JAL-3725 helper methods for computing mapped feature range overlap
[jalview.git] / src / jalview / util / MapList.java
index 2641659..c5654fb 100644 (file)
@@ -24,6 +24,8 @@ import java.util.ArrayList;
 import java.util.Arrays;
 import java.util.List;
 
+import jalview.bin.Cache;
+
 /**
  * A simple way of bijectively mapping a non-contiguous linear range to another
  * non-contiguous linear range.
@@ -41,12 +43,12 @@ public class MapList
   /*
    * Subregions (base 1) described as { [start1, end1], [start2, end2], ...}
    */
-  private List<int[]> fromShifts = new ArrayList<int[]>();
+  private List<int[]> fromShifts;
 
   /*
    * Same format as fromShifts, for the 'mapped to' sequence
    */
-  private List<int[]> toShifts = new ArrayList<int[]>();
+  private List<int[]> toShifts;
 
   /*
    * number of steps in fromShifts to one toRatio unit
@@ -73,14 +75,21 @@ public class MapList
   private int toHighest;
 
   /**
+   * Constructor
+   */
+  public MapList()
+  {
+    fromShifts = new ArrayList<>();
+    toShifts = new ArrayList<>();
+  }
+
+  /**
    * Two MapList objects are equal if they are the same object, or they both
    * have populated shift ranges and all values are the same.
    */
   @Override
   public boolean equals(Object o)
   {
-    // TODO should also override hashCode to ensure equal objects have equal
-    // hashcodes
     if (o == null || !(o instanceof MapList))
     {
       return false;
@@ -96,10 +105,31 @@ public class MapList
     {
       return false;
     }
-    return Arrays
-            .deepEquals(fromShifts.toArray(), obj.fromShifts.toArray())
-            && Arrays
-                    .deepEquals(toShifts.toArray(), obj.toShifts.toArray());
+    return Arrays.deepEquals(fromShifts.toArray(), obj.fromShifts.toArray())
+            && Arrays.deepEquals(toShifts.toArray(),
+                    obj.toShifts.toArray());
+  }
+
+  /**
+   * Returns a hashcode made from the fromRatio, toRatio, and from/to ranges
+   */
+  @Override
+  public int hashCode()
+  {
+    int hashCode = 31 * fromRatio;
+    hashCode = 31 * hashCode + toRatio;
+    for (int[] shift : fromShifts)
+    {
+      hashCode = 31 * hashCode + shift[0];
+      hashCode = 31 * hashCode + shift[1];
+    }
+    for (int[] shift : toShifts)
+    {
+      hashCode = 31 * hashCode + shift[0];
+      hashCode = 31 * hashCode + shift[1];
+    }
+
+    return hashCode;
   }
 
   /**
@@ -180,7 +210,8 @@ public class MapList
   }
 
   /**
-   * Constructor.
+   * Constructor given from and to ranges as [start1, end1, start2, end2,...].
+   * There is no validation check that the ranges do not overlap each other.
    * 
    * @param from
    *          contiguous regions as [start1, end1, start2, end2, ...]
@@ -193,27 +224,30 @@ public class MapList
    */
   public MapList(int from[], int to[], int fromRatio, int toRatio)
   {
+    this();
     this.fromRatio = fromRatio;
     this.toRatio = toRatio;
-    fromLowest = from[0];
-    fromHighest = from[1];
+    fromLowest = Integer.MAX_VALUE;
+    fromHighest = Integer.MIN_VALUE;
+
     for (int i = 0; i < from.length; i += 2)
     {
-      fromLowest = Math.min(fromLowest, from[i]);
-      fromHighest = Math.max(fromHighest, from[i + 1]);
-
-      fromShifts.add(new int[]
-      { from[i], from[i + 1] });
+      /*
+       * note lowest and highest values - bearing in mind the
+       * direction may be reversed
+       */
+      fromLowest = Math.min(fromLowest, Math.min(from[i], from[i + 1]));
+      fromHighest = Math.max(fromHighest, Math.max(from[i], from[i + 1]));
+      fromShifts.add(new int[] { from[i], from[i + 1] });
     }
 
