]> git.donarmstrong.com Git - bamtools.git/blobdiff - src/api/internal/index/BamToolsIndex_p.cpp
Organized api/internal into subdirs
[bamtools.git] / src / api / internal / index / BamToolsIndex_p.cpp
diff --git a/src/api/internal/index/BamToolsIndex_p.cpp b/src/api/internal/index/BamToolsIndex_p.cpp
new file mode 100644 (file)
index 0000000..af0a684
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,615 @@
+// ***************************************************************************
+// BamToolsIndex.cpp (c) 2010 Derek Barnett
+// Marth Lab, Department of Biology, Boston College
+// ---------------------------------------------------------------------------
+// Last modified: 25 October 2011 (DB)
+// ---------------------------------------------------------------------------
+// Provides index operations for the BamTools index format (".bti")
+// ***************************************************************************
+
+#include "api/BamAlignment.h"
+#include "api/internal/bam/BamReader_p.h"
+#include "api/internal/index/BamToolsIndex_p.h"
+#include "api/internal/io/BgzfStream_p.h"
+#include "api/internal/utils/BamException_p.h"
+using namespace BamTools;
+using namespace BamTools::Internal;
+
+#include <cstdio>
+#include <cstdlib>
+#include <cstring>
+#include <algorithm>
+#include <iostream>
+#include <iterator>
+#include <map>
+using namespace std;
+
+// --------------------------------
+// static BamToolsIndex constants
+// --------------------------------
+
+const uint32_t BamToolsIndex::DEFAULT_BLOCK_LENGTH = 1000;
+const string BamToolsIndex::BTI_EXTENSION     = ".bti";
+const char* const BamToolsIndex::BTI_MAGIC    = "BTI\1";
+const int BamToolsIndex::SIZEOF_BLOCK         = sizeof(int32_t)*2 + sizeof(int64_t);
+
+// ----------------------------
+// RaiiWrapper implementation
+// ----------------------------
+
+BamToolsIndex::RaiiWrapper::RaiiWrapper(void)
+    : IndexStream(0)
+{ }
+
+BamToolsIndex::RaiiWrapper::~RaiiWrapper(void) {
+    if ( IndexStream )
+        fclose(IndexStream);
+}
+
+// ------------------------------
+// BamToolsIndex implementation
+// ------------------------------
+
+// ctor
+BamToolsIndex::BamToolsIndex(Internal::BamReaderPrivate* reader)
+    : BamIndex(reader)
+    , m_blockSize(BamToolsIndex::DEFAULT_BLOCK_LENGTH)
+    , m_inputVersion(0)
+    , m_outputVersion(BTI_2_0) // latest version - used for writing new index files
+{
+    m_isBigEndian = BamTools::SystemIsBigEndian();
+}
+
+// dtor
+BamToolsIndex::~BamToolsIndex(void) {
+    CloseFile();
+}
+
+void BamToolsIndex::CheckMagicNumber(void) {
+
+    // read magic number
+    char magic[4];
+    size_t elementsRead = fread(magic, sizeof(char), 4, Resources.IndexStream);
+    if ( elementsRead != 4 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::CheckMagicNumber", "could not read BTI magic number");
+
+    // validate expected magic number
+    if ( strncmp(magic, BamToolsIndex::BTI_MAGIC, 4) != 0 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::CheckMagicNumber", "invalid BTI magic number");
+}
+
+// check index file version, return true if OK
+void BamToolsIndex::CheckVersion(void) {
+
+    // read version from file
+    size_t elementsRead = fread(&m_inputVersion, sizeof(m_inputVersion), 1, Resources.IndexStream);
+    if ( elementsRead != 1 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::CheckVersion", "could not read format version");
+    if ( m_isBigEndian ) SwapEndian_32(m_inputVersion);
+
+    // if version is negative, or zero
+    if ( m_inputVersion <= 0 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::CheckVersion", "invalid format version");
+
+    // if version is newer than can be supported by this version of bamtools
+    else if ( m_inputVersion > m_outputVersion ) {
+        const string message = "unsupported format: this index was created by a newer version of BamTools. "
+                               "Update your local version of BamTools to use the index file.";
+        throw BamException("BamToolsIndex::CheckVersion", message);
+    }
+
+    // ------------------------------------------------------------------
+    // check for deprecated, unsupported versions
+    // (the format had to be modified to accomodate a particular bug fix)
+
+    // Version 2.0: introduced support for half-open intervals, instead of the old closed intervals
+    //   respondBy: throwing exception - we're not going to try to handle the old BTI files.
