[project @ 2005-01-13 10:37:35 by simonmar]
[ghc-base.git] / Data / Set.hs
index 3c81002..e515667 100644 (file)
------------------------------------------------------------------------------
--- |
--- Module      :  Data.Set
--- Copyright   :  (c) The University of Glasgow 2001
--- License     :  BSD-style (see the file libraries/base/LICENSE)
--- 
--- Maintainer  :  libraries@haskell.org
--- Stability   :  provisional
--- Portability :  portable
---
--- An implementation of sets, based on the "Data.FiniteMap".
---
------------------------------------------------------------------------------
+{-| Module      :  Data.Set
+    Copyright   :  (c) Daan Leijen 2002
+    License     :  BSD-style
+    Maintainer  :  libraries@haskell.org
+    Stability   :  provisional
+    Portability :  portable
+
+  An efficient implementation of sets. 
+
+  This module is intended to be imported @qualified@, to avoid name
+  clashes with Prelude functions.  eg.
+
+  >  import Data.Set as Set
+
+  The implementation of "Set" is based on /size balanced/ binary trees (or
+  trees of /bounded balance/) as described by:
+
+     * Stephen Adams, \"/Efficient sets: a balancing act/\", Journal of Functional
+       Programming 3(4):553-562, October 1993, <http://www.swiss.ai.mit.edu/~adams/BB>.
+
+     * J. Nievergelt and E.M. Reingold, \"/Binary search trees of bounded balance/\",
+       SIAM journal of computing 2(1), March 1973.
+
+  Note that the implementation is /left-biased/ -- the elements of a
+  first argument are always perferred to the second, for example in
+  'union' or 'insert'.  Of course, left-biasing can only be observed
+  when equality an equivalence relation instead of structural
+  equality.
+-}
+---------------------------------------------------------------------------------
+module Data.Set  ( 
+            -- * Set type
+              Set          -- instance Eq,Show
+
+            -- * Operators
+            , (\\)
 
-module Data.Set (
-       -- * The @Set@ type
-       Set,            -- abstract, instance of: Eq
+            -- * Query
+            , null
+            , size
+            , member
+            , isSubsetOf
+            , isProperSubsetOf
+            
+            -- * Construction
+            , empty
+            , singleton
+            , insert
+            , delete
+            
+            -- * Combine
+            , union, unions
+            , difference
+            , intersection
+            
+            -- * Filter
+            , filter
+            , partition
+            , split
+            , splitMember
 
-       -- * Construction
-       emptySet,       -- :: Set a
+            -- * Map
+           , map
+           , mapMonotonic
+
+            -- * Fold
+            , fold
+
+            -- * Min\/Max
+            , findMin
+            , findMax
+            , deleteMin
+            , deleteMax
+            , deleteFindMin
+            , deleteFindMax
+
+            -- * Conversion
+
+            -- ** List
+            , elems
+            , toList
+            , fromList
+            
+            -- ** Ordered list
+            , toAscList
+            , fromAscList
+            , fromDistinctAscList
+                        
+            -- * Debugging
+            , showTree
+            , showTreeWith
+            , valid
+
+       -- * Old interface, DEPRECATED
+       ,emptySet,       -- :: Set a
        mkSet,          -- :: Ord a => [a]  -> Set a
        setToList,      -- :: Set a -> [a] 
        unitSet,        -- :: a -> Set a
-
-       -- * Inspection
        elementOf,      -- :: Ord a => a -> Set a -> Bool
        isEmptySet,     -- :: Set a -> Bool
        cardinality,    -- :: Set a -> Int
-
-       -- * Operations
-       union,          -- :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
        unionManySets,  -- :: Ord a => [Set a] -> Set a
        minusSet,       -- :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
        mapSet,         -- :: Ord a => (b -> a) -> Set b -> Set a
        intersect,      -- :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
        addToSet,       -- :: Ord a => Set a -> a -> Set a
        delFromSet,     -- :: Ord a => Set a -> a -> Set a
-    ) where
+            ) where
 
-import Prelude
+import Prelude hiding (filter,foldr,foldl,null,map)
+import Data.Monoid
+import qualified Data.List as List
 
-import Data.FiniteMap
-import Data.Maybe
+{-
+-- just for testing
+import QuickCheck 
+import List (nub,sort)
+import qualified List
+-}
 
--- This can't be a type synonym if you want to use constructor classes.
-newtype Set a = MkSet (FiniteMap a ())
+{--------------------------------------------------------------------
+  Operators
+--------------------------------------------------------------------}
+infixl 9 \\ --
 
-emptySet :: Set a
-emptySet = MkSet emptyFM
+-- | /O(n+m)/. See 'difference'.
+(\\) :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
+m1 \\ m2 = difference m1 m2
 
-unitSet :: a -> Set a
-unitSet x = MkSet (unitFM x ())
+{--------------------------------------------------------------------
+  Sets are size balanced trees
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | A set of values @a@.
+data Set a    = Tip 
+              | Bin {-# UNPACK #-} !Size a !(Set a) !(Set a) 
 
-setToList :: Set a -> [a]
-setToList (MkSet set) = keysFM set
+type Size     = Int
 
-mkSet :: Ord a => [a]  -> Set a
-mkSet xs = MkSet (listToFM [ (x, ()) | x <- xs])
+{--------------------------------------------------------------------
+  Query
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(1)/. Is this the empty set?
+null :: Set a -> Bool
+null t
+  = case t of
+      Tip           -> True
+      Bin sz x l r  -> False
 
