_t i=0;i<M.Dim(0)*M.Dim(1);i++)
  207. data_ptr[i]+=M.data_ptr[i];
  208. return *this;
  209. }
  210. template <class T>
  211. Matrix<T>& Matrix<T>::operator-=(const Matrix<T>& M){
  212. assert(M.Dim(0)==Dim(0) && M.Dim(1)==Dim(1));
  213. Profile::Add_FLOP(dim[0]*dim[1]);
  214. for(size_t i=0;i<M.Dim(0)*M.Dim(1);i++)
  215. data_ptr[i]-=M.data_ptr[i];
  216. return *this;
  217. }
  218. template <class T>
  219. Matrix<T> Matrix<T>::operator+(const Matrix<T>& M2){
  220. Matrix<T>& M1=*this;
  221. assert(M2.Dim(0)==M1.Dim(0) && M2.Dim(1)==M1.Dim(1));
  222. Profile::Add_FLOP(dim[0]*dim[1]);
  223. Matrix<T> M_r(M1.Dim(0),M1.Dim(1),NULL);
  224. for(size_t i=0;i<M1.Dim(0)*M1.Dim(1);i++)
  225. M_r[0][i]=M1[0][i]+M2[0][i];
  226. return M_r;
  227. }
  228. template <class T>
  229. Matrix<T> Matrix<T>::operator-(const Matrix<T>& M2){
  230. Matrix<T>& M1=*this;
  231. assert(M2.Dim(0)==M1.Dim(0) && M2.Dim(1)==M1.Dim(1));
  232. Profile::Add_FLOP(dim[0]*dim[1]);
  233. Matrix<T> M_r(M1.Dim(0),M1.Dim(1),NULL);
  234. for(size_t i=0;i<M1.Dim(0)*M1.Dim(1);i++)
  235. M_r[0][i]=M1[0][i]-M2[0][i];
  236. return M_r;
  237. }
  238. template <class T>
  239. inline T& Matrix<T>::operator()(size_t i,size_t j) const{
  240. assert(i<dim[0] && j<dim[1]);
  241. return data_ptr[i*dim[1]+j];
  242. }
  243. template <class T>
  244. inline T* Matrix<T>::operator[](size_t i) const{
  245. assert(i<dim[0]);
  246. return &data_ptr[i*dim[1]];
  247. }
  248. template <class T>
  249. Matrix<T> Matrix<T>::operator*(const Matrix<T>& M){
  250. assert(dim[1]==M.dim[0]);
  251. Profile::Add_FLOP(2*(((long long)dim[0])*dim[1])*M.dim[1]);
  252. Matrix<T> M_r(dim[0],M.dim[1],NULL);
  253. mat::gemm('N','N',M.dim[1],dim[0],dim[1],
  254. 1.0,M.data_ptr,M.dim[1],data_ptr,dim[1],0.0,M_r.data_ptr,M_r.dim[1]);
  255. return M_r;
  256. }
  257. template <class T>
  258. void Matrix<T>::DGEMM(Matrix<T>& M_r, const Matrix<T>& A, const Matrix<T>& B, T beta){
  259. assert(A.dim[1]==B.dim[0]);
  260. assert(M_r.dim[0]==A.dim[0]);
  261. assert(M_r.dim[1]==B.dim[1]);
  262. #if !defined(__MIC__) || !defined(__INTEL_OFFLOAD)
  263. Profile::Add_FLOP(2*(((long long)A.dim[0])*A.dim[1])*B.dim[1]);
  264. #endif
  265. mat::gemm('N','N',B.dim[1],A.dim[0],A.dim[1],
  266. 1.0,B.data_ptr,B.dim[1],A.data_ptr,A.dim[1],beta,M_r.data_ptr,M_r.dim[1]);
  267. }
  268. #define myswap(t,a,b) {t c=a;a=b;b=c;}
  269. template <class T>
  270. void Matrix<T>::RowPerm(const Permutation<T>& P){
  271. Matrix<T>& M=*this;
  272. if(P.Dim()==0) return;
  273. assert(M.Dim(0)==P.Dim());
  274. size_t d0=M.Dim(0);
  275. size_t d1=M.Dim(1);
  276. #pragma omp parallel for
  277. for(size_t i=0;i<d0;i++){
  278. T* M_=M[i];
  279. const T s=P.scal[i];
  280. for(size_t j=0;j<d1;j++) M_[j]*=s;
  281. }
  282. Permutation<T> P_=P;
  283. for(size_t i=0;i<d0;i++)
  284. while(P_.perm[i]!=i){
  285. size_t a=P_.perm[i];
  286. size_t b=i;
  287. T* M_a=M[a];
  288. T* M_b=M[b];
  289. myswap(size_t,P_.perm[a],P_.perm[b]);
  290. for(size_t j=0;j<d1;j++)
  291. myswap(T,M_a[j],M_b[j]);
  292. }
  293. }
