zmc
2023-08-08 e792e9a60d958b93aef96050644f369feb25d61b
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
666
667
668
669
670
671
672
673
674
675
676
677
678
679
680
681
682
683
684
685
686
687
688
689
690
691
692
693
694
695
696
697
698
699
700
701
702
703
704
705
706
707
708
709
710
711
712
713
714
715
716
717
718
719
720
721
722
723
724
725
726
727
728
729
730
731
732
733
734
735
736
737
738
739
740
741
742
743
744
745
746
747
748
749
750
751
752
753
754
755
756
757
758
759
760
761
762
763
764
765
766
767
768
769
770
771
772
773
774
775
776
777
778
779
780
781
782
783
784
785
786
787
788
789
790
791
792
793
794
795
796
797
798
799
800
801
802
803
804
805
806
807
808
809
810
811
812
813
814
815
816
817
818
819
820
821
822
823
824
825
826
827
828
829
830
831
832
833
834
835
836
837
838
839
840
841
842
843
844
845
846
847
848
849
850
851
852
853
854
855
856
857
858
859
860
861
862
863
864
865
866
867
868
869
870
871
872
873
874
875
876
877
878
879
880
881
882
883
884
885
886
887
888
889
890
891
892
893
894
895
896
897
898
899
900
901
902
903
904
905
906
907
908
909
910
911
912
913
914
915
916
917
918
919
920
921
922
923
924
925
926
927
928
929
930
931
932
933
934
935
936
937
938
939
940
941
942
943
944
945
946
947
948
949
950
951
952
953
954
955
956
957
958
959
960
961
962
963
964
965
966
967
968
969
970
971
972
973
974
975
976
977
978
979
980
981
982
983
984
985
986
987
988
989
990
991
992
993
994
995
996
997
998
999
1000
1001
1002
1003
1004
1005
1006
1007
1008
1009
1010
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
1018
1019
1020
1021
1022
1023
1024
1025
1026
1027
1028
1029
1030
1031
1032
1033
1034
1035
1036
1037
1038
1039
1040
1041
1042
1043
1044
1045
1046
1047
1048
1049
1050
1051
1052
1053
1054
1055
1056
1057
1058
1059
1060
1061
1062
1063
1064
1065
1066
1067
1068
1069
1070
1071
1072
1073
1074
1075
1076
1077
1078
1079
1080
1081
1082
1083
1084
1085
1086
1087
1088
1089
1090
1091
1092
1093
1094
1095
1096
1097
1098
1099
1100
1101
1102
1103
1104
1105
1106
1107
1108
1109
1110
1111
1112
1113
1114
1115
1116
1117
1118
1119
1120
1121
1122
1123
1124
1125
1126
1127
1128
1129
1130
1131
1132
1133
1134
1135
1136
1137
1138
1139
1140
1141
1142
1143
1144
1145
1146
1147
1148
1149
1150
1151
1152
1153
1154
1155
1156
1157
1158
1159
1160
1161
1162
1163
1164
1165
1166
1167
1168
1169
1170
1171
1172
1173
1174
1175
1176
1177
1178
1179
1180
1181
1182
1183
1184
1185
1186
1187
1188
1189
1190
1191
1192
1193
1194
1195
1196
1197
1198
1199
1200
1201
1202
1203
1204
1205
1206
1207
1208
1209
1210
1211
1212
1213
1214
1215
1216
1217
1218
1219
1220
1221
1222
1223
1224
1225
1226
1227
1228
1229
1230
1231
1232
1233
1234
1235
1236
1237
1238
1239
1240
1241
1242
1243
1244
1245
1246
1247
1248
1249
1250
1251
1252
1253
1254
1255
1256
1257
1258
1259
1260
1261
1262
1263
1264
1265
1266
1267
1268
1269
1270
1271
1272
1273
1274
1275
1276
1277
1278
1279
1280
1281
1282
1283
1284
1285
1286
1287
1288
1289
1290
1291
1292
1293
1294
1295
1296
1297
1298
1299
1300
1301
1302
1303
1304
1305
1306
1307
1308
1309
1310
1311
1312
1313
1314
1315
1316
1317
1318
1319
1320
1321
1322
1323
1324
1325
1326
1327
1328
1329
1330
1331
1332
1333
1334
1335
1336
1337
1338
1339
1340
1341
1342
1343
1344
1345
1346
1347
1348
1349
1350
1351
1352
1353
1354
1355
1356
1357
1358
1359
1360
1361
1362
1363
1364
1365
1366
1367
1368
1369
1370
1371
1372
1373
1374
1375
1376
1377
1378
1379
1380
1381
1382
1383
1384
1385
1386
1387
1388
1389
1390
1391
1392
1393
1394
1395
1396
1397
1398
1399
1400
1401
1402
1403
1404
1405
1406
1407
1408
1409
1410
1411
1412
1413
1414
1415
1416
1417
1418
1419
1420
1421
1422
1423
1424
1425
1426
1427
1428
1429
1430
1431
1432
1433
1434
1435
1436
1437
1438
1439
1440
1441
1442
1443
1444
1445
1446
1447
1448
1449
1450
1451
1452
1453
1454
1455
1456
1457
1458
1459
1460
1461
1462
1463
1464
1465
1466
1467
1468
1469
1470
1471
1472
1473
1474
1475
1476
1477
1478
1479
1480
1481
1482
1483
1484
1485
1486
1487
1488
1489
1490
1491
1492
1493
1494
1495
1496
1497
1498
1499
1500
1501
1502
1503
1504
1505
1506
1507
1508
1509
1510
1511
1512
1513
1514
1515
1516
1517
1518
1519
1520
1521
1522
1523
1524
1525
1526
1527
1528
1529
1530
1531
1532
1533
1534
1535
1536
1537
1538
1539
1540
1541
1542
1543
1544
1545
1546
1547
1548
1549
1550
1551
1552
1553
1554
1555
1556
1557
1558
1559
1560
1561
1562
1563
1564
1565
1566
1567
1568
1569
1570
1571
1572
1573
1574
1575
1576
1577
1578
1579
1580
1581
1582
1583
1584
1585
1586
1587
1588
1589
1590
1591
1592
1593
1594
1595
1596
1597
1598
1599
1600
1601
1602
1603
1604
1605
1606
1607
1608
1609
1610
1611
1612
1613
1614
1615
1616
1617
1618
1619
1620
1621
1622
1623
1624
1625
1626
1627
1628
1629
1630
1631
1632
1633
1634
1635
1636
1637
1638
1639
1640
1641
1642
1643
1644
1645
1646
1647
1648
1649
1650
1651
1652
1653
1654
1655
1656
1657
1658
1659
1660
1661
1662
1663
1664
1665
1666
1667
1668
1669
1670
1671
"""
Generic data algorithms. This module is experimental at the moment and not
intended for public consumption
"""
from __future__ import annotations
 