+-- | /O(1)/. The number of elements in the set.
+size :: Set a -> Int
+size t
+  = case t of
+      Tip           -> 0
+      Bin sz x l r  -> sz
+
+-- | /O(log n)/. Is the element in the set?
+member :: Ord a => a -> Set a -> Bool
+member x t
+  = case t of
+      Tip -> False
+      Bin sz y l r
+          -> case compare x y of
+               LT -> member x l
+               GT -> member x r
+               EQ -> True       
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Construction
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(1)/. The empty set.
+empty  :: Set a
+empty
+  = Tip
+
+-- | /O(1)/. Create a singleton set.
+singleton :: a -> Set a
+singleton x 
+  = Bin 1 x Tip Tip
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Insertion, Deletion
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(log n)/. Insert an element in a set.
+insert :: Ord a => a -> Set a -> Set a
+insert x t
+  = case t of
+      Tip -> singleton x
+      Bin sz y l r
+          -> case compare x y of
+               LT -> balance y (insert x l) r
+               GT -> balance y l (insert x r)
+               EQ -> Bin sz x l r
+
+
+-- | /O(log n)/. Delete an element from a set.
+delete :: Ord a => a -> Set a -> Set a
+delete x t
+  = case t of
+      Tip -> Tip
+      Bin sz y l r 
+          -> case compare x y of
+               LT -> balance y (delete x l) r
+               GT -> balance y l (delete x r)
+               EQ -> glue l r
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Subset
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(n+m)/. Is this a proper subset? (ie. a subset but not equal).
+isProperSubsetOf :: Ord a => Set a -> Set a -> Bool
+isProperSubsetOf s1 s2
+    = (size s1 < size s2) && (isSubsetOf s1 s2)
+
+
+-- | /O(n+m)/. Is this a subset?
+-- @(s1 `isSubsetOf` s2)@ tells whether s1 is a subset of s2.
+isSubsetOf :: Ord a => Set a -> Set a -> Bool
+isSubsetOf t1 t2
+  = (size t1 <= size t2) && (isSubsetOfX t1 t2)
+
+isSubsetOfX Tip t = True
+isSubsetOfX t Tip = False
+isSubsetOfX (Bin _ x l r) t
+  = found && isSubsetOfX l lt && isSubsetOfX r gt
+  where
+    (found,lt,gt) = splitMember x t
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Minimal, Maximal
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(log n)/. The minimal element of a set.
+findMin :: Set a -> a
+findMin (Bin _ x Tip r) = x
+findMin (Bin _ x l r)   = findMin l
+findMin Tip             = error "Set.findMin: empty set has no minimal element"
+
+-- | /O(log n)/. The maximal element of a set.
+findMax :: Set a -> a
+findMax (Bin _ x l Tip)  = x
+findMax (Bin _ x l r)    = findMax r
+findMax Tip              = error "Set.findMax: empty set has no maximal element"
+
+-- | /O(log n)/. Delete the minimal element.
+deleteMin :: Set a -> Set a
+deleteMin (Bin _ x Tip r) = r
+deleteMin (Bin _ x l r)   = balance x (deleteMin l) r
+deleteMin Tip             = Tip
+
+-- | /O(log n)/. Delete the maximal element.
+deleteMax :: Set a -> Set a
+deleteMax (Bin _ x l Tip) = l
+deleteMax (Bin _ x l r)   = balance x l (deleteMax r)
+deleteMax Tip             = Tip
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Union. 
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | The union of a list of sets: (@unions == foldl union empty@).
+unions :: Ord a => [Set a] -> Set a
+unions ts
+  = foldlStrict union empty ts
+
+
+-- | /O(n+m)/. The union of two sets. Uses the efficient /hedge-union/ algorithm.
+-- Hedge-union is more efficient on (bigset `union` smallset).
 union :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
-union (MkSet set1) (MkSet set2) = MkSet (plusFM set1 set2)
+union Tip t2  = t2
+union t1 Tip  = t1
+union t1 t2
+  | size t1 >= size t2  = hedgeUnion (const LT) (const GT) t1 t2
+  | otherwise           = hedgeUnion (const LT) (const GT) t2 t1
 
-unionManySets :: Ord a => [Set a] -> Set a
-unionManySets ss = foldr union emptySet ss
+hedgeUnion cmplo cmphi t1 Tip 
+  = t1
+hedgeUnion cmplo cmphi Tip (Bin _ x l r)
+  = join x (filterGt cmplo l) (filterLt cmphi r)
+hedgeUnion cmplo cmphi (Bin _ x l r) t2
+  = join x (hedgeUnion cmplo cmpx l (trim cmplo cmpx t2)) 
+           (hedgeUnion cmpx cmphi r (trim cmpx cmphi t2))
+  where
+    cmpx y  = compare x y
 
-minusSet  :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
-minusSet (MkSet set1) (MkSet set2) = MkSet (minusFM set1 set2)
+{--------------------------------------------------------------------
+  Difference
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(n+m)/. Difference of two sets. 
+-- The implementation uses an efficient /hedge/ algorithm comparable with /hedge-union/.
+difference :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
+difference Tip t2  = Tip
+difference t1 Tip  = t1
+difference t1 t2   = hedgeDiff (const LT) (const GT) t1 t2
 