+    else if ( (Version)m_inputVersion < BamToolsIndex::BTI_2_0 ) {
+        const string message = "unsupported format: this version of the index may not properly handle "
+                               "coordinate intervals. Please run 'bamtools index -bti -in yourData.bam' "
+                               "to generate an up-to-date, fixed BTI file.";
+        throw BamException("BamToolsIndex::CheckVersion", message);
+    }
+}
+
+void BamToolsIndex::ClearReferenceEntry(BtiReferenceEntry& refEntry) {
+    refEntry.ID = -1;
+    refEntry.Blocks.clear();
+}
+
+void BamToolsIndex::CloseFile(void) {
+    if ( IsFileOpen() ) {
+        fclose(Resources.IndexStream);
+        Resources.IndexStream = 0;
+    }
+    m_indexFileSummary.clear();
+}
+
+// builds index from associated BAM file & writes out to index file
+bool BamToolsIndex::Create(void) {
+
+    // skip if BamReader is invalid or not open
+    if ( m_reader == 0 || !m_reader->IsOpen() ) {
+        SetErrorString("BamToolsIndex::Create", "could not create index: reader is not open");
+        return false;
+    }
+
+    // rewind BamReader
+    if ( !m_reader->Rewind() ) {
+        const string readerError = m_reader->GetErrorString();
+        const string message = "could not create index: \n\t" + readerError;
+        SetErrorString("BamToolsIndex::Create", message);
+        return false;
+    }
+
+    try {
+        // open new index file (read & write)
+        const string indexFilename = m_reader->Filename() + Extension();
+        OpenFile(indexFilename, "w+b");
+
+        // initialize BtiFileSummary with number of references
+        const int& numReferences = m_reader->GetReferenceCount();
+        InitializeFileSummary(numReferences);
+
+        // intialize output file header
+        WriteHeader();
+
+        // index building markers
+        uint32_t currentBlockCount      = 0;
+        int64_t currentAlignmentOffset  = m_reader->Tell();
+        int32_t blockRefId              = -1;
+        int32_t blockMaxEndPosition     = -1;
+        int64_t blockStartOffset        = currentAlignmentOffset;
+        int32_t blockStartPosition      = -1;
+
+        // plow through alignments, storing index entries
+        BamAlignment al;
+        BtiReferenceEntry refEntry;
+        while ( m_reader->LoadNextAlignment(al) ) {
+
+            // if moved to new reference
+            if ( al.RefID != blockRefId ) {
+
+                // if first pass, check:
+                if ( currentBlockCount == 0 ) {
+
+                    // write any empty references up to (but not including) al.RefID
+                    for ( int i = 0; i < al.RefID; ++i )
+                        WriteReferenceEntry( BtiReferenceEntry(i) );
+                }
+
+                // not first pass:
+                else {
+
+                    // store previous BTI block data in reference entry
+                    const BtiBlock block(blockMaxEndPosition, blockStartOffset, blockStartPosition);
+                    refEntry.Blocks.push_back(block);
+
+                    // write reference entry, then clear
+                    WriteReferenceEntry(refEntry);
+                    ClearReferenceEntry(refEntry);
+
+                    // write any empty references between (but not including)
+                    // the last blockRefID and current al.RefID
+                    for ( int i = blockRefId+1; i < al.RefID; ++i )
+                        WriteReferenceEntry( BtiReferenceEntry(i) );
+
+                    // reset block count
+                    currentBlockCount = 0;
+                }
+
+                // set ID for new reference entry
+                refEntry.ID = al.RefID;
+            }
+
+            // if beginning of block, update counters
+            if ( currentBlockCount == 0 ) {
