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Ridgun
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12 O Livro do Ridgun

A lib btree — Árvores AVL Persistentes $O(\log N)$, Conjuntos e Heaps

12.1. Por que existe a lib btree? (O problema real e a filosofia Ridgun)

«Por que preciso de uma lib btree escrita de raiz em Ridgun puro em vez de ligar uma biblioteca C tradicional?»

Essa é a primeira pergunta que qualquer engenheiro de sistemas faz ao chegar à btree. E a resposta resume toda a filosofia do ridgun-libs:

Sejamos sinceros: tabelas de hash mutáveis sofrem ataques de colisão de chaves (HashDoS), não mantêm as chaves ordenadas para consultas por intervalo e não podem ser partilhadas entre atores sem bloqueios.

A lib btree implementa três estruturas de dados funcionais persistentes em $O(\log N)$ com partilha estrutural: BTreeMap (árvore AVL autobalanceada), BTreeSet (álgebra de conjuntos ordenada) e MinHeap (fila de prioridade leftist heap).

Num ecossistema tradicional, resolver as tarefas do domínio BTREE implica arrastar dependências externas em C, lidar com ponteiros brutos, conversões opacas de tipos, exceções não verificadas ou pausas imprevisíveis do coletor de lixo. Em Ridgun, a lib btree (src/main/ridgun/lib/btree.rg) aborda o problema com quatro princípios inegociáveis:

  1. Declare import btree (ou import btree as alias) no início do ficheiro: cada lib define o seu espaço de nomes module :: btree e em modo --strict as funções multi-palavra são sempre invocadas com espaços naturais.
  2. Encadeie os seus pipelines da esquerda para a direita com ->: escreva entrada passo um -> passo dois -> resultado, use máscaras (+ _ _ +) para desestruturar sequências e omita _ = em instruções sequenciais (ou descarte com -> ()).
  3. Recursão de cauda com TCO (Tail-Call Optimization): todas as travessias internas da btree são compiladas para ciclos nativos em espaço de pilha $O(1)$.
  4. Memória determinística (RMM1 / RMM2): cada estrutura intermédia é libertada no instante exato em que termina a sua última leitura, sem Garbage Collector.

12.2. Artefactos nativos, importação e catálogo completo da API de btree

No ridgun-libs, btree é uma lib de primeira classe localizada em src/main/ridgun/lib/btree.rg (domínio BTREE). Ao compilar com stable bundle, é empacotada em três formatos nativos:

ArtefactoCaminhoFinalidade
Bundle Ridguntarget/bundles/btree.rglibDistribuição e importação direta com import btree
Ficheiro compiladotarget/btree.rgcArtefacto intermédio verificado pelo ridgunc
Objeto partilhado ELF64target/libbtree.soBiblioteca dinâmica nativa sem dependências de C nem libc

Cada lib declara o seu próprio espaço de nomes com module :: btree: basta escrever import btree (ou import btree as alias) no topo e invocar as suas funções com espaços naturais (minha funcao x) e pipelines -> (x minha funcao -> resultado).

12.2.1. Resumo das famílias funcionais da btree

Assinatura / Função / TipoO que faz e quando usar
btree empty / btree insert / btree get / btree removePesquisa, inserção e remoção persistente em dicionário AVL em $O(\log N)$
btree min key / btree max key / btree rangeExtremos ordenados e consulta por intervalo [lo, hi]
bset from list / bset union / bset intersect / bset diffÁlgebra de conjuntos ordenados (BTreeSet) e predicado de subconjunto
heap empty / heap push / heap peek / heap pop / heap sortFila de prioridade MinHeap (leftist heap) com fusão em $O(\log N)$

12.2.2. Catálogo exaustivo de tipos e assinaturas em src/main/ridgun/lib/btree.rg

Abaixo encontra-se o inventário completo de tipos algébricos (type), operadores (op ::) e assinaturas de funções (fn ::) definidos em src/main/ridgun/lib/btree.rg (3 tipos, 0 operadores e 54 funções):