-intersect :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
-intersect (MkSet set1) (MkSet set2) = MkSet (intersectFM set1 set2)
+hedgeDiff cmplo cmphi Tip t     
+  = Tip
+hedgeDiff cmplo cmphi (Bin _ x l r) Tip 
+  = join x (filterGt cmplo l) (filterLt cmphi r)
+hedgeDiff cmplo cmphi t (Bin _ x l r) 
+  = merge (hedgeDiff cmplo cmpx (trim cmplo cmpx t) l) 
+          (hedgeDiff cmpx cmphi (trim cmpx cmphi t) r)
+  where
+    cmpx y = compare x y
 
-addToSet :: Ord a => Set a -> a -> Set a
-addToSet (MkSet set) a = MkSet (addToFM set a ())
+{--------------------------------------------------------------------
+  Intersection
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(n+m)/. The intersection of two sets.
+-- Intersection is more efficient on (bigset `intersection` smallset).
+intersection :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
+intersection Tip t = Tip
+intersection t Tip = Tip
+intersection t1 t2
+  | size t1 >= size t2  = intersect' t1 t2
+  | otherwise           = intersect' t2 t1
 
-delFromSet :: Ord a => Set a -> a -> Set a
-delFromSet (MkSet set) a = MkSet (delFromFM set a)
+intersect' Tip t = Tip
+intersect' t Tip = Tip
+intersect' t (Bin _ x l r)
+  | found     = join x tl tr
+  | otherwise = merge tl tr
+  where
+    (found,lt,gt) = splitMember x t
+    tl            = intersect' lt l
+    tr            = intersect' gt r
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Filter and partition
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(n)/. Filter all elements that satisfy the predicate.
+filter :: Ord a => (a -> Bool) -> Set a -> Set a
+filter p Tip = Tip
+filter p (Bin _ x l r)
+  | p x       = join x (filter p l) (filter p r)
+  | otherwise = merge (filter p l) (filter p r)
+
+-- | /O(n)/. Partition the set into two sets, one with all elements that satisfy
+-- the predicate and one with all elements that don't satisfy the predicate.
+-- See also 'split'.
+partition :: Ord a => (a -> Bool) -> Set a -> (Set a,Set a)
+partition p Tip = (Tip,Tip)
+partition p (Bin _ x l r)
+  | p x       = (join x l1 r1,merge l2 r2)
+  | otherwise = (merge l1 r1,join x l2 r2)
+  where
+    (l1,l2) = partition p l
+    (r1,r2) = partition p r
+
+{----------------------------------------------------------------------
+  Map
+----------------------------------------------------------------------}
+
+-- | /O(n*log n)/. 
+-- @map f s@ is the set obtained by applying @f@ to each element of @s@.
+-- 
+-- It's worth noting that the size of the result may be smaller if,
+-- for some @(x,y)@, @x \/= y && f x == f y@
+
+map :: (Ord a, Ord b) => (a->b) -> Set a -> Set b
+map f = fromList . List.map f . toList
+
+-- | /O(n)/. The 
+--
+-- @mapMonotonic f s == 'map' f s@, but works only when @f@ is monotonic.
+-- /The precondition is not checked./
+-- Semi-formally, we have:
+-- 
+-- > and [x < y ==> f x < f y | x <- ls, y <- ls] 
+-- >                     ==> mapMonotonic f s == map f s
+-- >     where ls = toList s
+
+mapMonotonic :: (a->b) -> Set a -> Set b
+mapMonotonic f Tip = Tip
+mapMonotonic f (Bin sz x l r) =
+    Bin sz (f x) (mapMonotonic f l) (mapMonotonic f r)
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Fold
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(n)/. Fold over the elements of a set in an unspecified order.
+fold :: (a -> b -> b) -> b -> Set a -> b
+fold f z s
+  = foldr f z s
+
+-- | /O(n)/. Post-order fold.
+foldr :: (a -> b -> b) -> b -> Set a -> b
+foldr f z Tip           = z
+foldr f z (Bin _ x l r) = foldr f (f x (foldr f z r)) l
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  List variations 
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(n)/. The elements of a set.
+elems :: Set a -> [a]
+elems s
+  = toList s
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Lists 
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(n)/. Convert the set to an ascending list of elements.
+toList :: Set a -> [a]
+toList s
+  = toAscList s
+
+-- | /O(n)/. Convert the set to an ascending list of elements.
+toAscList :: Set a -> [a]
+toAscList t   
+  = foldr (:) [] t
+
+
+-- | /O(n*log n)/. Create a set from a list of elements.
+fromList :: Ord a => [a] -> Set a 
+fromList xs 
+  = foldlStrict ins empty xs
+  where
+    ins t x = insert x t
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Building trees from ascending/descending lists can be done in linear time.
+  
+  Note that if [xs] is ascending that: 
+    fromAscList xs == fromList xs
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(n)/. Build a set from an ascending list in linear time.
+-- /The precondition (input list is ascending) is not checked./
+fromAscList :: Eq a => [a] -> Set a 
+fromAscList xs
+  = fromDistinctAscList (combineEq xs)
+  where
+  -- [combineEq xs] combines equal elements with [const] in an ordered list [xs]
+  combineEq xs
+    = case xs of
+        []     -> []
+        [x]    -> [x]
+        (x:xx) -> combineEq' x xx
+
+  combineEq' z [] = [z]
+  combineEq' z (x:xs)
+    | z==x      = combineEq' z xs
+    | otherwise = z:combineEq' x xs
+
+
+-- | /O(n)/. Build a set from an ascending list of distinct elements in linear time.
+-- /The precondition (input list is strictly ascending) is not checked./
+fromDistinctAscList :: [a] -> Set a 
+fromDistinctAscList xs
+  = build const (length xs) xs
+  where
+    -- 1) use continutations so that we use heap space instead of stack space.
+    -- 2) special case for n==5 to build bushier trees. 
+    build c 0 xs   = c Tip xs 
+    build c 5 xs   = case xs of
+                       (x1:x2:x3:x4:x5:xx) 
+                            -> c (bin x4 (bin x2 (singleton x1) (singleton x3)) (singleton x5)) xx
+    build c n xs   = seq nr $ build (buildR nr c) nl xs
+                   where
+                     nl = n `div` 2
+                     nr = n - nl - 1
+
+    buildR n c l (x:ys) = build (buildB l x c) n ys
+    buildB l x c r zs   = c (bin x l r) zs
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Eq converts the set to a list. In a lazy setting, this 
+  actually seems one of the faster methods to compare two trees 
+  and it is certainly the simplest :-)
+--------------------------------------------------------------------}
+instance Eq a => Eq (Set a) where
+  t1 == t2  = (size t1 == size t2) && (toAscList t1 == toAscList t2)
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Ord 