+                blockRefId          = al.RefID;
+                blockStartOffset    = currentAlignmentOffset;
+                blockStartPosition  = al.Position;
+                blockMaxEndPosition = al.GetEndPosition();
+            }
+
+            // increment block counter
+            ++currentBlockCount;
+
+            // check end position
+            const int32_t alignmentEndPosition = al.GetEndPosition();
+            if ( alignmentEndPosition > blockMaxEndPosition )
+                blockMaxEndPosition = alignmentEndPosition;
+
+            // if block is full, get offset for next block, reset currentBlockCount
+            if ( currentBlockCount == m_blockSize ) {
+
+                // store previous block data in reference entry
+                const BtiBlock block(blockMaxEndPosition, blockStartOffset, blockStartPosition);
+                refEntry.Blocks.push_back(block);
+
+                // update markers
+                blockStartOffset  = m_reader->Tell();
+                currentBlockCount = 0;
+            }
+
+            // not the best name, but for the next iteration, this value will be the offset of the
+            // *current* alignment. this is necessary because we won't know if this next alignment
+            // is on a new reference until we actually read it
+            currentAlignmentOffset = m_reader->Tell();
+        }
+
+        // after finishing alignments, if any data was read, check:
+        if ( blockRefId >= 0 ) {
+
+            // store last BTI block data in reference entry
+            const BtiBlock block(blockMaxEndPosition, blockStartOffset, blockStartPosition);
+            refEntry.Blocks.push_back(block);
+
+            // write last reference entry, then clear
+            WriteReferenceEntry(refEntry);
+            ClearReferenceEntry(refEntry);
+
+            // then write any empty references remaining at end of file
+            for ( int i = blockRefId+1; i < numReferences; ++i )
+                WriteReferenceEntry( BtiReferenceEntry(i) );
+        }
+
+    } catch ( BamException& e ) {
+        m_errorString = e.what();
+        return false;
+    }
+
+    // rewind BamReader
+    if ( !m_reader->Rewind() ) {
+        const string readerError = m_reader->GetErrorString();
+        const string message = "could not create index: \n\t" + readerError;
+        SetErrorString("BamToolsIndex::Create", message);
+        return false;
+    }
+
+    // return success
+    return true;
+}
+
+// returns format's file extension
+const std::string BamToolsIndex::Extension(void) {
+    return BamToolsIndex::BTI_EXTENSION;
+}
+
+void BamToolsIndex::GetOffset(const BamRegion& region, int64_t& offset, bool* hasAlignmentsInRegion) {
+
+    // return false ref ID is not a valid index in file summary data
+    if ( region.LeftRefID < 0 || region.LeftRefID >= (int)m_indexFileSummary.size() )
+        throw BamException("BamToolsIndex::GetOffset", "invalid region requested");
+
+    // retrieve reference index data for left bound reference
+    BtiReferenceEntry refEntry(region.LeftRefID);
+    ReadReferenceEntry(refEntry);
+
+    // binary search for an overlapping block (may not be first one though)
+    bool found = false;
+    typedef BtiBlockVector::const_iterator BtiBlockConstIterator;
+    BtiBlockConstIterator blockFirst = refEntry.Blocks.begin();
+    BtiBlockConstIterator blockIter  = blockFirst;
+    BtiBlockConstIterator blockLast  = refEntry.Blocks.end();
+    iterator_traits<BtiBlockConstIterator>::difference_type count = distance(blockFirst, blockLast);
+    iterator_traits<BtiBlockConstIterator>::difference_type step;
+    while ( count > 0 ) {
+        blockIter = blockFirst;
+        step = count/2;
+        advance(blockIter, step);
+