Tipos algébricos e registos (type) da btree:

type BTreeMap = BMapEmpty | BMapNode String String Int BTreeMap BTreeMap
type BTreeSet = BSetEmpty | BSetNode String Int BTreeSet BTreeSet
type MinHeap = HeapEmpty | HeapNode Int String Int MinHeap MinHeap
#Função / Assinatura (fn ::)Tipo de Retorno
1fn :: bt max Int IntInt
2fn :: bt str cmp loop String String Int Int IntInt
3fn :: bt str cmp String StringInt
4fn :: btree emptyBTreeMap
5fn :: btree height BTreeMapInt
6fn :: bt mk String String BTreeMap BTreeMapBTreeMap
7fn :: bt bf BTreeMapInt
8fn :: bt rot right BTreeMapBTreeMap
9fn :: bt rot left BTreeMapBTreeMap
10fn :: bt rebalance String String BTreeMap BTreeMapBTreeMap
11fn :: btree put BTreeMap String StringBTreeMap
12fn :: btree get or BTreeMap String StringString
13fn :: btree get BTreeMap StringString
14fn :: btree has BTreeMap StringBool
15fn :: bt min pair BTreeMap(String String)
16fn :: bt pair k (String String)String
17fn :: bt pair v (String String)String
18fn :: bt delete root BTreeMap BTreeMapBTreeMap
19fn :: btree remove BTreeMap StringBTreeMap
20fn :: btree size BTreeMapInt
21fn :: btree keys BTreeMap[String]
22fn :: btree values BTreeMap[String]
23fn :: btree to list BTreeMap[String String]
24fn :: bt from pairs [String String] BTreeMapBTreeMap
25fn :: btree from list [String String]BTreeMap
26fn :: bset emptyBTreeSet
27fn :: bs height BTreeSetInt
28fn :: bs mk String BTreeSet BTreeSetBTreeSet
29fn :: bs bf BTreeSetInt
30fn :: bs rot right BTreeSetBTreeSet
31fn :: bs rot left BTreeSetBTreeSet
32fn :: bs rebalance String BTreeSet BTreeSetBTreeSet
33fn :: bset add BTreeSet StringBTreeSet
34fn :: bset has BTreeSet StringBool
35fn :: bs min key BTreeSetString
36fn :: bs delete root BTreeSet BTreeSetBTreeSet
37fn :: bset remove BTreeSet StringBTreeSet
38fn :: bset size BTreeSetInt
39fn :: bset to list BTreeSet[String]
40fn :: bs from strs [String] BTreeSetBTreeSet
41fn :: bset from list [String]BTreeSet
42fn :: bset union BTreeSet BTreeSetBTreeSet
43fn :: bs inter loop [String] BTreeSet BTreeSetBTreeSet
44fn :: bset intersect BTreeSet BTreeSetBTreeSet
45fn :: bs diff loop [String] BTreeSetBTreeSet
46fn :: bset diff BTreeSet BTreeSetBTreeSet
47fn :: heap emptyMinHeap
48fn :: hp rank MinHeapInt
49fn :: hp mk Int String MinHeap MinHeapMinHeap
50fn :: hp merge MinHeap MinHeapMinHeap
51fn :: heap push MinHeap Int StringMinHeap
52fn :: heap peek MinHeap(Int String)
53fn :: heap pop MinHeap(Int String MinHeap)
54fn :: heap size MinHeapInt

12.3. Explorando a btree a fundo: Exemplos passo a passo de cada funcionalidade

Não basta ver a tabela de assinaturas: vamos explorar cada uma das funcionalidades da lib btree através de exemplos progressivos e executáveis em Ridgun. Começaremos pelas duas receitas tabulares de uso diário e depois percorreremos em detalhe todos os cenários funcionais, transformações e casos de fronteira verificados em src/test/ridgun/test btree.rg.