+--------------------------------------------------------------------}
+
+instance Ord a => Ord (Set a) where
+    compare s1 s2 = compare (toAscList s1) (toAscList s2) 
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Monoid 
+--------------------------------------------------------------------}
+
+instance Ord a => Monoid (Set a) where
+    mempty = empty
+    mappend = union
+    mconcat = unions
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Show
+--------------------------------------------------------------------}
+instance Show a => Show (Set a) where
+  showsPrec d s  = showSet (toAscList s)
+
+showSet :: (Show a) => [a] -> ShowS
+showSet []     
+  = showString "{}" 
+showSet (x:xs) 
+  = showChar '{' . shows x . showTail xs
+  where
+    showTail []     = showChar '}'
+    showTail (x:xs) = showChar ',' . shows x . showTail xs
+    
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Utility functions that return sub-ranges of the original
+  tree. Some functions take a comparison function as argument to
+  allow comparisons against infinite values. A function [cmplo x]
+  should be read as [compare lo x].
+
+  [trim cmplo cmphi t]  A tree that is either empty or where [cmplo x == LT]
+                        and [cmphi x == GT] for the value [x] of the root.
+  [filterGt cmp t]      A tree where for all values [k]. [cmp k == LT]
+  [filterLt cmp t]      A tree where for all values [k]. [cmp k == GT]
+
+  [split k t]           Returns two trees [l] and [r] where all values
+                        in [l] are <[k] and all keys in [r] are >[k].
+  [splitMember k t]     Just like [split] but also returns whether [k]
+                        was found in the tree.
+--------------------------------------------------------------------}
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  [trim lo hi t] trims away all subtrees that surely contain no
+  values between the range [lo] to [hi]. The returned tree is either
+  empty or the key of the root is between @lo@ and @hi@.
+--------------------------------------------------------------------}
+trim :: (a -> Ordering) -> (a -> Ordering) -> Set a -> Set a
+trim cmplo cmphi Tip = Tip
+trim cmplo cmphi t@(Bin sx x l r)
+  = case cmplo x of
+      LT -> case cmphi x of
+              GT -> t
+              le -> trim cmplo cmphi l
+      ge -> trim cmplo cmphi r
+              
+trimMemberLo :: Ord a => a -> (a -> Ordering) -> Set a -> (Bool, Set a)
+trimMemberLo lo cmphi Tip = (False,Tip)
+trimMemberLo lo cmphi t@(Bin sx x l r)
+  = case compare lo x of
+      LT -> case cmphi x of
+              GT -> (member lo t, t)
+              le -> trimMemberLo lo cmphi l
+      GT -> trimMemberLo lo cmphi r
+      EQ -> (True,trim (compare lo) cmphi r)
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  [filterGt x t] filter all values >[x] from tree [t]
+  [filterLt x t] filter all values <[x] from tree [t]
+--------------------------------------------------------------------}
+filterGt :: (a -> Ordering) -> Set a -> Set a
+filterGt cmp Tip = Tip
+filterGt cmp (Bin sx x l r)
+  = case cmp x of
+      LT -> join x (filterGt cmp l) r
+      GT -> filterGt cmp r
+      EQ -> r
+      
+filterLt :: (a -> Ordering) -> Set a -> Set a
+filterLt cmp Tip = Tip
+filterLt cmp (Bin sx x l r)
+  = case cmp x of
+      LT -> filterLt cmp l
+      GT -> join x l (filterLt cmp r)
+      EQ -> l
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Split
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(log n)/. The expression (@split x set@) is a pair @(set1,set2)@
+-- where all elements in @set1@ are lower than @x@ and all elements in
+-- @set2@ larger than @x@. @x@ is not found in neither @set1@ nor @set2@.
+split :: Ord a => a -> Set a -> (Set a,Set a)
+split x Tip = (Tip,Tip)
+split x (Bin sy y l r)
+  = case compare x y of
+      LT -> let (lt,gt) = split x l in (lt,join y gt r)
+      GT -> let (lt,gt) = split x r in (join y l lt,gt)
+      EQ -> (l,r)
+
+-- | /O(log n)/. Performs a 'split' but also returns whether the pivot
+-- element was found in the original set.
+splitMember :: Ord a => a -> Set a -> (Bool,Set a,Set a)
+splitMember x Tip = (False,Tip,Tip)
+splitMember x (Bin sy y l r)
+  = case compare x y of
+      LT -> let (found,lt,gt) = splitMember x l in (found,lt,join y gt r)
+      GT -> let (found,lt,gt) = splitMember x r in (found,join y l lt,gt)
+      EQ -> (True,l,r)
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Utility functions that maintain the balance properties of the tree.
+  All constructors assume that all values in [l] < [x] and all values
+  in [r] > [x], and that [l] and [r] are valid trees.
+  
+  In order of sophistication:
+    [Bin sz x l r]    The type constructor.
+    [bin x l r]       Maintains the correct size, assumes that both [l]
+                      and [r] are balanced with respect to each other.
+    [balance x l r]   Restores the balance and size.
+                      Assumes that the original tree was balanced and
+                      that [l] or [r] has changed by at most one element.
+    [join x l r]      Restores balance and size. 
+
+  Furthermore, we can construct a new tree from two trees. Both operations
+  assume that all values in [l] < all values in [r] and that [l] and [r]
+  are valid:
+    [glue l r]        Glues [l] and [r] together. Assumes that [l] and
+                      [r] are already balanced with respect to each other.
+    [merge l r]       Merges two trees and restores balance.
+
+  Note: in contrast to Adam's paper, we use (<=) comparisons instead
+  of (<) comparisons in [join], [merge] and [balance]. 
+  Quickcheck (on [difference]) showed that this was necessary in order 
+  to maintain the invariants. It is quite unsatisfactory that I haven't 
+  been able to find out why this is actually the case! Fortunately, it 
+  doesn't hurt to be a bit more conservative.
+--------------------------------------------------------------------}
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Join 
+--------------------------------------------------------------------}
+join :: a -> Set a -> Set a -> Set a
+join x Tip r  = insertMin x r
+join x l Tip  = insertMax x l
+join x l@(Bin sizeL y ly ry) r@(Bin sizeR z lz rz)
+  | delta*sizeL <= sizeR  = balance z (join x l lz) rz
+  | delta*sizeR <= sizeL  = balance y ly (join x ry r)
+  | otherwise             = bin x l r
 