  294. template <class T>
  295. void Matrix<T>::ColPerm(const Permutation<T>& P){
  296. Matrix<T>& M=*this;
  297. if(P.Dim()==0) return;
  298. assert(M.Dim(1)==P.Dim());
  299. size_t d0=M.Dim(0);
  300. size_t d1=M.Dim(1);
  301. int omp_p=omp_get_max_threads();
  302. Matrix<T> M_buff(omp_p,d1);
  303. const size_t* perm_=&(P.perm[0]);
  304. const T* scal_=&(P.scal[0]);
  305. #pragma omp parallel for
  306. for(size_t i=0;i<d0;i++){
  307. int pid=omp_get_thread_num();
  308. T* buff=&M_buff[pid][0];
  309. T* M_=M[i];
  310. for(size_t j=0;j<d1;j++)
  311. buff[j]=M_[j];
  312. for(size_t j=0;j<d1;j++){
  313. M_[j]=buff[perm_[j]]*scal_[j];
  314. }
  315. }
  316. }
  317. #undef myswap
  318. #define B1 128
  319. #define B2 32
  320. template <class T>
  321. Matrix<T> Matrix<T>::Transpose(){
  322. Matrix<T>& M=*this;
  323. size_t d0=M.dim[0];
  324. size_t d1=M.dim[1];
  325. Matrix<T> M_r(d1,d0,NULL);
  326. const size_t blk0=((d0+B1-1)/B1);
  327. const size_t blk1=((d1+B1-1)/B1);
  328. const size_t blks=blk0*blk1;
  329. // #pragma omp parallel for
  330. for(size_t k=0;k<blks;k++){
  331. size_t i=(k%blk0)*B1;
  332. size_t j=(k/blk0)*B1;
  333. // for(size_t i=0;i<d0;i+=B1)
  334. // for(size_t j=0;j<d1;j+=B1){
  335. size_t d0_=i+B1; if(d0_>=d0) d0_=d0;
  336. size_t d1_=j+B1; if(d1_>=d1) d1_=d1;
  337. for(size_t ii=i;ii<d0_;ii+=B2)
  338. for(size_t jj=j;jj<d1_;jj+=B2){
  339. size_t d0__=ii+B2; if(d0__>=d0) d0__=d0;
  340. size_t d1__=jj+B2; if(d1__>=d1) d1__=d1;
  341. for(size_t iii=ii;iii<d0__;iii++)
  342. for(size_t jjj=jj;jjj<d1__;jjj++){
  343. M_r[jjj][iii]=M[iii][jjj];
  344. }
  345. }
  346. }
  347. // for(size_t i=0;i<d0;i++)
  348. // for(size_t j=0;j<d1;j++)
  349. // M_r[j][i]=M[i][j];
  350. return M_r;
  351. }
  352. template <class T>
  353. void Matrix<T>::Transpose(Matrix<T>& M_r, const Matrix<T>& M){
  354. size_t d0=M.dim[0];
  355. size_t d1=M.dim[1];
  356. M_r.Resize(d1, d0);
  357. const size_t blk0=((d0+B1-1)/B1);
  358. const size_t blk1=((d1+B1-1)/B1);
  359. const size_t blks=blk0*blk1;
  360. #pragma omp parallel for
  361. for(size_t k=0;k<blks;k++){
  362. size_t i=(k%blk0)*B1;
  363. size_t j=(k/blk0)*B1;
  364. // for(size_t i=0;i<d0;i+=B1)
  365. // for(size_t j=0;j<d1;j+=B1){
  366. size_t d0_=i+B1; if(d0_>=d0) d0_=d0;
  367. size_t d1_=j+B1; if(d1_>=d1) d1_=d1;
  368. for(size_t ii=i;ii<d0_;ii+=B2)
  369. for(size_t jj=j;jj<d1_;jj+=B2){
  370. size_t d0__=ii+B2; if(d0__>=d0) d0__=d0;
  371. size_t d1__=jj+B2; if(d1__>=d1) d1__=d1;
  372. for(size_t iii=ii;iii<d0__;iii++)
  373. for(size_t jjj=jj;jjj<d1__;jjj++){
  374. M_r[jjj][iii]=M[iii][jjj];
  375. }
  376. }
  377. }
  378. }
  379. #undef B2
  380. #undef B1
  381. template <class T>
  382. Matrix<T> Matrix<T>::pinv(){
  383. T eps=(typeid(T)==typeid(float)?4*1e-5:4*1e-9);
  384. return pinv(eps);
  385. }
  386. template <class T>
  387. Matrix<T> Matrix<T>::pinv(T eps){
  388. Matrix<T> M_r(dim[1],dim[0]);
  389. mat::pinv(data_ptr,dim[0],dim[1],eps,M_r.data_ptr);
  390. return M_r;
  391. }
  392. template <class T>