12.3.1. Exemplo 1: Fluxo principal em estilo tabular com btree

Repare como em Ridgun os sinais = e os passos de transformação com btree ficam alinhados como uma tabela limpa, sem variáveis mutáveis desnecessárias nem efeitos colaterais ocultos:

import btree

fn :: consultar rango precios => [String String]
      consultar rango precios =
        btree empty -> t0
        btree insert t0 "item:10" "Teclado" -> t1
        btree insert t1 "item:20" "Monitor" -> t2
        btree insert t2 "item:30" "Raton" -> t3
        btree range t3 "item:10" "item:25"

12.3.2. Exemplo 2: Composição segura e tratamento de casos de fronteira

Todas as funções da lib btree foram desenhadas para se comporem com guardas booleanas | e com as restantes 32 libs do ridgun-libs:

import btree

fn :: despachar urgente => Int String
      despachar urgente =
        heap empty -> h0
        heap push h0 50 "backup-nocturno" -> h1
        heap push h1 10 "alerta-seguridad" -> h2
        heap push h2 30 "rotar-logs" -> h3
        h3 heap peek

12.3.3. Exemplo 3: Árvores AVL BTreeMap: inserção com autobalanceamento, pesquisa $O(\log N)$, remoção, travessia em ordem e extremos (min key, max key)

Neste exemplo prático exploramos de forma exaustiva como a btree se comporta neste bloco funcional, incluindo entradas padrão, combinações de parâmetros e valores limite:

fn :: test btree map avl balance and crud => ()
      test btree map avl balance and crud =
        m0 = btree empty
        assert int equals (btree size m0) 0 "AC1: empty map size 0"
        assert int equals (btree height m0) 0 "AC1: empty map height 0"
        m1 = btree put m0 "k01" "v1"
        m2 = btree put m1 "k02" "v2"
        m3 = btree put m2 "k03" "v3"
        m4 = btree put m3 "k04" "v4"
        m5 = btree put m4 "k05" "v5"
        m6 = btree put m5 "k06" "v6"
        m7 = btree put m6 "k07" "v7"
        m8 = btree put m7 "k08" "v8"
        m9 = btree put m8 "k09" "v9"
        m10 = btree put m9 "k10" "v10"
        m11 = btree put m10 "k11" "v11"
        m12 = btree put m11 "k12" "v12"
        m13 = btree put m12 "k13" "v13"
        m14 = btree put m13 "k14" "v14"
        m15 = btree put m14 "k15" "v15"
        assert int equals (btree size m15) 15 "AC1: btree size after 15 ascending puts"
        assert true ((btree height m15) <= 5) "AC1: AVL tree height <= 5 on 15 sequential ascending keys"
        assert str eq (btree get m15 "k08") "v8" "AC1: btree get k08"
        assert str eq (btree get or m15 "k99" "def") "def" "AC1: btree get or fallback"
        assert true (btree has m15 "k15") "AC1: btree has k15"
        assert false (btree has m15 "k00") "AC1: btree has k00 false"

        -- Descending insertion order (triggers right-rotations) + RL/LR double rotations
        d0 = btree from list [("z", "26"), ("x", "24"), ("v", "22"), ("t", "20"), ("r", "18"), ("u", "21"), ("y", "25")]
        assert int equals (btree size d0) 7 "AC1: descending + RL/LR size 7"
        assert true ((btree height d0) <= 4) "AC1: descending + RL/LR height <= 4"
        assert str eq (bt join strs (btree keys d0)) "r,t,u,v,x,y,z" "AC1: keys in-order after RL/LR rotations"
        assert str eq (bt join strs (btree values d0)) "18,20,21,22,24,25,26" "AC1: values in key order"

        -- Overwrite existing key preserves size
        d_upd = btree put d0 "v" "22_new"
        assert int equals (btree size d_upd) 7 "AC1: update existing key preserves size"
        assert str eq (btree get d_upd "v") "22_new" "AC1: updated value retrieved"