-    toLowest = to[0];
-    toHighest = to[1];
+    toLowest = Integer.MAX_VALUE;
+    toHighest = Integer.MIN_VALUE;
     for (int i = 0; i < to.length; i += 2)
     {
-      toLowest = Math.min(toLowest, to[i]);
-      toHighest = Math.max(toHighest, to[i + 1]);
-      toShifts.add(new int[]
-      { to[i], to[i + 1] });
+      toLowest = Math.min(toLowest, Math.min(to[i], to[i + 1]));
+      toHighest = Math.max(toHighest, Math.max(to[i], to[i + 1]));
+      toShifts.add(new int[] { to[i], to[i + 1] });
     }
   }
 
@@ -224,6 +258,7 @@ public class MapList
    */
   public MapList(MapList map)
   {
+    this();
     // TODO not used - remove?
     this.fromLowest = map.fromLowest;
     this.fromHighest = map.fromHighest;
@@ -236,53 +271,135 @@ public class MapList
     {
       for (int[] r : map.fromShifts)
       {
-        fromShifts.add(new int[]
-        { r[0], r[1] });
+        fromShifts.add(new int[] { r[0], r[1] });
       }
     }
     if (map.toShifts != null)
     {
       for (int[] r : map.toShifts)
       {
-        toShifts.add(new int[]
-        { r[0], r[1] });
+        toShifts.add(new int[] { r[0], r[1] });
       }
     }
   }
 
   /**
-   * Constructor given ranges as lists of [start, end] positions
+   * Constructor given ranges as lists of [start, end] positions. There is no
+   * validation check that the ranges do not overlap each other.
    * 
    * @param fromRange
    * @param toRange
    * @param fromRatio
    * @param toRatio
    */
-  public MapList(List<int[]> fromRange, List<int[]> toRange,
-          int fromRatio, int toRatio)
+  public MapList(List<int[]> fromRange, List<int[]> toRange, int fromRatio,
+          int toRatio)
   {
+    this();
+    fromRange = coalesceRanges(fromRange);
+    toRange = coalesceRanges(toRange);
     this.fromShifts = fromRange;
     this.toShifts = toRange;
     this.fromRatio = fromRatio;
     this.toRatio = toRatio;
 
     fromLowest = Integer.MAX_VALUE;
-    fromHighest = 0;
-    for (int[] range : fromRange) {
-      fromLowest = Math.min(fromLowest, range[0]);
-      fromHighest = Math.max(fromHighest, range[1]);
+    fromHighest = Integer.MIN_VALUE;
+    for (int[] range : fromRange)
+    {
+      if (range.length != 2)
+      {
+        // throw new IllegalArgumentException(range);
+        Cache.log.error("Invalid format for fromRange "
+                + Arrays.toString(range) + " may cause errors");
+      }
+      fromLowest = Math.min(fromLowest, Math.min(range[0], range[1]));
+      fromHighest = Math.max(fromHighest, Math.max(range[0], range[1]));
     }
 
     toLowest = Integer.MAX_VALUE;
-    toHighest = 0;
+    toHighest = Integer.MIN_VALUE;
     for (int[] range : toRange)
     {
-      toLowest = Math.min(toLowest, range[0]);
-      toHighest = Math.max(toHighest, range[1]);
+      if (range.length != 2)
+      {
+        // throw new IllegalArgumentException(range);
+        Cache.log.error("Invalid format for toRange "
+                + Arrays.toString(range) + " may cause errors");
+      }
+      toLowest = Math.min(toLowest, Math.min(range[0], range[1]));
+      toHighest = Math.max(toHighest, Math.max(range[0], range[1]));
     }
   }
 
