]> git.donarmstrong.com Git - rsem.git/blobdiff - Gibbs.cpp
rewrote parallelization of calcCI.cpp
[rsem.git] / Gibbs.cpp
index 5bdfb247aa2db979cc8c3b345eb50b977462a43e..f911da53c3e95370a224b95d64250abb3434bb7c 100644 (file)
--- a/Gibbs.cpp
+++ b/Gibbs.cpp
@@ -1,4 +1,3 @@
-#include<ctime>
 #include<cstdio>
 #include<cstring>
 #include<cstdlib>
@@ -6,10 +5,11 @@
 #include<fstream>
 #include<sstream>
 #include<vector>
-
-#include "boost/random.hpp"
+#include<pthread.h>
 
 #include "utils.h"
+#include "my_assert.h"
+#include "sampling.h"
 
 #include "Model.h"
 #include "SingleModel.h"
 
 using namespace std;
 
+struct Params {
+       int no, nsamples;
+       FILE *fo;
+       engine_type *engine;
+       double *pme_c, *pve_c; //posterior mean and variance vectors on counts
+       double *pme_theta;
+};
+
+
 struct Item {
        int sid;
        double conprb;
@@ -32,10 +41,12 @@ struct Item {
        }
 };
 
+int nThreads;
+
 int model_type;
 int m, M, N0, N1, nHits;
 double totc;
-int BURNIN, CHAINLEN, GAP;
+int BURNIN, NSAMPLES, GAP;
 char imdName[STRLEN], statName[STRLEN];
 char thetaF[STRLEN], ofgF[STRLEN], groupF[STRLEN], refF[STRLEN], modelF[STRLEN];
 char cvsF[STRLEN];
@@ -43,18 +54,22 @@ char cvsF[STRLEN];
 Refs refs;
 GroupInfo gi;
 
-vector<double> theta, pme_theta, pme_c, eel;
-
-vector<int> s, z;
+vector<int> s;
 vector<Item> hits;
-vector<int> counts;
 
-bool quiet;
+vector<double> theta;
+
+vector<double> pme_c, pve_c; //global posterior mean and variance vectors on counts
+vector<double> pme_theta, eel;
 
-vector<double> arr;
+bool var_opt;
+bool quiet;
 
-boost::mt19937 rng(time(NULL));
-boost::uniform_01<boost::mt19937> rg(rng);
+Params *paramsArray;
+pthread_t *threads;
+pthread_attr_t attr;
+void *status;
+int rc;
 
 void load_data(char* reference_name, char* statName, char* imdName) {
        ifstream fin;
@@ -74,31 +89,19 @@ void load_data(char* reference_name, char* statName, char* imdName) {
        //load thetaF
        sprintf(thetaF, "%s.theta",statName);
        fin.open(thetaF);
-       if (!fin.is_open()) {
-               fprintf(stderr, "Cannot open %s!\n", thetaF);
-               exit(-1);
-       }
+       general_assert(fin.is_open(), "Cannot open " + cstrtos(thetaF) + "!");
        fin>>tmpVal;
-       if (tmpVal != M + 1) {
-               fprintf(stderr, "Number of transcripts is not consistent in %s and %s!\n", refF, thetaF);
-               exit(-1);
-       }
-       theta.clear(); theta.resize(M + 1);
+       general_assert(tmpVal == M + 1, "Number of transcripts is not consistent in " + cstrtos(refF) + " and " + cstrtos(thetaF) + "!");
+       theta.assign(M + 1, 0);
        for (int i = 0; i <= M; i++) fin>>theta[i];
        fin.close();
 