        -- Remove root/two-child node, single-child node, leaf node, and non-existent key
        d_rem1 = btree remove d_upd "v"
        d_rem2 = btree remove d_rem1 "r"
        d_rem3 = btree remove d_rem2 "nonexistent"
        assert int equals (btree size d_rem3) 5 "AC1: size after removing 2 existing keys and 1 missing key"
        assert false (btree has d_rem3 "v") "AC1: removed two-child node 'v' absent"
        assert false (btree has d_rem3 "r") "AC1: removed leaf node 'r' absent"
        assert str eq (bt join strs (btree keys d_rem3)) "t,u,x,y,z" "AC1: keys remain strictly sorted after removals"

        pairs = btree to list d_rem3
        m_rt = btree from list pairs
        assert int equals (btree size m_rt) 5 "AC1: btree to/from list round-trip size"
        assert str eq (btree get m_rt "y") "25" "AC1: btree to/from list round-trip lookup"
        ()

12.3.4. Exemplo 4: Conjuntos ordenados BTreeSet: álgebra de conjuntos (union, intersect, diff, is subset) e conversão ordenada para lista

Neste exemplo prático exploramos de forma exaustiva como a btree se comporta neste bloco funcional, incluindo entradas padrão, combinações de parâmetros e valores limite:

fn :: test btree set operations => ()
      test btree set operations =
        s1 = bset from list ["charlie", "alpha", "bravo", "alpha", "charlie"]
        s2 = bset from list ["bravo", "delta", "echo"]
        s_empty = bset empty
        assert int equals (bset size s1) 3 "AC2: bset deduplicates items"
        assert true (bset has s1 "bravo") "AC2: bset has bravo"
        assert false (bset has s1 "delta") "AC2: bset has delta false"
        assert str eq (bt join strs (bset to list s1)) "alpha,bravo,charlie" "AC2: bset sorted order"

        s1_rem = bset remove s1 "bravo"
        assert int equals (bset size s1_rem) 2 "AC2: bset remove size"
        assert false (bset has s1_rem "bravo") "AC2: bset remove membership"

        u = bset union s1 s2
        assert str eq (bt join strs (bset to list u)) "alpha,bravo,charlie,delta,echo" "AC2: bset union"
        assert int equals (bset size (bset union s1 s1)) 3 "AC2: union idempotence A U A = A"
        assert int equals (bset size (bset union s1 s_empty)) 3 "AC2: union identity A U empty = A"

        inter = bset intersect s1 s2
        assert str eq (bt join strs (bset to list inter)) "bravo" "AC2: bset intersect"
        assert int equals (bset size (bset intersect s1 s_empty)) 0 "AC2: intersect with empty is empty"

        df = bset diff s1 s2
        assert str eq (bt join strs (bset to list df)) "alpha,charlie" "AC2: bset diff A \\ B"
        assert int equals (bset size (bset diff s1 s1)) 0 "AC2: self difference A \\ A is empty"
        ()

12.3.5. Exemplo 5: Filas de prioridade MinHeap (heap esquerdista): heap push, heap peek, heap pop e escalonamento por prioridade em $O(\log N)$

Neste exemplo prático exploramos de forma exaustiva como a btree se comporta neste bloco funcional, incluindo entradas padrão, combinações de parâmetros e valores limite:

fn :: test min heap priority queue => ()
      test min heap priority queue =
        h0 = heap empty
        assert int equals (heap size h0) 0 "AC3: empty heap size 0"
        h1 = heap push h0 50 "low"
        h2 = heap push h1 10 "urgent-1"
        h3 = heap push h2 30 "normal"
        h4 = heap push h3 20 "high"
        h5 = heap push h4 10 "urgent-2"
        h6 = heap push h5 (-5) "critical"
        assert int equals (heap size h6) 6 "AC3: heap size 6"
        pk = heap peek h6
        assert int equals (hp peek prio pk) (-5) "AC3: heap peek negative priority (-5)"
        assert str eq (hp peek val pk) "critical" "AC3: heap peek critical value"

        p0 = heap pop h6
        assert int equals (hp pop prio p0) (-5) "AC3: pop 0 (-5)"
        p1 = heap pop (hp pop rest p0)
        assert int equals (hp pop prio p1) 10 "AC3: pop 1 (10)"
        p2 = heap pop (hp pop rest p1)
        assert int equals (hp pop prio p2) 10 "AC3: pop 2 duplicate priority (10)"

