Subversion Repositories shark

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 */

/* $Id: fftwnd.c,v 1.2 2003-03-24 11:14:50 pj Exp $ */

#include <fftw-int.h>

/* the number of buffers to use for buffered transforms: */
#define FFTWND_NBUFFERS 8

/* the default number of buffers to use: */
#define FFTWND_DEFAULT_NBUFFERS 0

/* the number of "padding" elements between consecutive buffer lines */
#define FFTWND_BUFFER_PADDING 8

static void destroy_plan_array(int rank, fftw_plan *plans);

static void init_test_array(fftw_complex *arr, int stride, int n)
{
     int j;

     for (j = 0; j < n; ++j) {
          c_re(arr[stride * j]) = 0.0;
          c_im(arr[stride * j]) = 0.0;
     }
}

/*
 * Same as fftw_measure_runtime, except for fftwnd plan.
 */
double fftwnd_measure_runtime(fftwnd_plan plan,
                              fftw_complex *in, int istride,
                              fftw_complex *out, int ostride)
{
     fftw_time begin, end, start;
     double t, tmax, tmin;
     int i, iter;
     int n;
     int repeat;

     if (plan->rank == 0)
          return 0.0;

     n = 1;
     for (i = 0; i < plan->rank; ++i)
          n *= plan->n[i];

     iter = 1;

     for (;;) {
          tmin = 1.0E10;
          tmax = -1.0E10;
          init_test_array(in, istride, n);

          start = fftw_get_time();
          /* repeat the measurement FFTW_TIME_REPEAT times */
          for (repeat = 0; repeat < FFTW_TIME_REPEAT; ++repeat) {
               begin = fftw_get_time();
               for (i = 0; i < iter; ++i) {
                    fftwnd(plan, 1, in, istride, 0, out, ostride, 0);
               }
               end = fftw_get_time();

               t = fftw_time_to_sec(fftw_time_diff(end, begin));
               if (t < tmin)
                    tmin = t;
               if (t > tmax)
                    tmax = t;

               /* do not run for too long */
               t = fftw_time_to_sec(fftw_time_diff(end, start));
               if (t > FFTW_TIME_LIMIT)
                    break;
          }

          if (tmin >= FFTW_TIME_MIN)
               break;

          iter *= 2;
     }

     tmin /= (double) iter;
     tmax /= (double) iter;

     return tmin;
}

/********************** Initializing the FFTWND Plan ***********************/

/* Initialize everything except for the 1D plans and the work array: */
fftwnd_plan fftwnd_create_plan_aux(int rank, const int *n,
                                   fftw_direction dir, int flags)
{
     int i;
     fftwnd_plan p;

     if (rank < 0)
          return 0;

     for (i = 0; i < rank; ++i)
          if (n[i] <= 0)
               return 0;

     p = (fftwnd_plan) fftw_malloc(sizeof(fftwnd_data));
     p->n = 0;
     p->n_before = 0;
     p->n_after = 0;
     p->plans = 0;
     p->work = 0;
     p->dir = dir;

     p->rank = rank;
     p->is_in_place = flags & FFTW_IN_PLACE;

     p->nwork = 0;
     p->nbuffers = 0;

     if (rank == 0)
          return 0;

     p->n = (int *) fftw_malloc(sizeof(int) * rank);
     p->n_before = (int *) fftw_malloc(sizeof(int) * rank);
     p->n_after = (int *) fftw_malloc(sizeof(int) * rank);
     p->n_before[0] = 1;
     p->n_after[rank - 1] = 1;

     for (i = 0; i < rank; ++i) {
          p->n[i] = n[i];

          if (i) {
               p->n_before[i] = p->n_before[i - 1] * n[i - 1];
               p->n_after[rank - 1 - i] = p->n_after[rank - i] * n[rank - i];
          }
     }

     return p;
}

/* create an empty new array of rank 1d plans */
fftw_plan *fftwnd_new_plan_array(int rank)
{
     fftw_plan *plans;
     int i;

     plans = (fftw_plan *) fftw_malloc(rank * sizeof(fftw_plan));
     if (!plans)
          return 0;
     for (i = 0; i < rank; ++i)
          plans[i] = 0;
     return plans;
}