        //load ofgF;
        sprintf(ofgF, "%s.ofg", imdName);
        fin.open(ofgF);
-       if (!fin.is_open()) {
-               fprintf(stderr, "Cannot open %s!\n", ofgF);
-               exit(-1);
-       }
+       general_assert(fin.is_open(), "Cannot open " + cstrtos(ofgF) + "!");
        fin>>tmpVal>>N0;
-       if (tmpVal != M) {
-               fprintf(stderr, "M in %s is not consistent with %s!\n", ofgF, refF);
-               exit(-1);
-       }
+       general_assert(tmpVal == M, "M in " + cstrtos(ofgF) + " is not consistent with " + cstrtos(refF) + "!");
        getline(fin, line);
 
        s.clear(); hits.clear();
@@ -118,141 +121,223 @@ void load_data(char* reference_name, char* statName, char* imdName) {
        N1 = s.size() - 1;
        nHits = hits.size();
 
-       if (verbose) { printf("Loading Data is finished!\n"); }
-}
+       totc = N0 + N1 + (M + 1);
 
-// arr should be cumulative!
-// interval : [,)
-// random number should be in [0, arr[len - 1])
-// If by chance arr[len - 1] == 0.0, one possibility is to sample uniformly from 0...len-1
-int sample(vector<double>& arr, int len) {
-  int l, r, mid;
-  double prb = rg() * arr[len - 1];
-
-  l = 0; r = len - 1;
-  while (l <= r) {
-    mid = (l + r) / 2;
-    if (arr[mid] <= prb) l = mid + 1;
-    else r = mid - 1;
-  }
-
-  if (l >= len) { printf("%d %lf %lf\n", len, arr[len - 1], prb); }
-  assert(l < len);
-
-  return l;
+       if (verbose) { printf("Loading Data is finished!\n"); }
 }
 
+// assign threads
 void init() {
-       int len, fr, to;
+       int quotient, left;
+       char outF[STRLEN];
+       char splitF[STRLEN];
 
-       arr.clear();
-       z.clear();
-       counts.clear();
+       quotient = NSAMPLES / nThreads;
+       left = NSAMPLES % nThreads;
 
-       z.resize(N1);
-       counts.resize(M + 1, 1); // 1 pseudo count
-       counts[0] += N0;
+       sprintf(cvsF, "%s.countvectors", imdName);
+       paramsArray = new Params[nThreads];
+       threads = new pthread_t[nThreads];
 
-       for (int i = 0; i < N1; i++) {
-               fr = s[i]; to = s[i + 1];
-               len = to - fr;
-               arr.resize(len);
-               for (int j = fr; j < to; j++) {
-                       arr[j - fr] = theta[hits[j].sid] * hits[j].conprb;
-                       if (j > fr) arr[j - fr] += arr[j - fr - 1];  // cumulative
-               }
-               z[i] = hits[fr + sample(arr, len)].sid;
-               ++counts[z[i]];
+       for (int i = 0; i < nThreads; i++) {
+               paramsArray[i].no = i;
+
+               paramsArray[i].nsamples = quotient;
+               if (i < left) paramsArray[i].nsamples++;
+
+               sprintf(outF, "%s%d", cvsF, i);
+               paramsArray[i].fo = fopen(outF, "w");
+
+               paramsArray[i].engine = engineFactory::new_engine();
+               paramsArray[i].pme_c = new double[M + 1];
+               memset(paramsArray[i].pme_c, 0, sizeof(double) * (M + 1));
+               paramsArray[i].pve_c = new double[M + 1];
+               memset(paramsArray[i].pve_c, 0, sizeof(double) * (M + 1));
+               paramsArray[i].pme_theta = new double[M + 1];
+               memset(paramsArray[i].pme_theta, 0, sizeof(double) * (M + 1));
        }
 
-       totc = N0 + N1 + (M + 1);
+       // output task splitting information
+       sprintf(splitF, "%s.split", imdName);
+       FILE *fo = fopen(splitF, "w");
+       fprintf(fo, "%d", nThreads);
+       for (int i = 0; i < nThreads; i++) fprintf(fo, " %d", paramsArray[i].nsamples);
+       fprintf(fo, "\n");
+       fclose(fo);
 