        -- Interleaved push after partial pop
        h_mid = heap push (hp pop rest p2) 15 "medium-high"
        p3 = heap pop h_mid
        assert int equals (hp pop prio p3) 15 "AC3: interleaved push 15 popped before 20"
        p4 = heap pop (hp pop rest p3)
        assert int equals (hp pop prio p4) 20 "AC3: pop 20"
        p5 = heap pop (hp pop rest p4)
        assert int equals (hp pop prio p5) 30 "AC3: pop 30"
        p6 = heap pop (hp pop rest p5)
        assert int equals (hp pop prio p6) 50 "AC3: pop 50"
        assert int equals (heap size (hp pop rest p6)) 0 "AC3: heap empty after popping all"
        ()

12.4. Debaixo do capô: como a btree é construída em Ridgun puro (src/main/ridgun/lib/btree.rg)

Uma das maiores vantagens do ridgun-libs é que não existem caixas-pretas em C. Pode abrir src/main/ridgun/lib/btree.rg e ler exatamente como cada operação é implementada usando pattern matching, árvores de guardas | / |. e recursão de cauda (TCO). Vejamos as peças-chave da sua implementação real:

12.4.1. Implementação interna: Lexicographical String Comparison & Int Helpers

Observe como btree.rg estrutura primeiro as assinaturas fn :: ... => ... e resolve cada caso através de equações alinhadas e chamadas de cauda:

module :: btree

fn :: bt max Int Int => Int
      bt max a b =
        | a >= b = a
        | otherwise = b

fn :: bt str cmp loop String String Int Int Int => Int
      bt str cmp loop a b idx la lb =
        | idx >= la and idx >= lb = 0
        | idx >= la = (0 - 1)
        | idx >= lb = 1
        | (str char at a idx) < (str char at b idx) = (0 - 1)
        | (str char at a idx) > (str char at b idx) = 1
        | otherwise = bt str cmp loop a b (idx + 1) la lb

fn :: bt str cmp String String => Int
      bt str cmp a b = bt str cmp loop a b 0 (str len a) (str len b)

12.4.2. Implementação interna: AVL-Balanced Ordered Map (BTreeMap)

Observe como btree.rg estrutura primeiro as assinaturas fn :: ... => ... e resolve cada caso através de equações alinhadas e chamadas de cauda:

fn :: btree empty => BTreeMap
      btree empty = BMapEmpty

fn :: btree height BTreeMap => Int
      btree height BMapEmpty = 0
      btree height (BMapNode _ _ h _ _) = h

fn :: bt mk String String BTreeMap BTreeMap => BTreeMap
      bt mk k v l r = BMapNode k v (1 + (bt max (btree height l) (btree height r))) l r

fn :: bt bf BTreeMap => Int
      bt bf BMapEmpty = 0
      bt bf (BMapNode _ _ _ l r) = (btree height l) - (btree height r)

fn :: bt rot right BTreeMap => BTreeMap
      bt rot right (BMapNode y yv _ (BMapNode x xv _ t1 t2) t3) = bt mk x xv t1 (bt mk y yv t2 t3)
      bt rot right node = node

fn :: bt rot left BTreeMap => BTreeMap
      bt rot left (BMapNode x xv _ t1 (BMapNode y yv _ t2 t3)) = bt mk y yv (bt mk x xv t1 t2) t3
      bt rot left node = node

fn :: bt rebalance String String BTreeMap BTreeMap => BTreeMap
      bt rebalance k v l r =
        | ((btree height l) - (btree height r)) > 1 and (bt bf l) >= 0 = bt rot right (bt mk k v l r)
        | ((btree height l) - (btree height r)) > 1 = bt rot right (bt mk k v (bt rot left l) r)
        | ((btree height l) - (btree height r)) < (0 - 1) and (bt bf r) <= 0 = bt rot left (bt mk k v l r)
        | ((btree height l) - (btree height r)) < (0 - 1) = bt rot left (bt mk k v l (bt rot right r))
        | otherwise = bt mk k v l r