   /**
+   * Consolidates a list of ranges so that any contiguous ranges are merged.
+   * This assumes the ranges are already in start order (does not sort them).
+   * <p>
+   * The main use case for this method is when mapping cDNA sequence to its
+   * protein product, based on CDS feature ranges which derive from spliced
+   * exons, but are contiguous on the cDNA sequence. For example 
+   * <pre>
+   *   CDS 1-20  // from exon1
+   *   CDS 21-35 // from exon2
+   *   CDS 36-71 // from exon3
+   * 'coalesce' to range 1-71
+   * </pre>
+   * 
+   * @param ranges
+   * @return the same list (if unchanged), else a new merged list, leaving the
+   *         input list unchanged
+   */
+  public static List<int[]> coalesceRanges(final List<int[]> ranges)
+  {
+    if (ranges == null || ranges.size() < 2)
+    {
+      return ranges;
+    }
+
+    boolean changed = false;
+    List<int[]> merged = new ArrayList<>();
+    int[] lastRange = ranges.get(0);
+    int lastDirection = lastRange[1] >= lastRange[0] ? 1 : -1;
+    lastRange = new int[] { lastRange[0], lastRange[1] };
+    merged.add(lastRange);
+    boolean first = true;
+
+    for (final int[] range : ranges)
+    {
+      if (first)
+      {
+        first = false;
+        continue;
+      }
+
+      int direction = range[1] >= range[0] ? 1 : -1;
+
+      /*
+       * if next range is in the same direction as last and contiguous,
+       * just update the end position of the last range
+       */
+      boolean sameDirection = range[1] == range[0]
+              || direction == lastDirection;
+      boolean extending = range[0] == lastRange[1] + lastDirection;
+      if (sameDirection && extending)
+      {
+        lastRange[1] = range[1];
+        changed = true;
+      }
+      else
+      {
+        lastRange = new int[] { range[0], range[1] };
+        merged.add(lastRange);
+        // careful: merging [5, 5] after [7, 6] should keep negative direction
+        lastDirection = (range[1] == range[0]) ? lastDirection : direction;
+      }
+    }
+
+    return changed ? merged : ranges;
+  }
+
+  /**
    * get all mapped positions from 'from' to 'to'
    * 
    * @return int[][] { int[] { fromStart, fromFinish, toStart, toFinish }, int
@@ -313,8 +430,7 @@ public class MapList
    *         returning mapped position
    */
   private int[][] posMap(List<int[]> shiftTo, int ratio,
-          List<int[]> shiftFrom,
-          int toRatio)
+          List<int[]> shiftFrom, int toRatio)
   {
     // TODO not used - remove??
     int iv = 0, ivSize = shiftTo.size();
@@ -374,9 +490,8 @@ public class MapList
       }
       mp[i] = m;
     }
-    int[][] map = new int[][]
-    { new int[]
-    { from, to, tF, tT }, new int[to - from + 2] };
+    int[][] map = new int[][] { new int[] { from, to, tF, tT },
+        new int[to - from + 2] };
 
     map[0][2] = tF;
     map[0][3] = tT;
@@ -461,8 +576,7 @@ public class MapList
       return null; // throw new Error("Bad Mapping!");
     }
     // System.out.println(fromCount[0]+" "+fromCount[1]+" "+toCount);
-    return new int[]
-    { toPos[0], fromRemainder, toPos[1] };
+    return new int[] { toPos[0], fromRemainder, toPos[1] };
   }
 