+        const BtiBlock& block = (*blockIter);
+        if ( block.StartPosition <= region.RightPosition ) {
+            if ( block.MaxEndPosition > region.LeftPosition ) {
+                offset = block.StartOffset;
+                break;
+            }
+            blockFirst = ++blockIter;
+            count -= step+1;
+        }
+        else count = step;
+    }
+
+    // if we didn't search "off the end" of the blocks
+    if ( blockIter != blockLast ) {
+
+        // "walk back" until we've gone too far
+        while ( blockIter != blockFirst ) {
+            const BtiBlock& currentBlock = (*blockIter);
+
+            --blockIter;
+            const BtiBlock& previousBlock = (*blockIter);
+            if ( previousBlock.MaxEndPosition <= region.LeftPosition ) {
+                offset = currentBlock.StartOffset;
+                found = true;
+                break;
+            }
+        }
+
+        // if we walked all the way to first block, just return that and let the reader's
+        // region overlap parsing do the rest
+        if ( blockIter == blockFirst ) {
+            const BtiBlock& block = (*blockIter);
+            offset = block.StartOffset;
+            found = true;
+        }
+    }
+
+
+    // sets to false if blocks container is empty, or if no matching block could be found
+    *hasAlignmentsInRegion = found;
+}
+
+// returns whether reference has alignments or no
+bool BamToolsIndex::HasAlignments(const int& referenceID) const {
+    if ( referenceID < 0 || referenceID >= (int)m_indexFileSummary.size() )
+        return false;
+    const BtiReferenceSummary& refSummary = m_indexFileSummary.at(referenceID);
+    return ( refSummary.NumBlocks > 0 );
+}
+
+// pre-allocates space for each reference's summary data
+void BamToolsIndex::InitializeFileSummary(const int& numReferences) {
+    m_indexFileSummary.clear();
+    for ( int i = 0; i < numReferences; ++i )
+        m_indexFileSummary.push_back( BtiReferenceSummary() );
+}
+
+// returns true if the index stream is open
+bool BamToolsIndex::IsFileOpen(void) const {
+    return ( Resources.IndexStream != 0 );
+}
+
+// attempts to use index data to jump to @region, returns success/fail
+// a "successful" jump indicates no error, but not whether this region has data
+//   * thus, the method sets a flag to indicate whether there are alignments
+//     available after the jump position
+bool BamToolsIndex::Jump(const BamTools::BamRegion& region, bool* hasAlignmentsInRegion) {
+
+    // clear flag
+    *hasAlignmentsInRegion = false;
+
+    // skip if invalid reader or not open
+    if ( m_reader == 0 || !m_reader->IsOpen() ) {
+        SetErrorString("BamToolsIndex::Jump", "could not jump: reader is not open");
+        return false;
+    }
+
+    // make sure left-bound position is valid
+    const RefVector& references = m_reader->GetReferenceData();
+    if ( region.LeftPosition > references.at(region.LeftRefID).RefLength ) {
+        SetErrorString("BamToolsIndex::Jump", "could not create index: invalid region requested");
+        return false;
+    }
+
+    // calculate nearest offset to jump to
+    int64_t offset;
+    try {
+        GetOffset(region, offset, hasAlignmentsInRegion);
+    } catch ( BamException& e ) {
+        m_errorString = e.what();
+        return false;
+    }
+
+    // return success/failure of seek
+    return m_reader->Seek(offset);
+}
+
+// loads existing data from file into memory
+bool BamToolsIndex::Load(const std::string& filename) {
+
+    try {
+
+        // attempt to open file (read-only)
+        OpenFile(filename, "rb");
+
+        // load metadata & generate in-memory summary
+        LoadHeader();
+        LoadFileSummary();
+
+        // return success
+        return true;
+
+    } catch ( BamException& e ) {
