Algorithmik-II/Uebung-10/main.cpp

#include <vector>
#include <queue>
#include <cstdint>
#include <random>
#include <stdexcept>
#include <iostream>

#include "BitVector.hpp"

// ==========================================
// Aufgabenteil a) Baseline-Implementierung
// ==========================================

class BaselineTree {
public:
    struct Node {
        uint32_t parent = 0; // 0 = Root
        std::vector<uint32_t> children;
    };

private:
    std::vector<Node> nodes;

public:
    BaselineTree() {
        nodes.emplace_back();
        nodes.emplace_back();
    }

    static int32_t root() {
        return 1;
    }

    [[nodiscard]] uint64_t nodeCount() const {
        return nodes.size() - 1;
    }

    [[nodiscard]] const std::vector<uint32_t>& children(const uint32_t id) const {
        return nodes[id].children;
    }

    [[nodiscard]] uint32_t parent(const uint32_t id) const {
        return nodes[id].parent;
    }

    [[nodiscard]] bool exists(const uint32_t id) const {
        return id > 0 && id < nodes.size();
    }

    uint32_t add(const uint32_t parentId) {
        if (!exists(parentId)) {
            throw std::invalid_argument("parentId does not exist");
        }

        nodes.emplace_back();
        const uint32_t id = nodes.size() - 1;

        nodes[id].parent = parentId;
        nodes[parentId].children.push_back(id);

        return id;
    }

    // BFS traversing with lambda for increased reusability
    template<typename Fn>
    void bfs(Fn&& fn) const {
        std::queue<uint32_t> q;
        q.push(root());

        while (!q.empty()) {
            uint32_t u = q.front();
            q.pop();

            fn(u, nodes[u]);

            for (uint32_t v : nodes[u].children) {
                q.push(v);
            }
        }
    }

    [[nodiscard]] uint64_t sizeInBytes() const {
        uint64_t total = 0;

        // Size of data in the tree instance
        total += sizeof(BaselineTree);
        total += nodes.capacity() * sizeof(Node);

        // Size of data in node instances
        bfs([&](uint32_t, const Node& n) {
            total += n.children.capacity() * sizeof(uint32_t);
        });

        return total;
    }

    static BaselineTree randomTree(const uint64_t N, const uint32_t seed = 03062001) {
        BaselineTree t;
        t.nodes.reserve(N + 1);

        std::mt19937 gen(seed);
        for (uint32_t i = 2; i <= N; ++i) {
            std::uniform_int_distribution<uint32_t> dist(1, i - 1);
            t.add(dist(gen));
        }

        return t;
    }
};



// ==========================================
// Aufgabenteil b) LOUDS-Implementierung
// ==========================================

class LOUDSTree {
    // Der BitVector ist der einzige Datenspeicher! Keine Knoten-Objekte.
    BitVector bv;

public:
    // TODO: Passen Sie den Konstruktor an Ihre BaselineTree-Klasse an.
    // Der Konstruktor soll den übergebenen Baum in Level-Order traversieren
    // und die LOUDS-Bits in 'bv' setzen.
    explicit LOUDSTree(const BaselineTree &tree) : bv(1 /* TODO: Richtige Größe berechnen! */) {
        // TODO: Implementierung der LOUDS-Erstellung (BFS Traversierung)
        // TODO: bfs can be used here! Comment by JNLOOS

        // WICHTIG: Am Ende muss der Index gebaut werden:
        bv.buildIndex();
    }

    uint64_t sizeInBytes() const {
        return bv.sizeInBytes();
    }

    // --- LOUDS-Operationen (Ausschließlich via rank/select implementieren!) ---

    uint64_t parent(uint64_t i) {
        // TODO
        return 0;
    }

    bool isRoot(uint64_t i) {
        // TODO
        return false;
    }

    bool isLeaf(uint64_t i) {
        // TODO
        return false;
    }

    uint64_t outDegree(uint64_t i) {
        // TODO
        return 0;
    }

    uint64_t childNum(uint64_t i, uint64_t j) {
        // TODO: Geben Sie das j-te Kind von nodeId zurück (j ist 1-basiert)
        return 0;
    }
};


int main() {
    // Parameter für den Benchmark, 1 Million Knoten
    const uint64_t N = 1000000;

    std::cout << "--- Start der Uebung: LOUDS (N=" << N << ") ---" << std::endl;

    // 1. Baseline Tree erstellen
    std::cout << "[Init] Erstelle Baseline Tree..." << std::endl;
    // Nutzen Sie std::mt19937 für reproduzierbare Zufallszahlen.
    const BaselineTree baseline = BaselineTree::randomTree(N);

    // 2. LOUDS Tree erstellen
    // std::cout << "[Init] Konvertiere zu LOUDS..." << std::endl;
    // const LOUDSTree louds(baseline);

    // 3. Speichermessung
    const uint64_t bytesBaseline = baseline.sizeInBytes();
    // uint64_t bytesLouds = louds.sizeInBytes();

    std::cout << "Speicher Baseline: " << bytesBaseline / (1024.0 * 1024.0) << " MB" << std::endl;
    // std::cout << "Speicher LOUDS:    " << bytesLouds / (1024.0 * 1024.0) << " MB" << std::endl;
    // if (bytesLouds > 0) {
    //     std::cout << "Faktor: " << (double) bytesBaseline / bytesLouds << "x" << std::endl;
    // }

    // 4. Laufzeitmessung (Parent Operation)
    // std::cout << "[Benchmark] Starte 1.000.000 Parent-Abfragen..." << std::endl;
    // uint64_t checksum = 0;

    // auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
    // for (uint64_t i = 2; i <= N; ++i) {
    //     checksum += louds.parent(i);
    // }
    // auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();

    // auto duration = std::chrono::duration_cast<std::chrono::milliseconds>(end - start).count();
    // std::cout << "Zeit LOUDS: " << duration << " ms" << std::endl;
    // std::cout << "Checksum: " << checksum << std::endl;

    return 0;
}