import operator
from textwrap import dedent
from typing import (
    TYPE_CHECKING,
    Literal,
    cast,
)
import warnings
 
import numpy as np
 
from pandas._libs import (
    algos,
    hashtable as htable,
    iNaT,
    lib,
)
from pandas._typing import (
    AnyArrayLike,
    ArrayLike,
    AxisInt,
    DtypeObj,
    TakeIndexer,
    npt,
)
from pandas.util._decorators import doc
from pandas.util._exceptions import find_stack_level
 
from pandas.core.dtypes.cast import (
    construct_1d_object_array_from_listlike,
    infer_dtype_from_array,
)
from pandas.core.dtypes.common import (
    ensure_float64,
    ensure_object,
    ensure_platform_int,
    is_array_like,
    is_bool_dtype,
    is_categorical_dtype,
    is_complex_dtype,
    is_extension_array_dtype,
    is_float_dtype,
    is_integer,
    is_integer_dtype,
    is_list_like,
    is_numeric_dtype,
    is_object_dtype,
    is_scalar,
    is_signed_integer_dtype,
    needs_i8_conversion,
)
from pandas.core.dtypes.concat import concat_compat
from pandas.core.dtypes.dtypes import (
    BaseMaskedDtype,
    ExtensionDtype,
    PandasDtype,
)
from pandas.core.dtypes.generic import (
    ABCDatetimeArray,
    ABCExtensionArray,
    ABCIndex,
    ABCMultiIndex,
    ABCSeries,
    ABCTimedeltaArray,
)
from pandas.core.dtypes.missing import (
    isna,
    na_value_for_dtype,
)
 
from pandas.core.array_algos.take import take_nd
from pandas.core.construction import (
    array as pd_array,
    ensure_wrapped_if_datetimelike,
    extract_array,
)
from pandas.core.indexers import validate_indices
 
if TYPE_CHECKING:
    from pandas._typing import (
        NumpySorter,
        NumpyValueArrayLike,
    )
 
    from pandas import (
        Categorical,
        Index,
        Series,
    )
    from pandas.core.arrays import (
        BaseMaskedArray,
        ExtensionArray,
    )
 
 
# --------------- #
# dtype access    #
# --------------- #
def _ensure_data(values: ArrayLike) -> np.ndarray:
    """
    routine to ensure that our data is of the correct
    input dtype for lower-level routines
 
    This will coerce:
    - ints -> int64
    - uint -> uint64
    - bool -> uint8
    - datetimelike -> i8
    - datetime64tz -> i8 (in local tz)
    - categorical -> codes
 
    Parameters
    ----------
    values : np.ndarray or ExtensionArray
 
    Returns
    -------
    np.ndarray
    """
 
    if not isinstance(values, ABCMultiIndex):
        # extract_array would raise
        values = extract_array(values, extract_numpy=True)
 
    if is_object_dtype(values.dtype):
        return ensure_object(np.asarray(values))
 
    elif isinstance(values.dtype, BaseMaskedDtype):
        # i.e. BooleanArray, FloatingArray, IntegerArray
        values = cast("BaseMaskedArray", values)
        if not values._hasna:
            # No pd.NAs -> We can avoid an object-dtype cast (and copy) GH#41816
            #  recurse to avoid re-implementing logic for eg bool->uint8
            return _ensure_data(values._data)
        return np.asarray(values)
 
    elif is_categorical_dtype(values.dtype):
        # NB: cases that go through here should NOT be using _reconstruct_data
        #  on the back-end.
        values = cast("Categorical", values)
        return values.codes
 
    elif is_bool_dtype(values.dtype):
        if isinstance(values, np.ndarray):
            # i.e. actually dtype == np.dtype("bool")
            return np.asarray(values).view("uint8")
        else:
            # e.g. Sparse[bool, False]  # TODO: no test cases get here
            return np.asarray(values).astype("uint8", copy=False)
 
    elif is_integer_dtype(values.dtype):
        return np.asarray(values)
 
    elif is_float_dtype(values.dtype):
        # Note: checking `values.dtype == "float128"` raises on Windows and 32bit
        # error: Item "ExtensionDtype" of "Union[Any, ExtensionDtype, dtype[Any]]"
        # has no attribute "itemsize"
        if values.dtype.itemsize in [2, 12, 16]:  # type: ignore[union-attr]
            # we dont (yet) have float128 hashtable support
            return ensure_float64(values)
        return np.asarray(values)
 
    elif is_complex_dtype(values.dtype):
        return cast(np.ndarray, values)
 