   /**
@@ -482,8 +596,7 @@ public class MapList
       {
         if (pos >= intv[0] && pos <= intv[1])
         {
-          return new int[]
-          { count + pos - intv[0] + 1, +1 };
+          return new int[] { count + pos - intv[0] + 1, +1 };
         }
         else
         {
@@ -494,8 +607,7 @@ public class MapList
       {
         if (pos >= intv[1] && pos <= intv[0])
         {
-          return new int[]
-          { count + intv[0] - pos + 1, -1 };
+          return new int[] { count + intv[0] - pos + 1, -1 };
         }
         else
         {
@@ -516,8 +628,7 @@ public class MapList
   protected static int[] countToPos(List<int[]> shiftFrom, int pos)
   {
     int count = 0, diff = 0, iv = 0, ivSize = shiftFrom.size();
-    int[] intv =
-    { 0, 0 };
+    int[] intv = { 0, 0 };
     while (iv < ivSize)
     {
       intv = shiftFrom.get(iv++);
@@ -526,8 +637,7 @@ public class MapList
       {
         if (pos <= count + 1 + diff)
         {
-          return new int[]
-          { pos - count - 1 + intv[0], +1 };
+          return new int[] { pos - count - 1 + intv[0], +1 };
         }
         else
         {
@@ -538,8 +648,7 @@ public class MapList
       {
         if (pos <= count + 1 - diff)
         {
-          return new int[]
-          { intv[0] - (pos - count - 1), -1 };
+          return new int[] { intv[0] - (pos - count - 1), -1 };
         }
         else
         {
@@ -597,8 +706,7 @@ public class MapList
    *         region to final position of ending region inclusive
    */
   protected static int[] getIntervals(List<int[]> shiftFrom,
-          int[] fromStart,
-          int[] fromEnd, int fromRatio2)
+          int[] fromStart, int[] fromEnd, int fromRatio2)
   {
     if (fromStart == null || fromEnd == null)
     {
@@ -681,15 +789,14 @@ public class MapList
     {
       return null;
     }
-    List<int[]> ranges = new ArrayList<int[]>();
+    List<int[]> ranges = new ArrayList<>();
     if (fs <= fe)
     {
       intv = fs;
       i = fs;
       // truncate initial interval
       iv = shiftFrom.get(intv++);
-      iv = new int[]
-      { iv[0], iv[1] };// clone
+      iv = new int[] { iv[0], iv[1] };// clone
       if (i == fs)
       {
         iv[0] = startpos;
@@ -698,8 +805,7 @@ public class MapList
       {
         ranges.add(iv); // add initial range
         iv = shiftFrom.get(intv++); // get next interval
-        iv = new int[]
-        { iv[0], iv[1] };// clone
+        iv = new int[] { iv[0], iv[1] };// clone
         i++;
       }
       if (i == fe)
@@ -717,8 +823,7 @@ public class MapList
         i--;
       }
       iv = shiftFrom.get(i);
-      iv = new int[]
-      { iv[1], iv[0] };// reverse and clone
+      iv = new int[] { iv[1], iv[0] };// reverse and clone
       // truncate initial interval
       if (i == fs)
       {
@@ -728,8 +833,7 @@ public class MapList
       { // fix apparent logic bug when fe==-1
         ranges.add(iv); // add (truncated) reversed interval
         iv = shiftFrom.get(i);
-        iv = new int[]
-        { iv[1], iv[0] }; // reverse and clone
+        iv = new int[] { iv[1], iv[0] }; // reverse and clone
       }
       if (i == fe)
       {
@@ -788,8 +892,7 @@ public class MapList
     int[] mp = shiftTo(mpos);
     if (mp != null)
     {
-      return new int[]
-      { mp[0], mp[0] + mp[2] * (getFromRatio() - 1) };
+      return new int[] { mp[0], mp[0] + mp[2] * (getFromRatio() - 1) };
     }
     return null;
   }
@@ -818,8 +921,7 @@ public class MapList
     int[] mp = shiftFrom(pos);
     if (mp != null)
     {
-      return new int[]
-      { mp[0], mp[0] + mp[2] * (getToRatio() - 1) };
+      return new int[] { mp[0], mp[0] + mp[2] * (getToRatio() - 1) };
     }
     return null;
   }
@@ -848,15 +950,295 @@ public class MapList
     // TODO not used - remove?
     if (local)
     {
-      return ((getFromLowest() >= map.getFromLowest() && getFromHighest() <= map
-              .getFromHighest()) || (getFromLowest() <= map.getFromLowest() && getFromHighest() >= map
-              .getFromHighest()));
+      return ((getFromLowest() >= map.getFromLowest()
+              && getFromHighest() <= map.getFromHighest())