-       if (verbose) { printf("Initialization is finished!\n"); }
+       /* set thread attribute to be joinable */
+       pthread_attr_init(&attr);
+       pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_JOINABLE);
+
+       if (verbose) { printf("Initialization finished!"); }
 }
 
-void writeCountVector(FILE* fo) {
+//sample theta from Dir(1)
+void sampleTheta(engine_type& engine, vector<double>& theta) {
+       gamma_dist gm(1);
+       gamma_generator gmg(engine, gm);
+       double denom;
+
+       theta.assign(M + 1, 0);
+       denom = 0.0;
+       for (int i = 0; i <= M; i++) {
+               theta[i] = gmg();
+               denom += theta[i];
+       }
+       assert(denom > EPSILON);
+       for (int i = 0; i <= M; i++) theta[i] /= denom;
+}
+
+void writeCountVector(FILE* fo, vector<int>& counts) {
        for (int i = 0; i < M; i++) {
                fprintf(fo, "%d ", counts[i]);
        }
        fprintf(fo, "%d\n", counts[M]);
 }
 
-void Gibbs(char* imdName) {
-       FILE *fo;
-       int fr, to, len;
+void* Gibbs(void* arg) {
+       int len, fr, to;
+       int CHAINLEN;
+       Params *params = (Params*)arg;
 
-       sprintf(cvsF, "%s.countvectors", imdName);
-       fo = fopen(cvsF, "w");
-       assert(CHAINLEN % GAP == 0);
-       fprintf(fo, "%d %d\n", CHAINLEN / GAP, M + 1);
-       //fprintf(fo, "%d %d\n", CHAINLEN, M + 1);
+       vector<double> theta;
+       vector<int> z, counts;
+       vector<double> arr;
+
+       uniform01 rg(*params->engine);
+
+       // generate initial state
+       sampleTheta(*params->engine, theta);
 
-       pme_c.clear(); pme_c.resize(M + 1, 0.0);
-       pme_theta.clear(); pme_theta.resize(M + 1, 0.0);
+       z.assign(N1, 0);
+
+       counts.assign(M + 1, 1); // 1 pseudo count
+       counts[0] += N0;
+
+       for (int i = 0; i < N1; i++) {
+               fr = s[i]; to = s[i + 1];
+               len = to - fr;
+               arr.assign(len, 0);
+               for (int j = fr; j < to; j++) {
+                       arr[j - fr] = theta[hits[j].sid] * hits[j].conprb;
+                       if (j > fr) arr[j - fr] += arr[j - fr - 1];  // cumulative
+               }
+               z[i] = hits[fr + sample(rg, arr, len)].sid;
+               ++counts[z[i]];
+       }
+
+       // Gibbs sampling
+       CHAINLEN = 1 + (params->nsamples - 1) * GAP;
        for (int ROUND = 1; ROUND <= BURNIN + CHAINLEN; ROUND++) {
 
                for (int i = 0; i < N1; i++) {
                        --counts[z[i]];
                        fr = s[i]; to = s[i + 1]; len = to - fr;
-                       arr.resize(len);
+                       arr.assign(len, 0);
                        for (int j = fr; j < to; j++) {
                                arr[j - fr] = counts[hits[j].sid] * hits[j].conprb;
                                if (j > fr) arr[j - fr] += arr[j - fr - 1]; //cumulative
                        }
-                       z[i] = hits[fr + sample(arr, len)].sid;
+                       z[i] = hits[fr + sample(rg, arr, len)].sid;
                        ++counts[z[i]];
                }
 
                if (ROUND > BURNIN) {
-                       if ((ROUND - BURNIN - 1) % GAP == 0) writeCountVector(fo);
-                       for (int i = 0; i <= M; i++) { 
-                         pme_c[i] += counts[i] - 1;
-                         pme_theta[i] += counts[i] / totc;
+                       if ((ROUND - BURNIN - 1) % GAP == 0) {
+                               writeCountVector(params->fo, counts);
+                               for (int i = 0; i <= M; i++) {
+                                       params->pme_c[i] += counts[i] - 1;
+                                       params->pve_c[i] += (counts[i] - 1) * (counts[i] - 1);
+                                       params->pme_theta[i] += counts[i] / totc;
+                               }
                        }
                }
 