    # datetimelike
    elif needs_i8_conversion(values.dtype):
        npvalues = values.view("i8")
        npvalues = cast(np.ndarray, npvalues)
        return npvalues
 
    # we have failed, return object
    values = np.asarray(values, dtype=object)
    return ensure_object(values)
 
 
def _reconstruct_data(
    values: ArrayLike, dtype: DtypeObj, original: AnyArrayLike
) -> ArrayLike:
    """
    reverse of _ensure_data
 
    Parameters
    ----------
    values : np.ndarray or ExtensionArray
    dtype : np.dtype or ExtensionDtype
    original : AnyArrayLike
 
    Returns
    -------
    ExtensionArray or np.ndarray
    """
    if isinstance(values, ABCExtensionArray) and values.dtype == dtype:
        # Catch DatetimeArray/TimedeltaArray
        return values
 
    if not isinstance(dtype, np.dtype):
        # i.e. ExtensionDtype; note we have ruled out above the possibility
        #  that values.dtype == dtype
        cls = dtype.construct_array_type()
 
        values = cls._from_sequence(values, dtype=dtype)
 
    else:
        values = values.astype(dtype, copy=False)
 
    return values
 
 
def _ensure_arraylike(values) -> ArrayLike:
    """
    ensure that we are arraylike if not already
    """
    if not is_array_like(values):
        inferred = lib.infer_dtype(values, skipna=False)
        if inferred in ["mixed", "string", "mixed-integer"]:
            # "mixed-integer" to ensure we do not cast ["ss", 42] to str GH#22160
            if isinstance(values, tuple):
                values = list(values)
            values = construct_1d_object_array_from_listlike(values)
        else:
            values = np.asarray(values)
    return values
 
 
_hashtables = {
    "complex128": htable.Complex128HashTable,
    "complex64": htable.Complex64HashTable,
    "float64": htable.Float64HashTable,
    "float32": htable.Float32HashTable,
    "uint64": htable.UInt64HashTable,
    "uint32": htable.UInt32HashTable,
    "uint16": htable.UInt16HashTable,
    "uint8": htable.UInt8HashTable,
    "int64": htable.Int64HashTable,
    "int32": htable.Int32HashTable,
    "int16": htable.Int16HashTable,
    "int8": htable.Int8HashTable,
    "string": htable.StringHashTable,
    "object": htable.PyObjectHashTable,
}
 
 
def _get_hashtable_algo(values: np.ndarray):
    """
    Parameters
    ----------
    values : np.ndarray
 
    Returns
    -------
    htable : HashTable subclass
    values : ndarray
    """
    values = _ensure_data(values)
 
    ndtype = _check_object_for_strings(values)
    hashtable = _hashtables[ndtype]
    return hashtable, values
 
 
def _check_object_for_strings(values: np.ndarray) -> str:
    """
    Check if we can use string hashtable instead of object hashtable.
 
    Parameters
    ----------
    values : ndarray
 
    Returns
    -------
    str
    """
    ndtype = values.dtype.name
    if ndtype == "object":
        # it's cheaper to use a String Hash Table than Object; we infer
        # including nulls because that is the only difference between
        # StringHashTable and ObjectHashtable
        if lib.infer_dtype(values, skipna=False) in ["string"]:
            ndtype = "string"
    return ndtype
 
 
# --------------- #
# top-level algos #
# --------------- #
 
 
def unique(values):
    """
    Return unique values based on a hash table.
 
    Uniques are returned in order of appearance. This does NOT sort.
 
    Significantly faster than numpy.unique for long enough sequences.
    Includes NA values.
 
    Parameters
    ----------
    values : 1d array-like
 
    Returns
    -------
    numpy.ndarray or ExtensionArray
 
        The return can be:
 
        * Index : when the input is an Index
        * Categorical : when the input is a Categorical dtype
        * ndarray : when the input is a Series/ndarray
 
        Return numpy.ndarray or ExtensionArray.
 
    See Also
    --------
    Index.unique : Return unique values from an Index.
    Series.unique : Return unique values of Series object.
 
    Examples
    --------
    >>> pd.unique(pd.Series([2, 1, 3, 3]))
    array([2, 1, 3])
 
    >>> pd.unique(pd.Series([2] + [1] * 5))
    array([2, 1])
 
    >>> pd.unique(pd.Series([pd.Timestamp("20160101"), pd.Timestamp("20160101")]))
    array(['2016-01-01T00:00:00.000000000'], dtype='datetime64[ns]')
 
    >>> pd.unique(
    ...     pd.Series(
    ...         [
    ...             pd.Timestamp("20160101", tz="US/Eastern"),
    ...             pd.Timestamp("20160101", tz="US/Eastern"),
    ...         ]
    ...     )
    ... )
    <DatetimeArray>
    ['2016-01-01 00:00:00-05:00']
    Length: 1, dtype: datetime64[ns, US/Eastern]
 
    >>> pd.unique(
    ...     pd.Index(
    ...         [
    ...             pd.Timestamp("20160101", tz="US/Eastern"),
    ...             pd.Timestamp("20160101", tz="US/Eastern"),
    ...         ]
    ...     )
    ... )
    DatetimeIndex(['2016-01-01 00:00:00-05:00'],
            dtype='datetime64[ns, US/Eastern]',
            freq=None)
 
    >>> pd.unique(list("baabc"))
    array(['b', 'a', 'c'], dtype=object)
 
    An unordered Categorical will return categories in the
    order of appearance.
 