+        m_errorString = e.what();
+        return false;
+    }
+}
+
+void BamToolsIndex::LoadFileSummary(void) {
+
+    // load number of reference sequences
+    int numReferences;
+    LoadNumReferences(numReferences);
+
+    // initialize file summary data
+    InitializeFileSummary(numReferences);
+
+    // load summary for each reference
+    BtiFileSummary::iterator summaryIter = m_indexFileSummary.begin();
+    BtiFileSummary::iterator summaryEnd  = m_indexFileSummary.end();
+    for ( ; summaryIter != summaryEnd; ++summaryIter )
+        LoadReferenceSummary(*summaryIter);
+}
+
+void BamToolsIndex::LoadHeader(void) {
+
+    // check BTI file metadata
+    CheckMagicNumber();
+    CheckVersion();
+
+    // use file's BTI block size to set member variable
+    const size_t elementsRead = fread(&m_blockSize, sizeof(m_blockSize), 1, Resources.IndexStream);
+    if ( m_isBigEndian ) SwapEndian_32(m_blockSize);
+    if ( elementsRead != 1 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::LoadHeader", "could not read BTI block size");
+}
+
+void BamToolsIndex::LoadNumBlocks(int& numBlocks) {
+    const size_t elementsRead = fread(&numBlocks, sizeof(numBlocks), 1, Resources.IndexStream);
+    if ( m_isBigEndian ) SwapEndian_32(numBlocks);
+    if ( elementsRead != 1 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::LoadNumBlocks", "could not read number of BTI blocks");
+}
+
+void BamToolsIndex::LoadNumReferences(int& numReferences) {
+    const size_t elementsRead = fread(&numReferences, sizeof(numReferences), 1, Resources.IndexStream);
+    if ( m_isBigEndian ) SwapEndian_32(numReferences);
+    if ( elementsRead != 1 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::LoadNumReferences", "could not read number of references");
+}
+
+void BamToolsIndex::LoadReferenceSummary(BtiReferenceSummary& refSummary) {
+
+    // load number of blocks
+    int numBlocks;
+    LoadNumBlocks(numBlocks);
+
+    // store block summary data for this reference
+    refSummary.NumBlocks = numBlocks;
+    refSummary.FirstBlockFilePosition = Tell();
+
+    // skip reference's blocks
+    SkipBlocks(numBlocks);
+}
+
+void BamToolsIndex::OpenFile(const std::string& filename, const char* mode) {
+
+    // make sure any previous index file is closed
+    CloseFile();
+
+    // attempt to open file
+    Resources.IndexStream = fopen(filename.c_str(), mode);
+    if ( !IsFileOpen() ) {
+        const string message = string("could not open file: ") + filename;
+        throw BamException("BamToolsIndex::OpenFile", message);
+    }
+}
+
+void BamToolsIndex::ReadBlock(BtiBlock& block) {
+
+    // read in block data members
+    size_t elementsRead = 0;
+    elementsRead += fread(&block.MaxEndPosition, sizeof(block.MaxEndPosition), 1, Resources.IndexStream);
+    elementsRead += fread(&block.StartOffset,    sizeof(block.StartOffset),    1, Resources.IndexStream);
+    elementsRead += fread(&block.StartPosition,  sizeof(block.StartPosition),  1, Resources.IndexStream);
+
+    // swap endian-ness if necessary
+    if ( m_isBigEndian ) {
+        SwapEndian_32(block.MaxEndPosition);
+        SwapEndian_64(block.StartOffset);
+        SwapEndian_32(block.StartPosition);
+    }
+
+    if ( elementsRead != 3 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::ReadBlock", "could not read block");
+}
+
+void BamToolsIndex::ReadBlocks(const BtiReferenceSummary& refSummary, BtiBlockVector& blocks) {
+
+    // prep blocks container
+    blocks.clear();
+    blocks.reserve(refSummary.NumBlocks);
+
+    // skip to first block entry
+    Seek( refSummary.FirstBlockFilePosition, SEEK_SET );
+
+    // read & store block entries
+    BtiBlock block;
+    for ( int i = 0; i < refSummary.NumBlocks; ++i ) {
+        ReadBlock(block);
+        blocks.push_back(block);