-               if (verbose) { printf("ROUND %d is finished!\n", ROUND); }
+               if (verbose && ROUND % 100 == 0) { printf("Thread %d, ROUND %d is finished!\n", params->no, ROUND); }
        }
-       fclose(fo);
+
+       return NULL;
+}
+
+void release() {
+//     char inpF[STRLEN], command[STRLEN];
+       string line;
+
+       /* destroy attribute */
+       pthread_attr_destroy(&attr);
+       delete[] threads;
+
+       pme_c.assign(M + 1, 0);
+       pve_c.assign(M + 1, 0);
+       pme_theta.assign(M + 1, 0);
+       for (int i = 0; i < nThreads; i++) {
+               fclose(paramsArray[i].fo);
+               delete paramsArray[i].engine;
+               for (int j = 0; j <= M; j++) {
+                       pme_c[j] += paramsArray[i].pme_c[j];
+                       pve_c[j] += paramsArray[i].pve_c[j];
+                       pme_theta[j] += paramsArray[i].pme_theta[j];
+               }
+               delete[] paramsArray[i].pme_c;
+               delete[] paramsArray[i].pve_c;
+               delete[] paramsArray[i].pme_theta;
+       }
+       delete[] paramsArray;
+
 
        for (int i = 0; i <= M; i++) {
-         pme_c[i] /= CHAINLEN;
-         pme_theta[i] /= CHAINLEN;
+               pme_c[i] /= NSAMPLES;
+               pve_c[i] = (pve_c[i] - NSAMPLES * pme_c[i] * pme_c[i]) / (NSAMPLES - 1);
+               pme_theta[i] /= NSAMPLES;
        }
 
-       if (verbose) { printf("Gibbs is finished!\n"); }
+       /*
+       // combine files
+       FILE *fo = fopen(cvsF, "a");
+       for (int i = 1; i < nThreads; i++) {
+               sprintf(inpF, "%s%d", cvsF, i);
+               ifstream fin(inpF);
+               while (getline(fin, line)) {
+                       fprintf(fo, "%s\n", line.c_str());
+               }
+               fin.close();
+               sprintf(command, "rm -f %s", inpF);
+               int status = system(command);
+               general_assert(status == 0, "Fail to delete file " + cstrtos(inpF) + "!");
+       }
+       fclose(fo);
+       */
 }
 
 template<class ModelType>
 void calcExpectedEffectiveLengths(ModelType& model) {
-  int lb, ub, span;
-  double *pdf = NULL, *cdf = NULL, *clen = NULL; // clen[i] = sigma_{j=1}^{i}pdf[i]*(lb+i)
+       int lb, ub, span;
+       double *pdf = NULL, *cdf = NULL, *clen = NULL; // clen[i] = \sigma_{j=1}^{i}pdf[i]*(lb+i)
   
-  model.getGLD().copyTo(pdf, cdf, lb, ub, span);
-  clen = new double[span + 1];
-  clen[0] = 0.0;
-  for (int i = 1; i <= span; i++) {
-    clen[i] = clen[i - 1] + pdf[i] * (lb + i);
-  }
-
-  eel.clear();
-  eel.resize(M + 1, 0.0);
-  for (int i = 1; i <= M; i++) {
-    int totLen = refs.getRef(i).getTotLen();
-    int fullLen = refs.getRef(i).getFullLen();
-    int pos1 = max(min(totLen - fullLen + 1, ub) - lb, 0);
-    int pos2 = max(min(totLen, ub) - lb, 0);
-
-    if (pos2 == 0) { eel[i] = 0.0; continue; }
+       model.getGLD().copyTo(pdf, cdf, lb, ub, span);
+       clen = new double[span + 1];
+       clen[0] = 0.0;
+       for (int i = 1; i <= span; i++) {
+               clen[i] = clen[i - 1] + pdf[i] * (lb + i);
+       }
+
+       eel.assign(M + 1, 0.0);
+       for (int i = 1; i <= M; i++) {
+               int totLen = refs.getRef(i).getTotLen();
+               int fullLen = refs.getRef(i).getFullLen();
+               int pos1 = max(min(totLen - fullLen + 1, ub) - lb, 0);
+               int pos2 = max(min(totLen, ub) - lb, 0);
+
+               if (pos2 == 0) { eel[i] = 0.0; continue; }
     