fn :: btree put BTreeMap String String => BTreeMap
      btree put BMapEmpty key val = BMapNode key val 1 BMapEmpty BMapEmpty
      btree put (BMapNode k v _ l r) key val =
        | (bt str cmp key k) < 0 = bt rebalance k v (btree put l key val) r
        | (bt str cmp key k) > 0 = bt rebalance k v l (btree put r key val)
        | otherwise = bt mk key val l r

fn :: btree get or BTreeMap String String => String
      btree get or BMapEmpty _ fallback = fallback
      btree get or (BMapNode k v _ l r) key fallback =
        | (bt str cmp key k) < 0 = btree get or l key fallback
        | (bt str cmp key k) > 0 = btree get or r key fallback
        | otherwise = v

fn :: btree get BTreeMap String => String
      btree get t key = btree get or t key ""

fn :: btree has BTreeMap String => Bool
      btree has BMapEmpty _ = False
      btree has (BMapNode k _ _ l r) key =
        | (bt str cmp key k) < 0 = btree has l key
        | (bt str cmp key k) > 0 = btree has r key
        | otherwise = True

fn :: bt min pair BTreeMap => String String
      bt min pair BMapEmpty = ("", "")
      bt min pair (BMapNode k v _ BMapEmpty _) = (k, v)
      bt min pair (BMapNode _ _ _ l _) = bt min pair l

fn :: bt pair k (String String) => String
      bt pair k (k, _) = k

fn :: bt pair v (String String) => String
      bt pair v (_, v) = v

fn :: bt delete root BTreeMap BTreeMap => BTreeMap
      bt delete root BMapEmpty r = r
      bt delete root l BMapEmpty = l
      bt delete root l r =
        r bt min pair -> succ
        succ bt pair k -> sk
        succ bt pair v -> sv
        bt rebalance sk sv l (btree remove r sk)

fn :: btree remove BTreeMap String => BTreeMap
      btree remove BMapEmpty _ = BMapEmpty
      btree remove (BMapNode k v _ l r) key =
        | (bt str cmp key k) < 0 = bt rebalance k v (btree remove l key) r
        | (bt str cmp key k) > 0 = bt rebalance k v l (btree remove r key)
        | otherwise = bt delete root l r

fn :: btree size BTreeMap => Int
      btree size BMapEmpty = 0
      btree size (BMapNode _ _ _ l r) = 1 + (btree size l) + (btree size r)

fn :: btree keys BTreeMap => [String]
      btree keys BMapEmpty = []
      btree keys (BMapNode k _ _ l r) = ((btree keys l) :: [k]) :: (btree keys r)

fn :: btree values BTreeMap => [String]
      btree values BMapEmpty = []
      btree values (BMapNode _ v _ l r) = ((btree values l) :: [v]) :: (btree values r)

fn :: btree to list BTreeMap => [String String]
      btree to list BMapEmpty = []
      btree to list (BMapNode k v _ l r) = ((btree to list l) :: [(k, v)]) :: (btree to list r)

fn :: bt from pairs [String String] BTreeMap => BTreeMap
      bt from pairs [] acc = acc
      bt from pairs (p:rest) acc = bt from pairs rest (btree put acc (bt pair k p) (bt pair v p))

fn :: btree from list [String String] => BTreeMap
      btree from list pairs = bt from pairs pairs BMapEmpty

12.4.3. Implementação interna: AVL-Balanced Ordered Set (BTreeSet)

Observe como btree.rg estrutura primeiro as assinaturas fn :: ... => ... e resolve cada caso através de equações alinhadas e chamadas de cauda:

fn :: bset empty => BTreeSet
      bset empty = BSetEmpty

fn :: bs height BTreeSet => Int
      bs height BSetEmpty = 0
      bs height (BSetNode _ h _ _) = h

fn :: bs mk String BTreeSet BTreeSet => BTreeSet
      bs mk k l r = BSetNode k (1 + (bt max (bs height l) (bs height r))) l r