    >>> pd.unique(pd.Series(pd.Categorical(list("baabc"))))
    ['b', 'a', 'c']
    Categories (3, object): ['a', 'b', 'c']
 
    >>> pd.unique(pd.Series(pd.Categorical(list("baabc"), categories=list("abc"))))
    ['b', 'a', 'c']
    Categories (3, object): ['a', 'b', 'c']
 
    An ordered Categorical preserves the category ordering.
 
    >>> pd.unique(
    ...     pd.Series(
    ...         pd.Categorical(list("baabc"), categories=list("abc"), ordered=True)
    ...     )
    ... )
    ['b', 'a', 'c']
    Categories (3, object): ['a' < 'b' < 'c']
 
    An array of tuples
 
    >>> pd.unique([("a", "b"), ("b", "a"), ("a", "c"), ("b", "a")])
    array([('a', 'b'), ('b', 'a'), ('a', 'c')], dtype=object)
    """
    return unique_with_mask(values)
 
 
def nunique_ints(values: ArrayLike) -> int:
    """
    Return the number of unique values for integer array-likes.
 
    Significantly faster than pandas.unique for long enough sequences.
    No checks are done to ensure input is integral.
 
    Parameters
    ----------
    values : 1d array-like
 
    Returns
    -------
    int : The number of unique values in ``values``
    """
    if len(values) == 0:
        return 0
    values = _ensure_data(values)
    # bincount requires intp
    result = (np.bincount(values.ravel().astype("intp")) != 0).sum()
    return result
 
 
def unique_with_mask(values, mask: npt.NDArray[np.bool_] | None = None):
    """See algorithms.unique for docs. Takes a mask for masked arrays."""
    values = _ensure_arraylike(values)
 
    if is_extension_array_dtype(values.dtype):
        # Dispatch to extension dtype's unique.
        return values.unique()
 
    original = values
    hashtable, values = _get_hashtable_algo(values)
 
    table = hashtable(len(values))
    if mask is None:
        uniques = table.unique(values)
        uniques = _reconstruct_data(uniques, original.dtype, original)
        return uniques
 
    else:
        uniques, mask = table.unique(values, mask=mask)
        uniques = _reconstruct_data(uniques, original.dtype, original)
        assert mask is not None  # for mypy
        return uniques, mask.astype("bool")
 
 
unique1d = unique
 
 
def isin(comps: AnyArrayLike, values: AnyArrayLike) -> npt.NDArray[np.bool_]:
    """
    Compute the isin boolean array.
 
    Parameters
    ----------
    comps : array-like
    values : array-like
 
    Returns
    -------
    ndarray[bool]
        Same length as `comps`.
    """
    if not is_list_like(comps):
        raise TypeError(
            "only list-like objects are allowed to be passed "
            f"to isin(), you passed a [{type(comps).__name__}]"
        )
    if not is_list_like(values):
        raise TypeError(
            "only list-like objects are allowed to be passed "
            f"to isin(), you passed a [{type(values).__name__}]"
        )
 
    if not isinstance(values, (ABCIndex, ABCSeries, ABCExtensionArray, np.ndarray)):
        orig_values = list(values)
        values = _ensure_arraylike(orig_values)
 
        if (
            len(values) > 0
            and is_numeric_dtype(values)
            and not is_signed_integer_dtype(comps)
        ):
            # GH#46485 Use object to avoid upcast to float64 later
            # TODO: Share with _find_common_type_compat
            values = construct_1d_object_array_from_listlike(orig_values)
 
    elif isinstance(values, ABCMultiIndex):
        # Avoid raising in extract_array
        values = np.array(values)
    else:
        values = extract_array(values, extract_numpy=True, extract_range=True)
 
    comps_array = _ensure_arraylike(comps)
    comps_array = extract_array(comps_array, extract_numpy=True)
    if not isinstance(comps_array, np.ndarray):
        # i.e. Extension Array
        return comps_array.isin(values)
 
    elif needs_i8_conversion(comps_array.dtype):
        # Dispatch to DatetimeLikeArrayMixin.isin
        return pd_array(comps_array).isin(values)
    elif needs_i8_conversion(values.dtype) and not is_object_dtype(comps_array.dtype):
        # e.g. comps_array are integers and values are datetime64s
        return np.zeros(comps_array.shape, dtype=bool)
        # TODO: not quite right ... Sparse/Categorical
    elif needs_i8_conversion(values.dtype):
        return isin(comps_array, values.astype(object))
 
    elif isinstance(values.dtype, ExtensionDtype):
        return isin(np.asarray(comps_array), np.asarray(values))
 
    # GH16012
    # Ensure np.in1d doesn't get object types or it *may* throw an exception
    # Albeit hashmap has O(1) look-up (vs. O(logn) in sorted array),
    # in1d is faster for small sizes
    if (
        len(comps_array) > 1_000_000
        and len(values) <= 26
        and not is_object_dtype(comps_array)
    ):
        # If the values include nan we need to check for nan explicitly
        # since np.nan it not equal to np.nan
        if isna(values).any():
 
            def f(c, v):
                return np.logical_or(np.in1d(c, v), np.isnan(c))
 
        else:
            f = np.in1d
 
    else:
        common = np.find_common_type([values.dtype, comps_array.dtype], [])
        values = values.astype(common, copy=False)
        comps_array = comps_array.astype(common, copy=False)
        f = htable.ismember
 
    return f(comps_array, values)
 
 
def factorize_array(
    values: np.ndarray,
    use_na_sentinel: bool = True,
    size_hint: int | None = None,
    na_value: object = None,
    mask: npt.NDArray[np.bool_] | None = None,
) -> tuple[npt.NDArray[np.intp], np.ndarray]:
    """
    Factorize a numpy array to codes and uniques.
 