-    eel[i] = fullLen * cdf[pos1] + ((cdf[pos2] - cdf[pos1]) * (totLen + 1) - (clen[pos2] - clen[pos1]));
-    assert(eel[i] >= 0);
-    if (eel[i] < MINEEL) { eel[i] = 0.0; }
-  }
+               eel[i] = fullLen * cdf[pos1] + ((cdf[pos2] - cdf[pos1]) * (totLen + 1) - (clen[pos2] - clen[pos1]));
+               assert(eel[i] >= 0);
+               if (eel[i] < MINEEL) { eel[i] = 0.0; }
+       }
   
-  delete[] pdf;
-  delete[] cdf;
-  delete[] clen;
+       delete[] pdf;
+       delete[] cdf;
+       delete[] clen;
 }
 
 template<class ModelType>
@@ -270,7 +355,9 @@ void writeEstimatedParameters(char* modelF, char* imdName) {
        for (int i = 1; i <= M; i++)
          if (eel[i] < EPSILON) pme_theta[i] = 0.0;
          else denom += pme_theta[i];
-       if (denom <= 0) { fprintf(stderr, "No Expected Effective Length is no less than %.6g?!\n", MINEEL); exit(-1); }
+
+       general_assert(denom >= EPSILON, "No Expected Effective Length is no less than " + ftos(MINEEL, 6) + "?!");
+
        for (int i = 0; i <= M; i++) pme_theta[i] /= denom;
 
        denom = 0.0;
@@ -292,8 +379,9 @@ void writeEstimatedParameters(char* modelF, char* imdName) {
            tau[i] = pme_theta[i] / eel[i];
            denom += tau[i];
          }
-       if (denom <= 0) { fprintf(stderr, "No alignable reads?!\n"); exit(-1); }
-       //assert(denom > 0);
+
+       general_assert(denom >= EPSILON, "No alignable reads?!");
+
        for (int i = 1; i <= M; i++) {
                tau[i] /= denom;
        }
@@ -301,17 +389,20 @@ void writeEstimatedParameters(char* modelF, char* imdName) {
        //isoform level results
        sprintf(outF, "%s.iso_res", imdName);
        fo = fopen(outF, "a");
-       if (fo == NULL) { fprintf(stderr, "Cannot open %s!\n", outF); exit(-1); }
+       general_assert(fo != NULL, "Cannot open " + cstrtos(outF) + "!");
+
        for (int i = 1; i <= M; i++)
                fprintf(fo, "%.2f%c", pme_c[i], (i < M ? '\t' : '\n'));
        for (int i = 1; i <= M; i++)
                fprintf(fo, "%.15g%c", tau[i], (i < M ? '\t' : '\n'));
+
        fclose(fo);
 
        //gene level results
        sprintf(outF, "%s.gene_res", imdName);
        fo = fopen(outF, "a");
-       if (fo == NULL) { fprintf(stderr, "Cannot open %s!\n", outF); exit(-1); }
+       general_assert(fo != NULL, "Cannot open " + cstrtos(outF) + "!");
+
        for (int i = 0; i < m; i++) {
                double sumC = 0.0; //  sum of pme counts
                int b = gi.spAt(i), e = gi.spAt(i + 1);
@@ -335,33 +426,56 @@ void writeEstimatedParameters(char* modelF, char* imdName) {
        if (verbose) { printf("Gibbs based expression values are written!\n"); }
 }
 