+              || (getFromLowest() <= map.getFromLowest()
+                      && getFromHighest() >= map.getFromHighest()));
     }
     else
     {
-      return ((getToLowest() >= map.getToLowest() && getToHighest() <= map
-              .getToHighest()) || (getToLowest() <= map.getToLowest() && getToHighest() >= map
-              .getToHighest()));
+      return ((getToLowest() >= map.getToLowest()
+              && getToHighest() <= map.getToHighest())
+              || (getToLowest() <= map.getToLowest()
+                      && getToHighest() >= map.getToHighest()));
+    }
+  }
+
+  /**
+   * String representation - for debugging, not guaranteed not to change
+   */
+  @Override
+  public String toString()
+  {
+    StringBuilder sb = new StringBuilder(64);
+    sb.append("[");
+    for (int[] shift : fromShifts)
+    {
+      sb.append(" ").append(Arrays.toString(shift));
+    }
+    sb.append(" ] ");
+    sb.append(fromRatio).append(":").append(toRatio);
+    sb.append(" to [");
+    for (int[] shift : toShifts)
+    {
+      sb.append(" ").append(Arrays.toString(shift));
+    }
+    sb.append(" ]");
+    return sb.toString();
+  }
+
+  /**
+   * Extend this map list by adding the given map's ranges. There is no
+   * validation check that the ranges do not overlap existing ranges (or each
+   * other), but contiguous ranges are merged.
+   * 
+   * @param map
+   */
+  public void addMapList(MapList map)
+  {
+    if (this.equals(map))
+    {
+      return;
+    }
+    this.fromLowest = Math.min(fromLowest, map.fromLowest);
+    this.toLowest = Math.min(toLowest, map.toLowest);
+    this.fromHighest = Math.max(fromHighest, map.fromHighest);
+    this.toHighest = Math.max(toHighest, map.toHighest);
+
+    for (int[] range : map.getFromRanges())
+    {
+      addRange(range, fromShifts);
+    }
+    for (int[] range : map.getToRanges())
+    {
+      addRange(range, toShifts);
+    }
+  }
+
+  /**
+   * Adds the given range to a list of ranges. If the new range just extends
+   * existing ranges, the current endpoint is updated instead.
+   * 
+   * @param range
+   * @param addTo
+   */
+  static void addRange(int[] range, List<int[]> addTo)
+  {
+    /*
+     * list is empty - add to it!
+     */
+    if (addTo.size() == 0)
+    {
+      addTo.add(range);
+      return;
+    }
+
+    int[] last = addTo.get(addTo.size() - 1);
+    boolean lastForward = last[1] >= last[0];
+    boolean newForward = range[1] >= range[0];
+
+    /*
+     * contiguous range in the same direction - just update endpoint
+     */
+    if (lastForward == newForward && last[1] == range[0])
+    {
+      last[1] = range[1];
+      return;
     }
+
+    /*
+     * next range starts at +1 in forward sense - update endpoint
+     */
+    if (lastForward && newForward && range[0] == last[1] + 1)
+    {
+      last[1] = range[1];
+      return;
+    }
+
+    /*
+     * next range starts at -1 in reverse sense - update endpoint
+     */
+    if (!lastForward && !newForward && range[0] == last[1] - 1)
+    {
+      last[1] = range[1];
+      return;
+    }
+
+    /*
+     * just add the new range
+     */
+    addTo.add(range);
+  }
+
+  /**
+   * Returns true if mapping is from forward strand, false if from reverse
+   * strand. Result is just based on the first 'from' range that is not a single
+   * position. Default is true unless proven to be false. Behaviour is not well
+   * defined if the mapping has a mixture of forward and reverse ranges.
+   * 
+   * @return
+   */
+  public boolean isFromForwardStrand()
+  {
+    return isForwardStrand(getFromRanges());
+  }
+
+  /**
+   * Returns true if mapping is to forward strand, false if to reverse strand.
+   * Result is just based on the first 'to' range that is not a single position.
+   * Default is true unless proven to be false. Behaviour is not well defined if
+   * the mapping has a mixture of forward and reverse ranges.
+   * 
+   * @return
+   */
+  public boolean isToForwardStrand()
+  {
+    return isForwardStrand(getToRanges());
+  }
+
+  /**
+   * A helper method that returns true unless at least one range has start >