+
+-- insertMin and insertMax don't perform potentially expensive comparisons.
+insertMax,insertMin :: a -> Set a -> Set a 
+insertMax x t
+  = case t of
+      Tip -> singleton x
+      Bin sz y l r
+          -> balance y l (insertMax x r)
+             
+insertMin x t
+  = case t of
+      Tip -> singleton x
+      Bin sz y l r
+          -> balance y (insertMin x l) r
+             
+{--------------------------------------------------------------------
+  [merge l r]: merges two trees.
+--------------------------------------------------------------------}
+merge :: Set a -> Set a -> Set a
+merge Tip r   = r
+merge l Tip   = l
+merge l@(Bin sizeL x lx rx) r@(Bin sizeR y ly ry)
+  | delta*sizeL <= sizeR = balance y (merge l ly) ry
+  | delta*sizeR <= sizeL = balance x lx (merge rx r)
+  | otherwise            = glue l r
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  [glue l r]: glues two trees together.
+  Assumes that [l] and [r] are already balanced with respect to each other.
+--------------------------------------------------------------------}
+glue :: Set a -> Set a -> Set a
+glue Tip r = r
+glue l Tip = l
+glue l r   
+  | size l > size r = let (m,l') = deleteFindMax l in balance m l' r
+  | otherwise       = let (m,r') = deleteFindMin r in balance m l r'
+
+
+-- | /O(log n)/. Delete and find the minimal element.
+-- 
+-- > deleteFindMin set = (findMin set, deleteMin set)
+
+deleteFindMin :: Set a -> (a,Set a)
+deleteFindMin t 
+  = case t of
+      Bin _ x Tip r -> (x,r)
+      Bin _ x l r   -> let (xm,l') = deleteFindMin l in (xm,balance x l' r)
+      Tip           -> (error "Set.deleteFindMin: can not return the minimal element of an empty set", Tip)
+
+-- | /O(log n)/. Delete and find the maximal element.
+-- 
+-- > deleteFindMax set = (findMax set, deleteMax set)
+deleteFindMax :: Set a -> (a,Set a)
+deleteFindMax t
+  = case t of
+      Bin _ x l Tip -> (x,l)
+      Bin _ x l r   -> let (xm,r') = deleteFindMax r in (xm,balance x l r')
+      Tip           -> (error "Set.deleteFindMax: can not return the maximal element of an empty set", Tip)
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  [balance x l r] balances two trees with value x.
+  The sizes of the trees should balance after decreasing the
+  size of one of them. (a rotation).
+
+  [delta] is the maximal relative difference between the sizes of
+          two trees, it corresponds with the [w] in Adams' paper,
+          or equivalently, [1/delta] corresponds with the $\alpha$
+          in Nievergelt's paper. Adams shows that [delta] should
+          be larger than 3.745 in order to garantee that the
+          rotations can always restore balance.         
+
+  [ratio] is the ratio between an outer and inner sibling of the
+          heavier subtree in an unbalanced setting. It determines
+          whether a double or single rotation should be performed
+          to restore balance. It is correspondes with the inverse
+          of $\alpha$ in Adam's article.
+
+  Note that:
+  - [delta] should be larger than 4.646 with a [ratio] of 2.
+  - [delta] should be larger than 3.745 with a [ratio] of 1.534.
+  
+  - A lower [delta] leads to a more 'perfectly' balanced tree.
+  - A higher [delta] performs less rebalancing.
+
+  - Balancing is automatic for random data and a balancing
+    scheme is only necessary to avoid pathological worst cases.
+    Almost any choice will do in practice
+    
+  - Allthough it seems that a rather large [delta] may perform better 
+    than smaller one, measurements have shown that the smallest [delta]
+    of 4 is actually the fastest on a wide range of operations. It
+    especially improves performance on worst-case scenarios like
+    a sequence of ordered insertions.
+
+  Note: in contrast to Adams' paper, we use a ratio of (at least) 2
+  to decide whether a single or double rotation is needed. Allthough
+  he actually proves that this ratio is needed to maintain the
+  invariants, his implementation uses a (invalid) ratio of 1. 
+  He is aware of the problem though since he has put a comment in his 
+  original source code that he doesn't care about generating a 
+  slightly inbalanced tree since it doesn't seem to matter in practice. 
+  However (since we use quickcheck :-) we will stick to strictly balanced 
+  trees.
+--------------------------------------------------------------------}
+delta,ratio :: Int
+delta = 4
+ratio = 2
+
+balance :: a -> Set a -> Set a -> Set a
+balance x l r
+  | sizeL + sizeR <= 1    = Bin sizeX x l r
+  | sizeR >= delta*sizeL  = rotateL x l r
+  | sizeL >= delta*sizeR  = rotateR x l r
+  | otherwise             = Bin sizeX x l r
+  where
+    sizeL = size l
+    sizeR = size r
+    sizeX = sizeL + sizeR + 1
+
+-- rotate
+rotateL x l r@(Bin _ _ ly ry)
+  | size ly < ratio*size ry = singleL x l r
+  | otherwise               = doubleL x l r
+
+rotateR x l@(Bin _ _ ly ry) r
+  | size ry < ratio*size ly = singleR x l r
+  | otherwise               = doubleR x l r
+
+-- basic rotations