/*
 * create an array of plans using the ordinary 1d fftw_create_plan,
 * which allocates its own array and creates plans optimized for
 * contiguous data.
 */
fftw_plan *fftwnd_create_plans_generic(fftw_plan *plans,
                                       int rank, const int *n,
                                       fftw_direction dir, int flags)
{
     if (rank <= 0)
          return 0;

     if (plans) {
          int i, j;
          int cur_flags;

          for (i = 0; i < rank; ++i) {
               if (i < rank - 1 || (flags & FFTW_IN_PLACE)) {
                    /*
                     * fft's except the last dimension are always in-place
                     */
                    cur_flags = flags | FFTW_IN_PLACE;
                    for (j = i - 1; j >= 0 && n[i] != n[j]; --j);
               } else {
                    cur_flags = flags;
                    /*
                     * we must create a separate plan for the last
                     * dimension
                     */
                    j = -1;
               }

               if (j >= 0) {
                    /*
                     * If a plan already exists for this size
                     * array, reuse it:
                     */
                    plans[i] = plans[j];
               } else {
                    /* generate a new plan: */
                    plans[i] = fftw_create_plan(n[i], dir, cur_flags);
                    if (!plans[i]) {
                         destroy_plan_array(rank, plans);
                         return 0;
                    }
               }
          }
     }
     return plans;
}

static int get_maxdim(int rank, const int *n, int flags)
{
     int i;
     int maxdim = 0;

     for (i = 0; i < rank - 1; ++i)
          if (n[i] > maxdim)
               maxdim = n[i];
     if (rank > 0 && flags & FFTW_IN_PLACE && n[rank - 1] > maxdim)
          maxdim = n[rank - 1];

     return maxdim;
}

/* compute number of elements required for work array (has to
   be big enough to hold ncopies of the largest dimension in
   n that will need an in-place transform. */
int fftwnd_work_size(int rank, const int *n, int flags, int ncopies)
{
     return (ncopies * get_maxdim(rank, n, flags)
             + (ncopies - 1) * FFTWND_BUFFER_PADDING);
}

/*
 * create plans using the fftw_create_plan_specific planner, which
 * allows us to create plans for each dimension that are specialized
 * for the strides that we are going to use.
 */
fftw_plan *fftwnd_create_plans_specific(fftw_plan *plans,
                                        int rank, const int *n,
                                        const int *n_after,
                                        fftw_direction dir, int flags,
                                        fftw_complex *in, int istride,
                                        fftw_complex *out, int ostride)
{
     if (rank <= 0)
          return 0;

     if (plans) {
          int i, stride, cur_flags;
          fftw_complex *work = 0;
          int nwork;

          nwork = fftwnd_work_size(rank, n, flags, 1);
          if (nwork)
               work = (fftw_complex*)fftw_malloc(nwork * sizeof(fftw_complex));

          for (i = 0; i < rank; ++i) {
               /* fft's except the last dimension are always in-place */
               if (i < rank - 1)
                    cur_flags = flags | FFTW_IN_PLACE;
               else
                    cur_flags = flags;

               /* stride for transforming ith dimension */
               stride = n_after[i];

               if (cur_flags & FFTW_IN_PLACE)
                    plans[i] = fftw_create_plan_specific(n[i], dir, cur_flags,
                                                    in, istride * stride,
                                                         work, 1);
               else
                    plans[i] = fftw_create_plan_specific(n[i], dir, cur_flags,
                                                    in, istride * stride,
                                                  out, ostride * stride);
               if (!plans[i]) {
                    destroy_plan_array(rank, plans);
                    fftw_free(work);
                    return 0;
               }
          }