+    }
+}
+
+void BamToolsIndex::ReadReferenceEntry(BtiReferenceEntry& refEntry) {
+
+    // return false if refId not valid index in file summary structure
+    if ( refEntry.ID < 0 || refEntry.ID >= (int)m_indexFileSummary.size() )
+        throw BamException("BamToolsIndex::ReadReferenceEntry", "invalid reference requested");
+
+    // use index summary to assist reading the reference's BTI blocks
+    const BtiReferenceSummary& refSummary = m_indexFileSummary.at(refEntry.ID);
+    ReadBlocks(refSummary, refEntry.Blocks);
+}
+
+void BamToolsIndex::Seek(const int64_t& position, const int& origin) {
+    if ( fseek64(Resources.IndexStream, position, origin) != 0 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::Seek", "could not seek in BAI file");
+}
+
+void BamToolsIndex::SkipBlocks(const int& numBlocks) {
+    Seek( numBlocks*BamToolsIndex::SIZEOF_BLOCK, SEEK_CUR );
+}
+
+int64_t BamToolsIndex::Tell(void) const {
+    return ftell64(Resources.IndexStream);
+}
+
+void BamToolsIndex::WriteBlock(const BtiBlock& block) {
+
+    // copy entry data
+    int32_t maxEndPosition = block.MaxEndPosition;
+    int64_t startOffset    = block.StartOffset;
+    int32_t startPosition  = block.StartPosition;
+
+    // swap endian-ness if necessary
+    if ( m_isBigEndian ) {
+        SwapEndian_32(maxEndPosition);
+        SwapEndian_64(startOffset);
+        SwapEndian_32(startPosition);
+    }
+
+    // write the reference index entry
+    size_t elementsWritten = 0;
+    elementsWritten += fwrite(&maxEndPosition, sizeof(maxEndPosition), 1, Resources.IndexStream);
+    elementsWritten += fwrite(&startOffset,    sizeof(startOffset),    1, Resources.IndexStream);
+    elementsWritten += fwrite(&startPosition,  sizeof(startPosition),  1, Resources.IndexStream);
+    if ( elementsWritten != 3 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::WriteBlock", "could not write BTI block");
+}
+
+void BamToolsIndex::WriteBlocks(const BtiBlockVector& blocks) {
+    BtiBlockVector::const_iterator blockIter = blocks.begin();
+    BtiBlockVector::const_iterator blockEnd  = blocks.end();
+    for ( ; blockIter != blockEnd; ++blockIter )
+        WriteBlock(*blockIter);
+}
+
+void BamToolsIndex::WriteHeader(void) {
+
+    size_t elementsWritten = 0;
+
+    // write BTI index format 'magic number'
+    elementsWritten += fwrite(BamToolsIndex::BTI_MAGIC, 1, 4, Resources.IndexStream);
+
+    // write BTI index format version
+    int32_t currentVersion = (int32_t)m_outputVersion;
+    if ( m_isBigEndian ) SwapEndian_32(currentVersion);
+    elementsWritten += fwrite(&currentVersion, sizeof(currentVersion), 1, Resources.IndexStream);
+
+    // write block size
+    uint32_t blockSize = m_blockSize;
+    if ( m_isBigEndian ) SwapEndian_32(blockSize);
+    elementsWritten += fwrite(&blockSize, sizeof(blockSize), 1, Resources.IndexStream);
+
+    // write number of references
+    int32_t numReferences = m_indexFileSummary.size();
+    if ( m_isBigEndian ) SwapEndian_32(numReferences);
+    elementsWritten += fwrite(&numReferences, sizeof(numReferences), 1, Resources.IndexStream);
+
+    if ( elementsWritten != 7 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::WriteHeader", "could not write BTI header");
+}
+
+void BamToolsIndex::WriteReferenceEntry(const BtiReferenceEntry& refEntry) {
+
+    // write number of blocks this reference
+    uint32_t numBlocks = refEntry.Blocks.size();
+    if ( m_isBigEndian ) SwapEndian_32(numBlocks);
+    const size_t elementsWritten = fwrite(&numBlocks, sizeof(numBlocks), 1, Resources.IndexStream);
+    if ( elementsWritten != 1 )
+        throw BamException("BamToolsIndex::WriteReferenceEntry", "could not write number of blocks");
+
+    // write actual block entries
+    WriteBlocks(refEntry.Blocks);
+}