BamMultiReader.cpp

   1 // ***************************************************************************
   2 // BamMultiReader.cpp (c) 2010 Erik Garrison
   3 // Marth Lab, Department of Biology, Boston College
   4 // All rights reserved.
   5 // ---------------------------------------------------------------------------
   6 // Last modified: 23 Februrary 2010 (EG)
   7 // ---------------------------------------------------------------------------
   8 // Uses BGZF routines were adapted from the bgzf.c code developed at the Broad
   9 // Institute.
  10 // ---------------------------------------------------------------------------
  11 // Functionality for simultaneously reading multiple BAM files.
  12 //
  13 // This functionality allows applications to work on very large sets of files
  14 // without requiring intermediate merge, sort, and index steps for each file
  15 // subset.  It also improves the performance of our merge system as it
  16 // precludes the need to sort merged files.
  17 // ***************************************************************************
  18
  19 // C++ includes
  20 #include <algorithm>
  21 #include <iterator>
  22 #include <string>
  23 #include <vector>
  24 #include <iostream>
  25 #include <sstream>
  26
  27 // BamTools includes
  28 #include "BGZF.h"
  29 #include "BamMultiReader.h"
  30 using namespace BamTools;
  31 using namespace std;
  32
  33 // -----------------------------------------------------
  34 // BamMultiReader implementation
  35 // -----------------------------------------------------
  36
  37 // constructor
  38 BamMultiReader::BamMultiReader(void)
  39     : CurrentRefID(0)
  40     , CurrentLeft(0)
  41 { }
  42
  43 // destructor
  44 BamMultiReader::~BamMultiReader(void) {
  45     Close(); // close the bam files
  46     // clean up reader objects
  47     for (vector<pair<BamReader*, BamAlignment*> >::iterator it = readers.begin(); it != readers.end(); ++it) {
  48         delete it->first;
  49         delete it->second;
  50     }
  51 }
  52
  53 // close the BAM files
  54 void BamMultiReader::Close(void) {
  55     for (vector<pair<BamReader*, BamAlignment*> >::iterator it = readers.begin(); it != readers.end(); ++it) {
  56         BamReader* reader = it->first;
  57         reader->Close();  // close the reader
  58     }
  59 }
  60
  61 // updates the reference id stored in the BamMultiReader
  62 // to reflect the current state of the readers
  63 void BamMultiReader::UpdateReferenceID(void) {
  64     // the alignments are sorted by position, so the first alignment will always have the lowest reference ID
  65     if (alignments.begin()->second.second->RefID != CurrentRefID) {
  66         // get the next reference id
  67         // while there aren't any readers at the next ref id
  68         // increment the ref id
  69         int nextRefID = CurrentRefID;
  70         while (alignments.begin()->second.second->RefID != nextRefID) {
  71             ++nextRefID;
  72         }
  73         //cerr << "updating reference id from " << CurrentRefID << " to " << nextRefID << endl;
  74         CurrentRefID = nextRefID;
  75     }
  76 }
  77
  78 // checks if any readers still have alignments
  79 bool BamMultiReader::HasOpenReaders() {
  80     return alignments.size() > 0;
  81 }
  82
  83 // get next alignment among all files (from specified region, if given)
  84 bool BamMultiReader::GetNextAlignment(BamAlignment& nextAlignment) {
  85
  86     // bail out if we are at EOF in all files, means no more alignments to process
  87     if (!HasOpenReaders())
  88         return false;
  89
  90     // when all alignments have stepped into a new target sequence, update our
  91     // current reference sequence id
  92     UpdateReferenceID();
  93
  94     // our lowest alignment and reader will be at the front of our alignment index
  95     BamAlignment* lowestAlignment = alignments.begin()->second.second;
  96     BamReader* lowestReader = alignments.begin()->second.first;
  97
  98     // now that we have the lowest alignment in the set, save it by copy to our argument
  99     nextAlignment = BamAlignment(*lowestAlignment);
 100
 101     // remove this alignment index entry from our alignment index
 102     alignments.erase(alignments.begin());
 103
 104     // and add another entry if we can get another alignment from the reader
 105     if (lowestReader->GetNextAlignment(*lowestAlignment)) {
 106         alignments.insert(make_pair(make_pair(lowestAlignment->RefID, lowestAlignment->Position),
 107                                     make_pair(lowestReader, lowestAlignment)));
 108     } else { // do nothing
 109         //cerr << "reached end of file " << lowestReader->GetFilename() << endl;
 110     }
 111
 112     return true;
 113 }
 114