    This doesn't do any coercion of types or unboxing before factorization.
 
    Parameters
    ----------
    values : ndarray
    use_na_sentinel : bool, default True
        If True, the sentinel -1 will be used for NaN values. If False,
        NaN values will be encoded as non-negative integers and will not drop the
        NaN from the uniques of the values.
    size_hint : int, optional
        Passed through to the hashtable's 'get_labels' method
    na_value : object, optional
        A value in `values` to consider missing. Note: only use this
        parameter when you know that you don't have any values pandas would
        consider missing in the array (NaN for float data, iNaT for
        datetimes, etc.).
    mask : ndarray[bool], optional
        If not None, the mask is used as indicator for missing values
        (True = missing, False = valid) instead of `na_value` or
        condition "val != val".
 
    Returns
    -------
    codes : ndarray[np.intp]
    uniques : ndarray
    """
    original = values
    if values.dtype.kind in ["m", "M"]:
        # _get_hashtable_algo will cast dt64/td64 to i8 via _ensure_data, so we
        #  need to do the same to na_value. We are assuming here that the passed
        #  na_value is an appropriately-typed NaT.
        # e.g. test_where_datetimelike_categorical
        na_value = iNaT
 
    hash_klass, values = _get_hashtable_algo(values)
 
    table = hash_klass(size_hint or len(values))
    uniques, codes = table.factorize(
        values,
        na_sentinel=-1,
        na_value=na_value,
        mask=mask,
        ignore_na=use_na_sentinel,
    )
 
    # re-cast e.g. i8->dt64/td64, uint8->bool
    uniques = _reconstruct_data(uniques, original.dtype, original)
 
    codes = ensure_platform_int(codes)
    return codes, uniques
 
 
@doc(
    values=dedent(
        """\
    values : sequence
        A 1-D sequence. Sequences that aren't pandas objects are
        coerced to ndarrays before factorization.
    """
    ),
    sort=dedent(
        """\
    sort : bool, default False
        Sort `uniques` and shuffle `codes` to maintain the
        relationship.
    """
    ),
    size_hint=dedent(
        """\
    size_hint : int, optional
        Hint to the hashtable sizer.
    """
    ),
)
def factorize(
    values,
    sort: bool = False,
    use_na_sentinel: bool = True,
    size_hint: int | None = None,
) -> tuple[np.ndarray, np.ndarray | Index]:
    """
    Encode the object as an enumerated type or categorical variable.
 
    This method is useful for obtaining a numeric representation of an
    array when all that matters is identifying distinct values. `factorize`
    is available as both a top-level function :func:`pandas.factorize`,
    and as a method :meth:`Series.factorize` and :meth:`Index.factorize`.
 
    Parameters
    ----------
    {values}{sort}
    use_na_sentinel : bool, default True
        If True, the sentinel -1 will be used for NaN values. If False,
        NaN values will be encoded as non-negative integers and will not drop the
        NaN from the uniques of the values.
 
        .. versionadded:: 1.5.0
    {size_hint}\
 
    Returns
    -------
    codes : ndarray
        An integer ndarray that's an indexer into `uniques`.
        ``uniques.take(codes)`` will have the same values as `values`.
    uniques : ndarray, Index, or Categorical
        The unique valid values. When `values` is Categorical, `uniques`
        is a Categorical. When `values` is some other pandas object, an
        `Index` is returned. Otherwise, a 1-D ndarray is returned.
 
        .. note::
 
           Even if there's a missing value in `values`, `uniques` will
           *not* contain an entry for it.
 
    See Also
    --------
    cut : Discretize continuous-valued array.
    unique : Find the unique value in an array.
 
    Notes
    -----
    Reference :ref:`the user guide <reshaping.factorize>` for more examples.
 
    Examples
    --------
    These examples all show factorize as a top-level method like
    ``pd.factorize(values)``. The results are identical for methods like
    :meth:`Series.factorize`.
 
    >>> codes, uniques = pd.factorize(['b', 'b', 'a', 'c', 'b'])
    >>> codes
    array([0, 0, 1, 2, 0])
    >>> uniques
    array(['b', 'a', 'c'], dtype=object)
 
    With ``sort=True``, the `uniques` will be sorted, and `codes` will be
    shuffled so that the relationship is the maintained.
 
    >>> codes, uniques = pd.factorize(['b', 'b', 'a', 'c', 'b'], sort=True)
    >>> codes
    array([1, 1, 0, 2, 1])
    >>> uniques
    array(['a', 'b', 'c'], dtype=object)
 
    When ``use_na_sentinel=True`` (the default), missing values are indicated in
    the `codes` with the sentinel value ``-1`` and missing values are not
    included in `uniques`.
 
    >>> codes, uniques = pd.factorize(['b', None, 'a', 'c', 'b'])
    >>> codes
    array([ 0, -1,  1,  2,  0])
    >>> uniques
    array(['b', 'a', 'c'], dtype=object)
 
    Thus far, we've only factorized lists (which are internally coerced to
    NumPy arrays). When factorizing pandas objects, the type of `uniques`
    will differ. For Categoricals, a `Categorical` is returned.
 
    >>> cat = pd.Categorical(['a', 'a', 'c'], categories=['a', 'b', 'c'])
    >>> codes, uniques = pd.factorize(cat)
    >>> codes
    array([0, 0, 1])
    >>> uniques
    ['a', 'c']
    Categories (3, object): ['a', 'b', 'c']
 
    Notice that ``'b'`` is in ``uniques.categories``, despite not being
    present in ``cat.values``.
 
    For all other pandas objects, an Index of the appropriate type is
    returned.
 