+singleL x1 t1 (Bin _ x2 t2 t3)  = bin x2 (bin x1 t1 t2) t3
+singleR x1 (Bin _ x2 t1 t2) t3  = bin x2 t1 (bin x1 t2 t3)
+
+doubleL x1 t1 (Bin _ x2 (Bin _ x3 t2 t3) t4) = bin x3 (bin x1 t1 t2) (bin x2 t3 t4)
+doubleR x1 (Bin _ x2 t1 (Bin _ x3 t2 t3)) t4 = bin x3 (bin x2 t1 t2) (bin x1 t3 t4)
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  The bin constructor maintains the size of the tree
+--------------------------------------------------------------------}
+bin :: a -> Set a -> Set a -> Set a
+bin x l r
+  = Bin (size l + size r + 1) x l r
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Utilities
+--------------------------------------------------------------------}
+foldlStrict f z xs
+  = case xs of
+      []     -> z
+      (x:xx) -> let z' = f z x in seq z' (foldlStrict f z' xx)
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Debugging
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(n)/. Show the tree that implements the set. The tree is shown
+-- in a compressed, hanging format.
+showTree :: Show a => Set a -> String
+showTree s
+  = showTreeWith True False s
+
+
+{- | /O(n)/. The expression (@showTreeWith hang wide map@) shows
+ the tree that implements the set. If @hang@ is
+ @True@, a /hanging/ tree is shown otherwise a rotated tree is shown. If
+ @wide@ is true, an extra wide version is shown.
+
+> Set> putStrLn $ showTreeWith True False $ fromDistinctAscList [1..5]
+> 4
+> +--2
+> |  +--1
+> |  +--3
+> +--5
+> 
+> Set> putStrLn $ showTreeWith True True $ fromDistinctAscList [1..5]
+> 4
+> |
+> +--2
+> |  |
+> |  +--1
+> |  |
+> |  +--3
+> |
+> +--5
+> 
+> Set> putStrLn $ showTreeWith False True $ fromDistinctAscList [1..5]
+> +--5
+> |
+> 4
+> |
+> |  +--3
+> |  |
+> +--2
+>    |
+>    +--1
+
+-}
+showTreeWith :: Show a => Bool -> Bool -> Set a -> String
+showTreeWith hang wide t
+  | hang      = (showsTreeHang wide [] t) ""
+  | otherwise = (showsTree wide [] [] t) ""
+
+showsTree :: Show a => Bool -> [String] -> [String] -> Set a -> ShowS
+showsTree wide lbars rbars t
+  = case t of
+      Tip -> showsBars lbars . showString "|\n"
+      Bin sz x Tip Tip
+          -> showsBars lbars . shows x . showString "\n" 
+      Bin sz x l r
+          -> showsTree wide (withBar rbars) (withEmpty rbars) r .
+             showWide wide rbars .
+             showsBars lbars . shows x . showString "\n" .
+             showWide wide lbars .
+             showsTree wide (withEmpty lbars) (withBar lbars) l
+
+showsTreeHang :: Show a => Bool -> [String] -> Set a -> ShowS
+showsTreeHang wide bars t
+  = case t of
+      Tip -> showsBars bars . showString "|\n" 
+      Bin sz x Tip Tip
+          -> showsBars bars . shows x . showString "\n" 
+      Bin sz x l r
+          -> showsBars bars . shows x . showString "\n" . 
+             showWide wide bars .
+             showsTreeHang wide (withBar bars) l .
+             showWide wide bars .
+             showsTreeHang wide (withEmpty bars) r
+
+
+showWide wide bars 
+  | wide      = showString (concat (reverse bars)) . showString "|\n" 
+  | otherwise = id
+
+showsBars :: [String] -> ShowS
+showsBars bars
+  = case bars of
+      [] -> id
+      _  -> showString (concat (reverse (tail bars))) . showString node
+
+node           = "+--"
+withBar bars   = "|  ":bars
+withEmpty bars = "   ":bars
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Assertions
+--------------------------------------------------------------------}
+-- | /O(n)/. Test if the internal set structure is valid.
+valid :: Ord a => Set a -> Bool
+valid t
+  = balanced t && ordered t && validsize t
+
+ordered t
+  = bounded (const True) (const True) t
+  where
+    bounded lo hi t
+      = case t of
+          Tip           -> True
+          Bin sz x l r  -> (lo x) && (hi x) && bounded lo (<x) l && bounded (>x) hi r
+
+balanced :: Set a -> Bool
+balanced t
+  = case t of
+      Tip           -> True
+      Bin sz x l r  -> (size l + size r <= 1 || (size l <= delta*size r && size r <= delta*size l)) &&
+                       balanced l && balanced r
+
+
+validsize t
+  = (realsize t == Just (size t))
+  where
+    realsize t
+      = case t of
+          Tip          -> Just 0
+          Bin sz x l r -> case (realsize l,realsize r) of
+                            (Just n,Just m)  | n+m+1 == sz  -> Just sz
+                            other            -> Nothing
+
+{-
+{--------------------------------------------------------------------
+  Testing
+--------------------------------------------------------------------}
+testTree :: [Int] -> Set Int
+testTree xs   = fromList xs
+test1 = testTree [1..20]
+test2 = testTree [30,29..10]
+test3 = testTree [1,4,6,89,2323,53,43,234,5,79,12,9,24,9,8,423,8,42,4,8,9,3]
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  QuickCheck
+--------------------------------------------------------------------}
+qcheck prop
+  = check config prop
+  where
+    config = Config
+      { configMaxTest = 500
+      , configMaxFail = 5000
+      , configSize    = \n -> (div n 2 + 3)