          if (work)
               fftw_free(work);
     }
     return plans;
}

/*
 * Create an fftwnd_plan specialized for specific arrays.  (These
 * arrays are ignored, however, if they are NULL or if the flags do
 * not include FFTW_MEASURE.)  The main advantage of being provided
 * arrays like this is that we can do runtime timing measurements of
 * our options, without worrying about allocating excessive scratch
 * space.
 */
fftwnd_plan fftwnd_create_plan_specific(int rank, const int *n,
                                        fftw_direction dir, int flags,
                                        fftw_complex *in, int istride,
                                        fftw_complex *out, int ostride)
{
     fftwnd_plan p;

     if (!(p = fftwnd_create_plan_aux(rank, n, dir, flags)))
          return 0;

     if (!(flags & FFTW_MEASURE) || in == 0
         || (!p->is_in_place && out == 0)) {

/**** use default plan ****/

          p->plans = fftwnd_create_plans_generic(fftwnd_new_plan_array(rank),
                                                 rank, n, dir, flags);
          if (!p->plans) {
               fftwnd_destroy_plan(p);
               return 0;
          }
          if (flags & FFTWND_FORCE_BUFFERED)
               p->nbuffers = FFTWND_NBUFFERS;
          else
               p->nbuffers = FFTWND_DEFAULT_NBUFFERS;

          p->nwork = fftwnd_work_size(rank, n, flags, p->nbuffers + 1);
          if (p->nwork && !(flags & FFTW_THREADSAFE)) {
               p->work = (fftw_complex*) fftw_malloc(p->nwork
                                                     * sizeof(fftw_complex));
               if (!p->work) {
                    fftwnd_destroy_plan(p);
                    return 0;
               }
          }
     } else {
/**** use runtime measurements to pick plan ****/

          fftw_plan *plans_buf, *plans_nobuf;
          double t_buf, t_nobuf;

          p->nwork = fftwnd_work_size(rank, n, flags, FFTWND_NBUFFERS + 1);
          if (p->nwork && !(flags & FFTW_THREADSAFE)) {
               p->work = (fftw_complex*) fftw_malloc(p->nwork
                                                     * sizeof(fftw_complex));
               if (!p->work) {
                    fftwnd_destroy_plan(p);
                    return 0;
               }
          }
          else
               p->work = (fftw_complex*) NULL;

          /* two possible sets of 1D plans: */
          plans_buf = fftwnd_create_plans_generic(fftwnd_new_plan_array(rank),
                                                  rank, n, dir, flags);
          plans_nobuf =
               fftwnd_create_plans_specific(fftwnd_new_plan_array(rank),
                                            rank, n, p->n_after, dir,
                                            flags, in, istride,
                                            out, ostride);
          if (!plans_buf || !plans_nobuf) {
               destroy_plan_array(rank, plans_nobuf);
               destroy_plan_array(rank, plans_buf);
               fftwnd_destroy_plan(p);
               return 0;
          }
          /* time the two possible plans */
          p->plans = plans_nobuf;
          p->nbuffers = 0;
          p->nwork = fftwnd_work_size(rank, n, flags, p->nbuffers + 1);
          t_nobuf = fftwnd_measure_runtime(p, in, istride, out, ostride);
          p->plans = plans_buf;
          p->nbuffers = FFTWND_NBUFFERS;
          p->nwork = fftwnd_work_size(rank, n, flags, p->nbuffers + 1);
          t_buf = fftwnd_measure_runtime(p, in, istride, out, ostride);

          /* pick the better one: */
          if (t_nobuf < t_buf) {        /* use unbuffered transform */
               p->plans = plans_nobuf;
               p->nbuffers = 0;

               /* work array is unnecessarily large */
               if (p->work)
                    fftw_free(p->work);
               p->work = 0;

               destroy_plan_array(rank, plans_buf);