+   * end. Behaviour is undefined for a mixture of forward and reverse ranges.
+   * 
+   * @param ranges
+   * @return
+   */
+  private boolean isForwardStrand(List<int[]> ranges)
+  {
+    boolean forwardStrand = true;
+    for (int[] range : ranges)
+    {
+      if (range[1] > range[0])
+      {
+        break; // forward strand confirmed
+      }
+      else if (range[1] < range[0])
+      {
+        forwardStrand = false;
+        break; // reverse strand confirmed
+      }
+    }
+    return forwardStrand;
+  }
+
+  /**
+   * 
+   * @return true if from, or to is a three to 1 mapping
+   */
+  public boolean isTripletMap()
+  {
+    return (toRatio == 3 && fromRatio == 1)
+            || (fromRatio == 3 && toRatio == 1);
+  }
+
+  /**
+   * Returns a map which is the composite of this one and the input map. That
+   * is, the output map has the fromRanges of this map, and its toRanges are the
+   * toRanges of this map as transformed by the input map.
+   * <p>
+   * Returns null if the mappings cannot be traversed (not all toRanges of this
+   * map correspond to fromRanges of the input), or if this.toRatio does not
+   * match map.fromRatio.
+   * 
+   * <pre>
+   * Example 1:
+   *    this:   from [1-100] to [501-600]
+   *    input:  from [10-40] to [60-90]
+   *    output: from [10-40] to [560-590]
+   * Example 2 ('reverse strand exons'):
+   *    this:   from [1-100] to [2000-1951], [1000-951] // transcript to loci
+   *    input:  from [1-50]  to [41-90] // CDS to transcript
+   *    output: from [10-40] to [1960-1951], [1000-971] // CDS to gene loci
+   * </pre>
+   * 
+   * @param map
+   * @return
+   */
+  public MapList traverse(MapList map)
+  {
+    if (map == null)
+    {
+      return null;
+    }
+
+    /*
+     * compound the ratios by this rule:
+     * A:B with M:N gives A*M:B*N
+     * reduced by greatest common divisor
+     * so 1:3 with 3:3 is 3:9 or 1:3
+     * 1:3 with 3:1 is 3:3 or 1:1
+     * 1:3 with 1:3 is 1:9
+     * 2:5 with 3:7 is 6:35
+     */
+    int outFromRatio = getFromRatio() * map.getFromRatio();
+    int outToRatio = getToRatio() * map.getToRatio();
+    int gcd = MathUtils.gcd(outFromRatio, outToRatio);
+    outFromRatio /= gcd;
+    outToRatio /= gcd;
+
+    List<int[]> toRanges = new ArrayList<>();
+    for (int[] range : getToRanges())
+    {
+      int[] transferred = map.locateInTo(range[0], range[1]);
+      if (transferred == null || transferred.length % 2 != 0)
+      {
+        return null;
+      }
+
+      /*
+       *  convert [start1, end1, start2, end2, ...] 
+       *  to [[start1, end1], [start2, end2], ...]
+       */
+      for (int i = 0; i < transferred.length;)
+      {
+        toRanges.add(new int[] { transferred[i], transferred[i + 1] });
+        i += 2;
+      }
+    }
+
+    return new MapList(getFromRanges(), toRanges, outFromRatio, outToRatio);
+  }
+
+  /**
+   * Answers true if the mapping is from one contiguous range to another, else
+   * false
+   * 
+   * @return
+   */
+  public boolean isContiguous()
+  {
+    return fromShifts.size() == 1 && toShifts.size() == 1;
+  }
+
+  /**
+   * Returns the [start, end...] positions in the range mapped from, that are
+   * mapped to by part or all of the given begin-end of the range mapped to.
+   * Returns null if begin-end does not overlap any position mapped to.
+   * 
+   * @param begin
+   * @param end
+   * @return
+   */
+  public int[] getOverlapsInFrom(final int begin, final int end)
+  {
+    int[] overlaps = MappingUtils.findOverlap(toShifts, begin, end);
+
+    return overlaps == null ? null : locateInFrom(overlaps[0], overlaps[1]);
+  }
+
+  /**
+   * Returns the [start, end...] positions in the range mapped to, that are
+   * mapped to by part or all of the given begin-end of the range mapped from.
+   * Returns null if begin-end does not overlap any position mapped from.
+   * 
+   * @param begin
+   * @param end
+   * @return
+   */
+  public int[] getOverlapsInTo(final int begin, final int end)
+  {
+    int[] overlaps = MappingUtils.findOverlap(fromShifts, begin, end);
+
+    return overlaps == null ? null : locateInTo(overlaps[0], overlaps[1]);
   }
 }