+      , configEvery   = \n args -> let s = show n in s ++ [ '\b' | _ <- s ]
+      }
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Arbitrary, reasonably balanced trees
+--------------------------------------------------------------------}
+instance (Enum a) => Arbitrary (Set a) where
+  arbitrary = sized (arbtree 0 maxkey)
+            where maxkey  = 10000
+
+arbtree :: (Enum a) => Int -> Int -> Int -> Gen (Set a)
+arbtree lo hi n
+  | n <= 0        = return Tip
+  | lo >= hi      = return Tip
+  | otherwise     = do{ i  <- choose (lo,hi)
+                      ; m  <- choose (1,30)
+                      ; let (ml,mr)  | m==(1::Int)= (1,2)
+                                     | m==2       = (2,1)
+                                     | m==3       = (1,1)
+                                     | otherwise  = (2,2)
+                      ; l  <- arbtree lo (i-1) (n `div` ml)
+                      ; r  <- arbtree (i+1) hi (n `div` mr)
+                      ; return (bin (toEnum i) l r)
+                      }  
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Valid tree's
+--------------------------------------------------------------------}
+forValid :: (Enum a,Show a,Testable b) => (Set a -> b) -> Property
+forValid f
+  = forAll arbitrary $ \t -> 
+--    classify (balanced t) "balanced" $
+    classify (size t == 0) "empty" $
+    classify (size t > 0  && size t <= 10) "small" $
+    classify (size t > 10 && size t <= 64) "medium" $
+    classify (size t > 64) "large" $
+    balanced t ==> f t
+
+forValidIntTree :: Testable a => (Set Int -> a) -> Property
+forValidIntTree f
+  = forValid f
+
+forValidUnitTree :: Testable a => (Set Int -> a) -> Property
+forValidUnitTree f
+  = forValid f
+
+
+prop_Valid 
+  = forValidUnitTree $ \t -> valid t
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Single, Insert, Delete
+--------------------------------------------------------------------}
+prop_Single :: Int -> Bool
+prop_Single x
+  = (insert x empty == singleton x)
+
+prop_InsertValid :: Int -> Property
+prop_InsertValid k
+  = forValidUnitTree $ \t -> valid (insert k t)
+
+prop_InsertDelete :: Int -> Set Int -> Property
+prop_InsertDelete k t
+  = not (member k t) ==> delete k (insert k t) == t
+
+prop_DeleteValid :: Int -> Property
+prop_DeleteValid k
+  = forValidUnitTree $ \t -> 
+    valid (delete k (insert k t))
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Balance
+--------------------------------------------------------------------}
+prop_Join :: Int -> Property 
+prop_Join x
+  = forValidUnitTree $ \t ->
+    let (l,r) = split x t
+    in valid (join x l r)
+
+prop_Merge :: Int -> Property 
+prop_Merge x
+  = forValidUnitTree $ \t ->
+    let (l,r) = split x t
+    in valid (merge l r)
+
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Union
+--------------------------------------------------------------------}
+prop_UnionValid :: Property
+prop_UnionValid
+  = forValidUnitTree $ \t1 ->
+    forValidUnitTree $ \t2 ->
+    valid (union t1 t2)
+
+prop_UnionInsert :: Int -> Set Int -> Bool
+prop_UnionInsert x t
+  = union t (singleton x) == insert x t
+
+prop_UnionAssoc :: Set Int -> Set Int -> Set Int -> Bool
+prop_UnionAssoc t1 t2 t3
+  = union t1 (union t2 t3) == union (union t1 t2) t3
+
+prop_UnionComm :: Set Int -> Set Int -> Bool
+prop_UnionComm t1 t2
+  = (union t1 t2 == union t2 t1)
+
+
+prop_DiffValid
+  = forValidUnitTree $ \t1 ->
+    forValidUnitTree $ \t2 ->
+    valid (difference t1 t2)
+
+prop_Diff :: [Int] -> [Int] -> Bool
+prop_Diff xs ys
+  =  toAscList (difference (fromList xs) (fromList ys))
+    == List.sort ((List.\\) (nub xs)  (nub ys))
+
+prop_IntValid
+  = forValidUnitTree $ \t1 ->
+    forValidUnitTree $ \t2 ->
+    valid (intersection t1 t2)
+
+prop_Int :: [Int] -> [Int] -> Bool
+prop_Int xs ys
+  =  toAscList (intersection (fromList xs) (fromList ys))
+    == List.sort (nub ((List.intersect) (xs)  (ys)))
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Lists
+--------------------------------------------------------------------}
+prop_Ordered
+  = forAll (choose (5,100)) $ \n ->
+    let xs = [0..n::Int]
+    in fromAscList xs == fromList xs
+
+prop_List :: [Int] -> Bool
+prop_List xs
+  = (sort (nub xs) == toList (fromList xs))
+-}
+
+{--------------------------------------------------------------------
+  Old Data.Set compatibility interface
+--------------------------------------------------------------------}
+
+{-# DEPRECATED emptySet "Use empty instead" #-}
+emptySet :: Set a
+emptySet = empty
+
+{-# DEPRECATED mkSet "Equivalent to 'foldl insert empty'." #-}
+mkSet :: Ord a => [a]  -> Set a
+mkSet = List.foldl' (flip insert) empty
+
+{-# DEPRECATED setToList "Use instead." #-}
+setToList :: Set a -> [a] 
+setToList = elems
+
+{-# DEPRECATED unitSet "Use singleton instead." #-}
+unitSet :: a -> Set a
+unitSet = singleton
+
+{-# DEPRECATED elementOf "Use member instead." #-}
 elementOf :: Ord a => a -> Set a -> Bool
-elementOf x (MkSet set) = isJust (lookupFM set x)
+elementOf = member
 