  393. std::ostream& operator<<(std::ostream& output, const Permutation<T>& P){
  394. output<<std::setprecision(4)<<std::setiosflags(std::ios::left);
  395. size_t size=P.perm.size();
  396. for(size_t i=0;i<size;i++) output<<std::setw(10)<<P.perm[i]<<' ';
  397. output<<";\n";
  398. for(size_t i=0;i<size;i++) output<<std::setw(10)<<P.scal[i]<<' ';
  399. output<<";\n";
  400. return output;
  401. }
  402. template <class T>
  403. Permutation<T>::Permutation(size_t size){
  404. perm.Resize(size);
  405. scal.Resize(size);
  406. for(size_t i=0;i<size;i++){
  407. perm[i]=i;
  408. scal[i]=1.0;
  409. }
  410. }
  411. template <class T>
  412. Permutation<T> Permutation<T>::RandPerm(size_t size){
  413. Permutation<T> P(size);
  414. for(size_t i=0;i<size;i++){
  415. P.perm[i]=rand()%size;
  416. for(size_t j=0;j<i;j++)
  417. if(P.perm[i]==P.perm[j]){ i--; break; }
  418. P.scal[i]=((T)rand())/RAND_MAX;
  419. }
  420. return P;
  421. }
  422. template <class T>
  423. Matrix<T> Permutation<T>::GetMatrix() const{
  424. size_t size=perm.Dim();
  425. Matrix<T> M_r(size,size,NULL);
  426. for(size_t i=0;i<size;i++)
  427. for(size_t j=0;j<size;j++)
  428. M_r[i][j]=(perm[j]==i?scal[j]:0.0);
  429. return M_r;
  430. }
  431. template <class T>
  432. size_t Permutation<T>::Dim() const{
  433. return perm.Dim();
  434. }
  435. template <class T>
  436. Permutation<T> Permutation<T>::Transpose(){
  437. size_t size=perm.Dim();
  438. Permutation<T> P_r(size);
  439. Vector<PERM_INT_T>& perm_r=P_r.perm;
  440. Vector<T>& scal_r=P_r.scal;
  441. for(size_t i=0;i<size;i++){
  442. perm_r[perm[i]]=i;
  443. scal_r[perm[i]]=scal[i];
  444. }
  445. return P_r;
  446. }
  447. template <class T>
  448. Permutation<T> Permutation<T>::operator*(const Permutation<T>& P){
  449. size_t size=perm.Dim();
  450. assert(P.Dim()==size);
  451. Permutation<T> P_r(size);
  452. Vector<PERM_INT_T>& perm_r=P_r.perm;
  453. Vector<T>& scal_r=P_r.scal;
  454. for(size_t i=0;i<size;i++){
  455. perm_r[i]=perm[P.perm[i]];
  456. scal_r[i]=scal[P.perm[i]]*P.scal[i];
  457. }
  458. return P_r;
  459. }
  460. template <class T>
  461. Matrix<T> Permutation<T>::operator*(const Matrix<T>& M){
  462. if(Dim()==0) return M;
  463. assert(M.Dim(0)==Dim());
  464. size_t d0=M.Dim(0);
  465. size_t d1=M.Dim(1);
  466. Matrix<T> M_r(d0,d1,NULL);
  467. for(size_t i=0;i<d0;i++){
  468. const T s=scal[i];
  469. const T* M_=M[i];
  470. T* M_r_=M_r[perm[i]];
  471. for(size_t j=0;j<d1;j++)
  472. M_r_[j]=M_[j]*s;
  473. }
  474. return M_r;
  475. }
  476. template <class T>
  477. Matrix<T> operator*(const Matrix<T>& M, const Permutation<T>& P){
  478. if(P.Dim()==0) return M;
  479. assert(M.Dim(1)==P.Dim());
  480. size_t d0=M.Dim(0);
  481. size_t d1=M.Dim(1);
  482. Matrix<T> M_r(d0,d1,NULL);
  483. for(size_t i=0;i<d0;i++){
  484. const PERM_INT_T* perm_=&(P.perm[0]);
  485. const T* scal_=&(P.scal[0]);
  486. const T* M_=M[i];
  487. T* M_r_=M_r[i];
  488. for(size_t j=0;j<d1;j++)
  489. M_r_[j]=M_[perm_[j]]*scal_[j];
  490. }
  491. return M_r;
  492. }
  493. }//end namespace