    >>> cat = pd.Series(['a', 'a', 'c'])
    >>> codes, uniques = pd.factorize(cat)
    >>> codes
    array([0, 0, 1])
    >>> uniques
    Index(['a', 'c'], dtype='object')
 
    If NaN is in the values, and we want to include NaN in the uniques of the
    values, it can be achieved by setting ``use_na_sentinel=False``.
 
    >>> values = np.array([1, 2, 1, np.nan])
    >>> codes, uniques = pd.factorize(values)  # default: use_na_sentinel=True
    >>> codes
    array([ 0,  1,  0, -1])
    >>> uniques
    array([1., 2.])
 
    >>> codes, uniques = pd.factorize(values, use_na_sentinel=False)
    >>> codes
    array([0, 1, 0, 2])
    >>> uniques
    array([ 1.,  2., nan])
    """
    # Implementation notes: This method is responsible for 3 things
    # 1.) coercing data to array-like (ndarray, Index, extension array)
    # 2.) factorizing codes and uniques
    # 3.) Maybe boxing the uniques in an Index
    #
    # Step 2 is dispatched to extension types (like Categorical). They are
    # responsible only for factorization. All data coercion, sorting and boxing
    # should happen here.
    if isinstance(values, (ABCIndex, ABCSeries)):
        return values.factorize(sort=sort, use_na_sentinel=use_na_sentinel)
 
    values = _ensure_arraylike(values)
    original = values
 
    if (
        isinstance(values, (ABCDatetimeArray, ABCTimedeltaArray))
        and values.freq is not None
    ):
        # The presence of 'freq' means we can fast-path sorting and know there
        #  aren't NAs
        codes, uniques = values.factorize(sort=sort)
        return codes, uniques
 
    elif not isinstance(values, np.ndarray):
        # i.e. ExtensionArray
        codes, uniques = values.factorize(use_na_sentinel=use_na_sentinel)
 
    else:
        values = np.asarray(values)  # convert DTA/TDA/MultiIndex
 
        if not use_na_sentinel and is_object_dtype(values):
            # factorize can now handle differentiating various types of null values.
            # These can only occur when the array has object dtype.
            # However, for backwards compatibility we only use the null for the
            # provided dtype. This may be revisited in the future, see GH#48476.
            null_mask = isna(values)
            if null_mask.any():
                na_value = na_value_for_dtype(values.dtype, compat=False)
                # Don't modify (potentially user-provided) array
                values = np.where(null_mask, na_value, values)
 
        codes, uniques = factorize_array(
            values,
            use_na_sentinel=use_na_sentinel,
            size_hint=size_hint,
        )
 
    if sort and len(uniques) > 0:
        uniques, codes = safe_sort(
            uniques,
            codes,
            use_na_sentinel=use_na_sentinel,
            assume_unique=True,
            verify=False,
        )
 
    uniques = _reconstruct_data(uniques, original.dtype, original)
 
    return codes, uniques
 
 
def value_counts(
    values,
    sort: bool = True,
    ascending: bool = False,
    normalize: bool = False,
    bins=None,
    dropna: bool = True,
) -> Series:
    """
    Compute a histogram of the counts of non-null values.
 
    Parameters
    ----------
    values : ndarray (1-d)
    sort : bool, default True
        Sort by values
    ascending : bool, default False
        Sort in ascending order
    normalize: bool, default False
        If True then compute a relative histogram
    bins : integer, optional
        Rather than count values, group them into half-open bins,
        convenience for pd.cut, only works with numeric data
    dropna : bool, default True
        Don't include counts of NaN
 
    Returns
    -------
    Series
    """
    from pandas import (
        Index,
        Series,
    )
 
    index_name = getattr(values, "name", None)
    name = "proportion" if normalize else "count"
 
    if bins is not None:
        from pandas.core.reshape.tile import cut
 
        values = Series(values, copy=False)
        try:
            ii = cut(values, bins, include_lowest=True)
        except TypeError as err:
            raise TypeError("bins argument only works with numeric data.") from err
 
        # count, remove nulls (from the index), and but the bins
        result = ii.value_counts(dropna=dropna)
        result.name = name
        result = result[result.index.notna()]
        result.index = result.index.astype("interval")
        result = result.sort_index()
 
        # if we are dropna and we have NO values
        if dropna and (result._values == 0).all():
            result = result.iloc[0:0]
 
        # normalizing is by len of all (regardless of dropna)
        counts = np.array([len(ii)])
 
    else:
        if is_extension_array_dtype(values):
            # handle Categorical and sparse,
            result = Series(values, copy=False)._values.value_counts(dropna=dropna)
            result.name = name
            result.index.name = index_name
            counts = result._values
            if not isinstance(counts, np.ndarray):
                # e.g. ArrowExtensionArray
                counts = np.asarray(counts)
 
        elif isinstance(values, ABCMultiIndex):
            # GH49558
            levels = list(range(values.nlevels))
            result = (
                Series(index=values, name=name)
                .groupby(level=levels, dropna=dropna)
                .size()
            )
            result.index.names = values.names
            counts = result._values
 
        else:
            values = _ensure_arraylike(values)
            keys, counts = value_counts_arraylike(values, dropna)
            if keys.dtype == np.float16:
                keys = keys.astype(np.float32)
 