 115 // jumps to specified region(refID, leftBound) in BAM files, returns success/fail
 116 bool BamMultiReader::Jump(int refID, int position) {
 117
 118     //if ( References.at(refID).RefHasAlignments && (position <= References.at(refID).RefLength) ) {
 119     CurrentRefID = refID;
 120     CurrentLeft  = position;
 121
 122     bool result = true;
 123     for (vector<pair<BamReader*, BamAlignment*> >::iterator it = readers.begin(); it != readers.end(); ++it) {
 124         BamReader* reader = it->first;
 125         result &= reader->Jump(refID, position);
 126         if (!result) {
 127             cerr << "ERROR: could not jump " << reader->GetFilename() << " to " << refID << ":" << position << endl;
 128             exit(1);
 129         }
 130     }
 131     if (result) {
 132         // Update Alignments
 133         alignments.clear();
 134         for (vector<pair<BamReader*, BamAlignment*> >::iterator it = readers.begin(); it != readers.end(); ++it) {
 135             BamReader* br = it->first;
 136             BamAlignment* ba = it->second;
 137             if (br->GetNextAlignment(*ba)) {
 138                 alignments.insert(make_pair(make_pair(ba->RefID, ba->Position),
 139                                             make_pair(br, ba)));
 140             } else {
 141                 // assume BamReader EOF
 142             }
 143         }
 144     }
 145     return result;
 146 }
 147
 148 // opens BAM files
 149 void BamMultiReader::Open(const vector<string> filenames, bool openIndexes) {
 150     // for filename in filenames
 151     fileNames = filenames; // save filenames in our multireader
 152     for (vector<string>::const_iterator it = filenames.begin(); it != filenames.end(); ++it) {
 153         string filename = *it;
 154         BamReader* reader = new BamReader;
 155         if (openIndexes) {
 156             reader->Open(filename, filename + ".bai");
 157         } else {
 158             reader->Open(filename); // for merging, jumping is disallowed
 159         }
 160         BamAlignment* alignment = new BamAlignment;
 161         reader->GetNextAlignment(*alignment);
 162         readers.push_back(make_pair(reader, alignment)); // store pointers to our readers for cleanup
 163         alignments.insert(make_pair(make_pair(alignment->RefID, alignment->Position),
 164                                     make_pair(reader, alignment)));
 165     }
 166     ValidateReaders();
 167 }
 168
 169 void BamMultiReader::PrintFilenames(void) {
 170     for (vector<pair<BamReader*, BamAlignment*> >::iterator it = readers.begin(); it != readers.end(); ++it) {
 171         BamReader* reader = it->first;
 172         cout << reader->GetFilename() << endl;
 173     }
 174 }
 175
 176 // for debugging
 177 void BamMultiReader::DumpAlignmentIndex(void) {
 178     for (AlignmentIndex::const_iterator it = alignments.begin(); it != alignments.end(); ++it) {
 179         cerr << it->first.first << ":" << it->first.second << " " << it->second.first->GetFilename() << endl;
 180     }
 181 }
 182
 183 // returns BAM file pointers to beginning of alignment data
 184 bool BamMultiReader::Rewind(void) {
 185     bool result = true;
 186     for (vector<pair<BamReader*, BamAlignment*> >::iterator it = readers.begin(); it != readers.end(); ++it) {
 187         BamReader* reader = it->first;
 188         result &= reader->Rewind();
 189     }
 190     return result;
 191 }
 192
 193 // saves index data to BAM index files (".bai") where necessary, returns success/fail
 194 bool BamMultiReader::CreateIndexes(void) {
 195     bool result = true;
 196     for (vector<pair<BamReader*, BamAlignment*> >::iterator it = readers.begin(); it != readers.end(); ++it) {
 197         BamReader* reader = it->first;
 198         result &= reader->CreateIndex();
 199     }
 200     return result;
 201 }
 202
 203 // makes a virtual, unified header for all the bam files in the multireader
 204 const string BamMultiReader::GetHeaderText(void) const {
 205
 206     string mergedHeader = "";
 207     map<string, bool> readGroups;
 208
 209     // foreach extraction entry (each BAM file)
 210     bool isFirstTime = true;
 211     for (vector<pair<BamReader*, BamAlignment*> >::const_iterator it = readers.begin(); it != readers.end(); ++it) {
 212
 213         BamReader* reader = it->first;
 214
 215         stringstream header(reader->GetHeaderText());
 216         vector<string> lines;
 217         string item;
 218         while (getline(header, item))
 219             lines.push_back(item);
 220
 221         for (vector<string>::const_iterator it = lines.begin(); it != lines.end(); ++it) {
 222
 223             // get next line from header, skip if empty
 224             string headerLine = *it;
 225             if ( headerLine.empty() ) { continue; }
 226
 227             // if first file, save HD & SQ entries