-
 int main(int argc, char* argv[]) {
        if (argc < 7) {
-               printf("Usage: rsem-run-gibbs reference_name sample_name sampleToken BURNIN CHAINLEN GAP [-q]\n");
+               printf("Usage: rsem-run-gibbs-multi reference_name sample_name sampleToken BURNIN NSAMPLES GAP [-p #Threads] [--var] [-q]\n");
                exit(-1);
        }
 
        BURNIN = atoi(argv[4]);
-       CHAINLEN = atoi(argv[5]);
+       NSAMPLES = atoi(argv[5]);
        GAP = atoi(argv[6]);
        sprintf(imdName, "%s.temp/%s", argv[2], argv[3]);
        sprintf(statName, "%s.stat/%s", argv[2], argv[3]);
        load_data(argv[1], statName, imdName);
 
+       nThreads = 1;
+       var_opt = false;
        quiet = false;
-       if (argc > 7 && !strcmp(argv[7], "-q")) {
-               quiet = true;
+
+       for (int i = 7; i < argc; i++) {
+               if (!strcmp(argv[i], "-p")) nThreads = atoi(argv[i + 1]);
+               if (!strcmp(argv[i], "--var")) var_opt = true;
+               if (!strcmp(argv[i], "-q")) quiet = true;
        }
        verbose = !quiet;
 
+       assert(NSAMPLES > 1); // Otherwise, we cannot calculate posterior variance
+
+       if (nThreads > NSAMPLES) {
+               nThreads = NSAMPLES;
+               printf("Warning: Number of samples is less than number of threads! Change the number of threads to %d!\n", nThreads);
+       }
+
+       if (verbose) printf("Gibbs started!\n");
+
        init();
-       Gibbs(imdName);
+       for (int i = 0; i < nThreads; i++) {
+               rc = pthread_create(&threads[i], &attr, Gibbs, (void*)(&paramsArray[i]));
+               pthread_assert(rc, "pthread_create", "Cannot create thread " + itos(i) + " (numbered from 0)!");
+       }
+       for (int i = 0; i < nThreads; i++) {
+               rc = pthread_join(threads[i], &status);
+               pthread_assert(rc, "pthread_join", "Cannot join thread " + itos(i) + " (numbered from 0)!");
+       }
+       release();
+
+       if (verbose) printf("Gibbs finished!\n");
 
        sprintf(modelF, "%s.model", statName);
        FILE *fi = fopen(modelF, "r");
-       if (fi == NULL) { fprintf(stderr, "Cannot open %s!\n", modelF); exit(-1); }
-       fscanf(fi, "%d", &model_type);
+       general_assert(fi != NULL, "Cannot open " + cstrtos(modelF) + "!");
+       assert(fscanf(fi, "%d", &model_type) == 1);
        fclose(fi);
 
        switch(model_type) {
@@ -371,5 +485,20 @@ int main(int argc, char* argv[]) {
        case 3 : writeEstimatedParameters<PairedEndQModel>(modelF, imdName); break;
        }
 
+       if (var_opt) {
+               char varF[STRLEN];
+
+               sprintf(varF, "%s.var", statName);
+               FILE *fo = fopen(varF, "w");
+               general_assert(fo != NULL, "Cannot open " + cstrtos(varF) + "!");
+               for (int i = 0; i < m; i++) {
+                       int b = gi.spAt(i), e = gi.spAt(i + 1), number_of_isoforms = e - b;
+                       for (int j = b; j < e; j++) {
+                               fprintf(fo, "%s\t%d\t%.15g\t%.15g\n", refs.getRef(j).getName().c_str(), number_of_isoforms, pme_c[j], pve_c[j]);
+                       }
+               }
+               fclose(fo);
+       }
+
        return 0;
 }