               /* allocate a work array of the correct size: */
               p->nwork = fftwnd_work_size(rank, n, flags, p->nbuffers + 1);
               if (p->nwork && !(flags & FFTW_THREADSAFE)) {
                    p->work = (fftw_complex*) fftw_malloc(p->nwork
                                                       * sizeof(fftw_complex));
                    if (!p->work) {
                         fftwnd_destroy_plan(p);
                         return 0;
                    }
               }
          } else {              /* use buffered transform */
               destroy_plan_array(rank, plans_nobuf);
          }
     }

     return p;
}

fftwnd_plan fftw2d_create_plan_specific(int nx, int ny,
                                        fftw_direction dir, int flags,
                                        fftw_complex *in, int istride,
                                        fftw_complex *out, int ostride)
{
     int n[2];

     n[0] = nx;
     n[1] = ny;

     return fftwnd_create_plan_specific(2, n, dir, flags,
                                        in, istride, out, ostride);
}

fftwnd_plan fftw3d_create_plan_specific(int nx, int ny, int nz,
                                        fftw_direction dir, int flags,
                                        fftw_complex *in, int istride,
                                        fftw_complex *out, int ostride)
{
     int n[3];

     n[0] = nx;
     n[1] = ny;
     n[2] = nz;

     return fftwnd_create_plan_specific(3, n, dir, flags,
                                        in, istride, out, ostride);
}

/* Create a generic fftwnd plan: */

fftwnd_plan fftwnd_create_plan(int rank, const int *n,
                               fftw_direction dir, int flags)
{
     return fftwnd_create_plan_specific(rank, n, dir, flags, 0, 1, 0, 1);
}

fftwnd_plan fftw2d_create_plan(int nx, int ny,
                               fftw_direction dir, int flags)
{
     return fftw2d_create_plan_specific(nx, ny, dir, flags, 0, 1, 0, 1);
}

fftwnd_plan fftw3d_create_plan(int nx, int ny, int nz,
                               fftw_direction dir, int flags)
{
     return fftw3d_create_plan_specific(nx, ny, nz, dir, flags, 0, 1, 0, 1);
}

/************************ Freeing the FFTWND Plan ************************/

static void destroy_plan_array(int rank, fftw_plan *plans)
{
     if (plans) {
          int i, j;

          for (i = 0; i < rank; ++i) {
               for (j = i - 1;
                    j >= 0 && plans[i] != plans[j];
                    --j);
               if (j < 0 && plans[i])
                    fftw_destroy_plan(plans[i]);
          }
          fftw_free(plans);
     }
}

void fftwnd_destroy_plan(fftwnd_plan plan)
{
     if (plan) {
          destroy_plan_array(plan->rank, plan->plans);

          if (plan->n)
               fftw_free(plan->n);

          if (plan->n_before)
               fftw_free(plan->n_before);

          if (plan->n_after)
               fftw_free(plan->n_after);

          if (plan->work)
               fftw_free(plan->work);

          fftw_free(plan);
     }
}

/************************ Printing the FFTWND Plan ************************/
/*
void fftwnd_fprint_plan(FILE *f, fftwnd_plan plan)
{
     if (plan) {
          int i, j;

          if (plan->rank == 0) {
               fprintf(f, "plan for rank 0 (null) transform.\n");
               return;
          }
          fprintf(f, "plan for ");
          for (i = 0; i < plan->rank; ++i)
               fprintf(f, "%s%d", i ? "x" : "", plan->n[i]);
          fprintf(f, " transform:\n");

          if (plan->nbuffers > 0)
               fprintf(f, "  -- using buffered transforms (%d buffers)\n",
                       plan->nbuffers);
          else
               fprintf(f, "  -- using unbuffered transform\n");

          for (i = 0; i < plan->rank; ++i) {
               fprintf(f, "* dimension %d (size %d) ", i, plan->n[i]);

               for (j = i - 1; j >= 0; --j)
                    if (plan->plans[j] == plan->plans[i])
                         break;

               if (j < 0)
                    fftw_fprint_plan(f, plan->plans[i]);
               else
                    fprintf(f, "plan is same as dimension %d plan.\n", j);
          }
     }
}

void fftwnd_print_plan(fftwnd_plan plan)
{
     fftwnd_fprint_plan(stdout, plan);
}
*/
/********************* Buffered FFTW (in-place) *********************/

void fftw_buffered(fftw_plan p, int howmany,
                   fftw_complex *in, int istride, int idist,
                   fftw_complex *work,
                   int nbuffers, fftw_complex *buffers)
{
     int i = 0, n, nb;

     n = p->n;
     nb = n + FFTWND_BUFFER_PADDING;

     do {
          for (; i <= howmany - nbuffers; i += nbuffers) {
               fftw_complex *cur_in = in + i * idist;
               int j, buf;