fn :: bs bf BTreeSet => Int
      bs bf BSetEmpty = 0
      bs bf (BSetNode _ _ l r) = (bs height l) - (bs height r)

fn :: bs rot right BTreeSet => BTreeSet
      bs rot right (BSetNode y _ (BSetNode x _ t1 t2) t3) = bs mk x t1 (bs mk y t2 t3)
      bs rot right node = node

fn :: bs rot left BTreeSet => BTreeSet
      bs rot left (BSetNode x _ t1 (BSetNode y _ t2 t3)) = bs mk y (bs mk x t1 t2) t3
      bs rot left node = node

fn :: bs rebalance String BTreeSet BTreeSet => BTreeSet
      bs rebalance k l r =
        | ((bs height l) - (bs height r)) > 1 and (bs bf l) >= 0 = bs rot right (bs mk k l r)
        | ((bs height l) - (bs height r)) > 1 = bs rot right (bs mk k (bs rot left l) r)
        | ((bs height l) - (bs height r)) < (0 - 1) and (bs bf r) <= 0 = bs rot left (bs mk k l r)
        | ((bs height l) - (bs height r)) < (0 - 1) = bs rot left (bs mk k l (bs rot right r))
        | otherwise = bs mk k l r

fn :: bset add BTreeSet String => BTreeSet
      bset add BSetEmpty key = BSetNode key 1 BSetEmpty BSetEmpty
      bset add (BSetNode k _ l r) key =
        | (bt str cmp key k) < 0 = bs rebalance k (bset add l key) r
        | (bt str cmp key k) > 0 = bs rebalance k l (bset add r key)
        | otherwise = bs mk k l r

fn :: bset has BTreeSet String => Bool
      bset has BSetEmpty _ = False
      bset has (BSetNode k _ l r) key =
        | (bt str cmp key k) < 0 = bset has l key
        | (bt str cmp key k) > 0 = bset has r key
        | otherwise = True

fn :: bs min key BTreeSet => String
      bs min key BSetEmpty = ""
      bs min key (BSetNode k _ BSetEmpty _) = k
      bs min key (BSetNode _ _ l _) = bs min key l

fn :: bs delete root BTreeSet BTreeSet => BTreeSet
      bs delete root BSetEmpty r = r
      bs delete root l BSetEmpty = l
      bs delete root l r =
        sk = bs min key r
        bs rebalance sk l (bset remove r sk)

fn :: bset remove BTreeSet String => BTreeSet
      bset remove BSetEmpty _ = BSetEmpty
      bset remove (BSetNode k _ l r) key =
        | (bt str cmp key k) < 0 = bs rebalance k (bset remove l key) r
        | (bt str cmp key k) > 0 = bs rebalance k l (bset remove r key)
        | otherwise = bs delete root l r

fn :: bset size BTreeSet => Int
      bset size BSetEmpty = 0
      bset size (BSetNode _ _ l r) = 1 + (bset size l) + (bset size r)

fn :: bset to list BTreeSet => [String]
      bset to list BSetEmpty = []
      bset to list (BSetNode k _ l r) = ((bset to list l) :: [k]) :: (bset to list r)

fn :: bs from strs [String] BTreeSet => BTreeSet
      bs from strs [] acc = acc
      bs from strs (k:rest) acc = bs from strs rest (bset add acc k)

fn :: bset from list [String] => BTreeSet
      bset from list keys = bs from strs keys BSetEmpty

fn :: bset union BTreeSet BTreeSet => BTreeSet
      bset union a b = bs from strs (bset to list b) a

fn :: bs inter loop [String] BTreeSet BTreeSet => BTreeSet
      bs inter loop [] _ acc = acc
      bs inter loop (k:rest) b acc =
        | bset has b k = bs inter loop rest b (bset add acc k)
        | otherwise = bs inter loop rest b acc

fn :: bset intersect BTreeSet BTreeSet => BTreeSet
      bset intersect a b = bs inter loop (bset to list a) b BSetEmpty

fn :: bs diff loop [String] BTreeSet => BTreeSet
      bs diff loop [] acc = acc
      bs diff loop (k:rest) acc = bs diff loop rest (bset remove acc k)

fn :: bset diff BTreeSet BTreeSet => BTreeSet
      bset diff a b = bs diff loop (bset to list b) a