 228             if ( isFirstTime ) {
 229                 if ( headerLine.find("@HD") == 0 || headerLine.find("@SQ") == 0) {
 230                     mergedHeader.append(headerLine.c_str());
 231                     mergedHeader.append(1, '\n');
 232                 }
 233             }
 234
 235             // (for all files) append RG entries if they are unique
 236             if ( headerLine.find("@RG") == 0 ) {
 237                 stringstream headerLineSs(headerLine);
 238                 string part, readGroupPart, readGroup;
 239                 while(std::getline(headerLineSs, part, '\t')) {
 240                     if (part == "@RG") {
 241                        std::getline(headerLineSs, readGroupPart, '\t');
 242                        stringstream readGroupPartSs(readGroupPart);
 243                        std::getline(readGroupPartSs, readGroup, ':');
 244                        std::getline(readGroupPartSs, readGroup, ':');
 245                        break;
 246                     }
 247                 }
 248                 if (readGroups.find(readGroup) == readGroups.end()) { // prevents duplicate @RG entries
 249                     mergedHeader.append(headerLine.c_str() );
 250                     mergedHeader.append(1, '\n');
 251                     readGroups[readGroup] = true;
 252                 }
 253             }
 254
 255         }
 256
 257         // set iteration flag
 258         isFirstTime = false;
 259     }
 260
 261     // return merged header text
 262     return mergedHeader;
 263 }
 264
 265 // ValidateReaders checks that all the readers point to BAM files representing
 266 // alignments against the same set of reference sequences, and that the
 267 // sequences are identically ordered.  If these checks fail the operation of
 268 // the multireader is undefined, so we force program exit.
 269 void BamMultiReader::ValidateReaders(void) const {
 270     int firstRefCount = readers.front().first->GetReferenceCount();
 271     BamTools::RefVector firstRefData = readers.front().first->GetReferenceData();
 272     for (vector<pair<BamReader*, BamAlignment*> >::const_iterator it = readers.begin(); it != readers.end(); ++it) {
 273         BamReader* reader = it->first;
 274         BamTools::RefVector currentRefData = reader->GetReferenceData();
 275         BamTools::RefVector::const_iterator f = firstRefData.begin();
 276         BamTools::RefVector::const_iterator c = currentRefData.begin();
 277         if (reader->GetReferenceCount() != firstRefCount || firstRefData.size() != currentRefData.size()) {
 278             cerr << "ERROR: mismatched number of references in " << reader->GetFilename()
 279                       << " expected " << firstRefCount
 280                       << " reference sequences but only found " << reader->GetReferenceCount() << endl;
 281             exit(1);
 282         }
 283         // this will be ok; we just checked above that we have identically-sized sets of references
 284         // here we simply check if they are all, in fact, equal in content
 285         while (f != firstRefData.end()) {
 286             if (f->RefName != c->RefName || f->RefLength != c->RefLength) {
 287                 cerr << "ERROR: mismatched references found in " << reader->GetFilename()
 288                           << " expected: " << endl;
 289                 for (BamTools::RefVector::const_iterator a = firstRefData.begin(); a != firstRefData.end(); ++a)
 290                     cerr << a->RefName << " " << a->RefLength << endl;
 291                 cerr << "but found: " << endl;
 292                 for (BamTools::RefVector::const_iterator a = currentRefData.begin(); a != currentRefData.end(); ++a)
 293                     cerr << a->RefName << " " << a->RefLength << endl;
 294                 exit(1);
 295             }
 296             ++f; ++c;
 297         }
 298     }
 299 }
 300
 301 // NB: The following functions assume that we have identical references for all
 302 // BAM files.  We enforce this by invoking the above validation function
 303 // (ValidateReaders) to verify that our reference data is the same across all
 304 // files on Open, so we will not encounter a situation in which there is a
 305 // mismatch and we are still live.
 306
 307 // returns the number of reference sequences
 308 const int BamMultiReader::GetReferenceCount(void) const {
 309     return readers.front().first->GetReferenceCount();
 310 }
 311
 312 // returns vector of reference objects
 313 const BamTools::RefVector BamMultiReader::GetReferenceData(void) const {
 314     return readers.front().first->GetReferenceData();
 315 }
 316
 317 const int BamMultiReader::GetReferenceID(const string& refName) const {
 318     return readers.front().first->GetReferenceID(refName);
 319 }