               /*
                * First, copy nbuffers strided arrays to the
                * contiguous buffer arrays (reading consecutive
                * locations, assuming that idist is 1):
                */
               for (j = 0; j < n; ++j) {
                    fftw_complex *cur_in2 = cur_in + j * istride;
                    fftw_complex *cur_buffers = buffers + j;

                    for (buf = 0; buf <= nbuffers - 4; buf += 4) {
                         *cur_buffers = *cur_in2;
                         *(cur_buffers += nb) = *(cur_in2 += idist);
                         *(cur_buffers += nb) = *(cur_in2 += idist);
                         *(cur_buffers += nb) = *(cur_in2 += idist);
                         cur_buffers += nb;
                         cur_in2 += idist;
                    }
                    for (; buf < nbuffers; ++buf) {
                         *cur_buffers = *cur_in2;
                         cur_buffers += nb;
                         cur_in2 += idist;
                    }
               }

               /*
                * Now, compute the FFTs in the buffers (in-place
                * using work):
                */
               fftw(p, nbuffers, buffers, 1, nb, work, 1, 0);

               /*
                * Finally, copy the results back from the contiguous
                * buffers to the strided arrays (writing consecutive
                * locations):
                */
               for (j = 0; j < n; ++j) {
                    fftw_complex *cur_in2 = cur_in + j * istride;
                    fftw_complex *cur_buffers = buffers + j;

                    for (buf = 0; buf <= nbuffers - 4; buf += 4) {
                         *cur_in2 = *cur_buffers;
                         *(cur_in2 += idist) = *(cur_buffers += nb);
                         *(cur_in2 += idist) = *(cur_buffers += nb);
                         *(cur_in2 += idist) = *(cur_buffers += nb);
                         cur_buffers += nb;
                         cur_in2 += idist;
                    }
                    for (; buf < nbuffers; ++buf) {
                         *cur_in2 = *cur_buffers;
                         cur_buffers += nb;
                         cur_in2 += idist;
                    }
               }
          }

          /*
           * we skip howmany % nbuffers ffts at the end of the loop,
           * so we have to go back and do them:
           */
          nbuffers = howmany - i;
     } while (i < howmany);
}

/********************* Computing the N-Dimensional FFT *********************/

void fftwnd_aux(fftwnd_plan p, int cur_dim,
                fftw_complex *in, int istride,
                fftw_complex *out, int ostride,
                fftw_complex *work)
{
     int n_after = p->n_after[cur_dim], n = p->n[cur_dim];

     if (cur_dim == p->rank - 2) {
          /* just do the last dimension directly: */
          if (p->is_in_place)
               fftw(p->plans[p->rank - 1], n,
                    in, istride, n_after * istride,
                    work, 1, 0);
          else
               fftw(p->plans[p->rank - 1], n,
                    in, istride, n_after * istride,
                    out, ostride, n_after * ostride);
     } else {                   /* we have at least two dimensions to go */
          int i;

          /*
           * process the subsequent dimensions recursively, in hyperslabs,
           * to get maximum locality:
           */
          for (i = 0; i < n; ++i)
               fftwnd_aux(p, cur_dim + 1,
                          in + i * n_after * istride, istride,
                          out + i * n_after * ostride, ostride, work);
     }