+{-# DEPRECATED isEmptySet "Use null instead." #-}
 isEmptySet :: Set a -> Bool
-isEmptySet (MkSet set) = sizeFM set == 0
-
-mapSet :: Ord a => (b -> a) -> Set b -> Set a
-mapSet f (MkSet set) = MkSet (listToFM [ (f key, ()) | key <- keysFM set ])
+isEmptySet = null
 
+{-# DEPRECATED cardinality "Use size instead." #-}
 cardinality :: Set a -> Int
-cardinality (MkSet set) = sizeFM set
+cardinality = size
 
--- fair enough...
-instance (Eq a) => Eq (Set a) where
-  (MkSet set_1) == (MkSet set_2) = set_1 == set_2
-  (MkSet set_1) /= (MkSet set_2) = set_1 /= set_2
+{-# DEPRECATED unionManySets "Use unions instead." #-}
+unionManySets :: Ord a => [Set a] -> Set a
+unionManySets = unions
 
-instance Show e => Show (Set e) where
-  showsPrec p s = showsPrec p (setToList s)
+{-# DEPRECATED minusSet "Use difference instead." #-}
+minusSet :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
+minusSet = difference
 
--- but not so clear what the right thing to do is:
-{- NO:
-instance (Ord a) => Ord (Set a) where
-  (MkSet set_1) <= (MkSet set_2) = set_1 <= set_2
--}
+{-# DEPRECATED mapSet "Use map instead." #-}
+mapSet :: (Ord a, Ord b) => (b -> a) -> Set b -> Set a
+mapSet = map
+
+{-# DEPRECATED intersect "Use intersection instead." #-}
+intersect :: Ord a => Set a -> Set a -> Set a
+intersect = intersection
+
+{-# DEPRECATED addToSet "Use insert instead." #-}
+addToSet :: Ord a => Set a -> a -> Set a
+addToSet = flip insert
+
+{-# DEPRECATED delFromSet "Use delete instead." #-}
+delFromSet :: Ord a => Set a -> a -> Set a
+delFromSet = flip delete