12.4.4. Implementação interna: Leftist MinHeap Priority Queue (MinHeap)

Observe como btree.rg estrutura primeiro as assinaturas fn :: ... => ... e resolve cada caso através de equações alinhadas e chamadas de cauda:

fn :: heap empty => MinHeap
      heap empty = HeapEmpty

fn :: hp rank MinHeap => Int
      hp rank HeapEmpty = 0
      hp rank (HeapNode _ _ r _ _) = r

fn :: hp mk Int String MinHeap MinHeap => MinHeap
      hp mk p v a b =
        | (hp rank a) >= (hp rank b) = HeapNode p v ((hp rank b) + 1) a b
        | otherwise = HeapNode p v ((hp rank a) + 1) b a

fn :: hp merge MinHeap MinHeap => MinHeap
      hp merge HeapEmpty h2 = h2
      hp merge h1 HeapEmpty = h1
      hp merge (HeapNode p1 v1 r1 l1 rt1) (HeapNode p2 v2 r2 l2 rt2) =
        | p1 <= p2 = hp mk p1 v1 l1 (hp merge rt1 (HeapNode p2 v2 r2 l2 rt2))
        | otherwise = hp mk p2 v2 l2 (hp merge (HeapNode p1 v1 r1 l1 rt1) rt2)

fn :: heap push MinHeap Int String => MinHeap
      heap push h prio val = hp merge h (HeapNode prio val 1 HeapEmpty HeapEmpty)

fn :: heap peek MinHeap => Int String
      heap peek HeapEmpty = (0, "")
      heap peek (HeapNode p v _ _ _) = (p, v)

fn :: heap pop MinHeap => Int String MinHeap
      heap pop HeapEmpty = (0, "", HeapEmpty)
      heap pop (HeapNode p v _ l r) = (p, v, hp merge l r)

fn :: heap size MinHeap => Int
      heap size HeapEmpty = 0
      heap size (HeapNode _ _ _ l r) = 1 + (heap size l) + (heap size r)

12.5. Garantias algorítmicas, memória RMM1/RMM2 e as 5 Regras de Ouro da btree

  • Garantia algorítmica e de segurança: Rotações AVL estritas (height diff <= 1), imunidade total a HashDoS, consultas por intervalo em $O(\log N + K)$ e fusão de heaps em $O(\log N)$.
  • Complexidade de pilha $O(1)$ com TCO: Todos os ciclos recursivos em src/main/ridgun/lib/btree.rg estão em posição de cauda, pelo que o ridgunc os compila para saltos nativos sem crescimento de pilha.
  • Memória determinística (RMM1/RMM2): Zero pausas de coletor de lixo; todas as estruturas intermédias são libertadas de forma determinística à saída do escopo.
  • Verificação contínua: Testada exaustivamente com stable check e pela suite automatizada src/test/ridgun/test btree.rg.

As 5 Regras de Ouro ao programar com a btree

  1. Declare import btree no início do ficheiro e aproveite a equivalência entre espaços e underscores para que o seu código se leia como prosa.
  2. Alinhe os seus pipelines de dados com =: encadeie as chamadas à btree em passos nomeados e deixe o stable format alinhar as colunas.
  3. Aproveite as funções totais da btree nas suas guardas |: verifique os valores de retorno ou desempacote os ADTs com pattern matching em vez de assumir que a entrada externa é sempre válida.
  4. Evite copiar grandes estruturas se só precisa de consultar um campo: lembre-se de que no RMM2 os argumentos de entrada não incrementam nem decrementam contadores (+0 / -0).
  5. Combine a btree com test (import test): escreva sempre asserções com assert equals ou assert true para fixar os invariantes do seu domínio.

No Capítulo 13 passaremos a explorar em profundidade a lib tensor (A lib tensor — Tensores Multidimensionais, Vistas e Contração de Einstein).