     /* do the current dimension (in-place): */
     if (p->nbuffers == 0) {
          fftw(p->plans[cur_dim], n_after,
               out, n_after * ostride, ostride,
               work, 1, 0);
     } else                     /* using contiguous copy buffers: */
          fftw_buffered(p->plans[cur_dim], n_after,
                        out, n_after * ostride, ostride,
                        work, p->nbuffers, work + n);
}

/*
 * alternate version of fftwnd_aux -- this version pushes the howmany
 * loop down to the leaves of the computation, for greater locality in
 * cases where dist < stride
 */
void fftwnd_aux_howmany(fftwnd_plan p, int cur_dim,
                        int howmany,
                        fftw_complex *in, int istride, int idist,
                        fftw_complex *out, int ostride, int odist,
                        fftw_complex *work)
{
     int n_after = p->n_after[cur_dim], n = p->n[cur_dim];
     int k;

     if (cur_dim == p->rank - 2) {
          /* just do the last dimension directly: */
          if (p->is_in_place)
               for (k = 0; k < n; ++k)
                    fftw(p->plans[p->rank - 1], howmany,
                         in + k * n_after * istride, istride, idist,
                         work, 1, 0);
          else
               for (k = 0; k < n; ++k)
                    fftw(p->plans[p->rank - 1], howmany,
                         in + k * n_after * istride, istride, idist,
                         out + k * n_after * ostride, ostride, odist);
     } else {                   /* we have at least two dimensions to go */
          int i;

          /*
           * process the subsequent dimensions recursively, in
           * hyperslabs, to get maximum locality:
           */
          for (i = 0; i < n; ++i)
               fftwnd_aux_howmany(p, cur_dim + 1, howmany,
                              in + i * n_after * istride, istride, idist,
                                  out + i * n_after * ostride, ostride, odist,
                                  work);
     }

     /* do the current dimension (in-place): */
     if (p->nbuffers == 0)
          for (k = 0; k < n_after; ++k)
               fftw(p->plans[cur_dim], howmany,
                    out + k * ostride, n_after * ostride, odist,
                    work, 1, 0);
     else                       /* using contiguous copy buffers: */
          for (k = 0; k < n_after; ++k)
               fftw_buffered(p->plans[cur_dim], howmany,
                             out + k * ostride, n_after * ostride, odist,
                             work, p->nbuffers, work + n);
}

void fftwnd(fftwnd_plan p, int howmany,
            fftw_complex *in, int istride, int idist,
            fftw_complex *out, int ostride, int odist)
{
     fftw_complex *work;

#ifdef FFTW_DEBUG
     if (p->rank > 0 && (p->plans[0]->flags & FFTW_THREADSAFE)
         && p->nwork && p->work)
          fftw_die("bug with FFTW_THREADSAFE flag");
#endif

     if (p->nwork && !p->work)
          work = (fftw_complex *) fftw_malloc(p->nwork * sizeof(fftw_complex));
     else
          work = p->work;

     switch (p->rank) {
         case 0:
              break;
         case 1:
              if (p->is_in_place)       /* fft is in-place */
                   fftw(p->plans[0], howmany, in, istride, idist,
                        work, 1, 0);
              else
                   fftw(p->plans[0], howmany, in, istride, idist,
                        out, ostride, odist);
              break;
         default:               /* rank >= 2 */
              {
                   if (p->is_in_place) {
                        out = in;
                        ostride = istride;
                        odist = idist;
                   }
                   if (howmany > 1 && odist < ostride)
                        fftwnd_aux_howmany(p, 0, howmany,
                                           in, istride, idist,
                                           out, ostride, odist,
                                           work);
                   else {
                        int i;

                        for (i = 0; i < howmany; ++i)
                             fftwnd_aux(p, 0,
                                        in + i * idist, istride,
                                        out + i * odist, ostride,
                                        work);
                   }
              }
     }

     if (p->nwork && !p->work)
          fftw_free(work);

}

void fftwnd_one(fftwnd_plan p, fftw_complex *in, fftw_complex *out)
{
     fftwnd(p, 1, in, 1, 1, out, 1, 1);
}