            # For backwards compatibility, we let Index do its normal type
            #  inference, _except_ for if if infers from object to bool.
            idx = Index(keys)
            if idx.dtype == bool and keys.dtype == object:
                idx = idx.astype(object)
            idx.name = index_name
 
            result = Series(counts, index=idx, name=name, copy=False)
 
    if sort:
        result = result.sort_values(ascending=ascending)
 
    if normalize:
        result = result / counts.sum()
 
    return result
 
 
# Called once from SparseArray, otherwise could be private
def value_counts_arraylike(
    values: np.ndarray, dropna: bool, mask: npt.NDArray[np.bool_] | None = None
) -> tuple[ArrayLike, npt.NDArray[np.int64]]:
    """
    Parameters
    ----------
    values : np.ndarray
    dropna : bool
    mask : np.ndarray[bool] or None, default None
 
    Returns
    -------
    uniques : np.ndarray
    counts : np.ndarray[np.int64]
    """
    original = values
    values = _ensure_data(values)
 
    keys, counts = htable.value_count(values, dropna, mask=mask)
 
    if needs_i8_conversion(original.dtype):
        # datetime, timedelta, or period
 
        if dropna:
            mask = keys != iNaT
            keys, counts = keys[mask], counts[mask]
 
    res_keys = _reconstruct_data(keys, original.dtype, original)
    return res_keys, counts
 
 
def duplicated(
    values: ArrayLike, keep: Literal["first", "last", False] = "first"
) -> npt.NDArray[np.bool_]:
    """
    Return boolean ndarray denoting duplicate values.
 
    Parameters
    ----------
    values : nd.array, ExtensionArray or Series
        Array over which to check for duplicate values.
    keep : {'first', 'last', False}, default 'first'
        - ``first`` : Mark duplicates as ``True`` except for the first
          occurrence.
        - ``last`` : Mark duplicates as ``True`` except for the last
          occurrence.
        - False : Mark all duplicates as ``True``.
 
    Returns
    -------
    duplicated : ndarray[bool]
    """
    if hasattr(values, "dtype") and isinstance(values.dtype, BaseMaskedDtype):
        values = cast("BaseMaskedArray", values)
        return htable.duplicated(values._data, keep=keep, mask=values._mask)
 
    values = _ensure_data(values)
    return htable.duplicated(values, keep=keep)
 
 
def mode(
    values: ArrayLike, dropna: bool = True, mask: npt.NDArray[np.bool_] | None = None
) -> ArrayLike:
    """
    Returns the mode(s) of an array.
 
    Parameters
    ----------
    values : array-like
        Array over which to check for duplicate values.
    dropna : bool, default True
        Don't consider counts of NaN/NaT.
 
    Returns
    -------
    np.ndarray or ExtensionArray
    """
    values = _ensure_arraylike(values)
    original = values
 
    if needs_i8_conversion(values.dtype):
        # Got here with ndarray; dispatch to DatetimeArray/TimedeltaArray.
        values = ensure_wrapped_if_datetimelike(values)
        values = cast("ExtensionArray", values)
        return values._mode(dropna=dropna)
 
    values = _ensure_data(values)
 
    npresult = htable.mode(values, dropna=dropna, mask=mask)
    try:
        npresult = np.sort(npresult)
    except TypeError as err:
        warnings.warn(
            f"Unable to sort modes: {err}",
            stacklevel=find_stack_level(),
        )
 
    result = _reconstruct_data(npresult, original.dtype, original)
    return result
 
 
def rank(
    values: ArrayLike,
    axis: AxisInt = 0,
    method: str = "average",
    na_option: str = "keep",
    ascending: bool = True,
    pct: bool = False,
) -> npt.NDArray[np.float64]:
    """
    Rank the values along a given axis.
 
    Parameters
    ----------
    values : np.ndarray or ExtensionArray
        Array whose values will be ranked. The number of dimensions in this
        array must not exceed 2.
    axis : int, default 0
        Axis over which to perform rankings.
    method : {'average', 'min', 'max', 'first', 'dense'}, default 'average'
        The method by which tiebreaks are broken during the ranking.
    na_option : {'keep', 'top'}, default 'keep'
        The method by which NaNs are placed in the ranking.
        - ``keep``: rank each NaN value with a NaN ranking
        - ``top``: replace each NaN with either +/- inf so that they
                   there are ranked at the top
    ascending : bool, default True
        Whether or not the elements should be ranked in ascending order.
    pct : bool, default False
        Whether or not to the display the returned rankings in integer form
        (e.g. 1, 2, 3) or in percentile form (e.g. 0.333..., 0.666..., 1).
    """
    is_datetimelike = needs_i8_conversion(values.dtype)
    values = _ensure_data(values)
 
    if values.ndim == 1:
        ranks = algos.rank_1d(
            values,
            is_datetimelike=is_datetimelike,
            ties_method=method,
            ascending=ascending,
            na_option=na_option,
            pct=pct,
        )
    elif values.ndim == 2:
        ranks = algos.rank_2d(
            values,
            axis=axis,
            is_datetimelike=is_datetimelike,
            ties_method=method,
            ascending=ascending,
            na_option=na_option,
            pct=pct,
        )
    else:
        raise TypeError("Array with ndim > 2 are not supported.")
 
    return ranks
 
 
def checked_add_with_arr(
    arr: npt.NDArray[np.int64],
    b: int | npt.NDArray[np.int64],
    arr_mask: npt.NDArray[np.bool_] | None = None,
    b_mask: npt.NDArray[np.bool_] | None = None,
) -> npt.NDArray[np.int64]:
    """
    Perform array addition that checks for underflow and overflow.
 
    Performs the addition of an int64 array and an int64 integer (or array)
    but checks that they do not result in overflow first. For elements that
    are indicated to be NaN, whether or not there is overflow for that element
    is automatically ignored.
 
    Parameters
    ----------
    arr : np.ndarray[int64] addend.
    b : array or scalar addend.
    arr_mask : np.ndarray[bool] or None, default None
        array indicating which elements to exclude from checking
    b_mask : np.ndarray[bool] or None, default None
        array or scalar indicating which element(s) to exclude from checking
 
    Returns
    -------
    sum : An array for elements x + b for each element x in arr if b is
          a scalar or an array for elements x + y for each element pair
          (x, y) in (arr, b).
 
    Raises
    ------
    OverflowError if any x + y exceeds the maximum or minimum int64 value.
    """
    # For performance reasons, we broadcast 'b' to the new array 'b2'
    # so that it has the same size as 'arr'.
    b2 = np.broadcast_to(b, arr.shape)
    if b_mask is not None:
        # We do the same broadcasting for b_mask as well.
        b2_mask = np.broadcast_to(b_mask, arr.shape)
    else:
        b2_mask = None
 
    # For elements that are NaN, regardless of their value, we should
    # ignore whether they overflow or not when doing the checked add.
    if arr_mask is not None and b2_mask is not None:
        not_nan = np.logical_not(arr_mask | b2_mask)
    elif arr_mask is not None:
        not_nan = np.logical_not(arr_mask)
    elif b_mask is not None:
        # error: Argument 1 to "__call__" of "_UFunc_Nin1_Nout1" has
        # incompatible type "Optional[ndarray[Any, dtype[bool_]]]";
        # expected "Union[_SupportsArray[dtype[Any]], _NestedSequence
        # [_SupportsArray[dtype[Any]]], bool, int, float, complex, str
        # , bytes, _NestedSequence[Union[bool, int, float, complex, str
        # , bytes]]]"
        not_nan = np.logical_not(b2_mask)  # type: ignore[arg-type]
    else:
        not_nan = np.empty(arr.shape, dtype=bool)
        not_nan.fill(True)
 
    # gh-14324: For each element in 'arr' and its corresponding element
    # in 'b2', we check the sign of the element in 'b2'. If it is positive,
    # we then check whether its sum with the element in 'arr' exceeds
    # np.iinfo(np.int64).max. If so, we have an overflow error. If it
    # it is negative, we then check whether its sum with the element in
    # 'arr' exceeds np.iinfo(np.int64).min. If so, we have an overflow
    # error as well.
    i8max = lib.i8max
    i8min = iNaT
 
    mask1 = b2 > 0
    mask2 = b2 < 0
 
    if not mask1.any():
        to_raise = ((i8min - b2 > arr) & not_nan).any()
    elif not mask2.any():
        to_raise = ((i8max - b2 < arr) & not_nan).any()
    else:
        to_raise = ((i8max - b2[mask1] < arr[mask1]) & not_nan[mask1]).any() or (
            (i8min - b2[mask2] > arr[mask2]) & not_nan[mask2]
        ).any()
 
    if to_raise:
        raise OverflowError("Overflow in int64 addition")
 
    result = arr + b
    if arr_mask is not None or b2_mask is not None:
        np.putmask(result, ~not_nan, iNaT)
 
    return result
 
 
# ---- #
# take #
# ---- #
 
 
def take(
    arr,
    indices: TakeIndexer,
    axis: AxisInt = 0,
    allow_fill: bool = False,
    fill_value=None,
):
    """
    Take elements from an array.
 
    Parameters
    ----------
    arr : array-like or scalar value
        Non array-likes (sequences/scalars without a dtype) are coerced
        to an ndarray.
    indices : sequence of int or one-dimensional np.ndarray of int
        Indices to be taken.
    axis : int, default 0
        The axis over which to select values.
    allow_fill : bool, default False
        How to handle negative values in `indices`.
 
        * False: negative values in `indices` indicate positional indices
          from the right (the default). This is similar to :func:`numpy.take`.
 
        * True: negative values in `indices` indicate
          missing values. These values are set to `fill_value`. Any other
          negative values raise a ``ValueError``.
 
    fill_value : any, optional
        Fill value to use for NA-indices when `allow_fill` is True.
        This may be ``None``, in which case the default NA value for
        the type (``self.dtype.na_value``) is used.
 
        For multi-dimensional `arr`, each *element* is filled with
        `fill_value`.
 
    Returns
    -------
    ndarray or ExtensionArray
        Same type as the input.
 
    Raises
    ------
    IndexError
        When `indices` is out of bounds for the array.
    ValueError
        When the indexer contains negative values other than ``-1``
        and `allow_fill` is True.
 
    Notes
    -----
    When `allow_fill` is False, `indices` may be whatever dimensionality
    is accepted by NumPy for `arr`.
 
    When `allow_fill` is True, `indices` should be 1-D.
 
    See Also
    --------
    numpy.take : Take elements from an array along an axis.
 
    Examples
    --------
    >>> import pandas as pd
 
    With the default ``allow_fill=False``, negative numbers indicate
    positional indices from the right.
 
    >>> pd.api.extensions.take(np.array([10, 20, 30]), [0, 0, -1])
    array([10, 10, 30])
 
    Setting ``allow_fill=True`` will place `fill_value` in those positions.
 
    >>> pd.api.extensions.take(np.array([10, 20, 30]), [0, 0, -1], allow_fill=True)
    array([10., 10., nan])
 
    >>> pd.api.extensions.take(np.array([10, 20, 30]), [0, 0, -1], allow_fill=True,
    ...      fill_value=-10)
    array([ 10,  10, -10])
    """
    if not is_array_like(arr):
        arr = np.asarray(arr)
 
    indices = np.asarray(indices, dtype=np.intp)
 
    if allow_fill:
        # Pandas style, -1 means NA
        validate_indices(indices, arr.shape[axis])
        result = take_nd(
            arr, indices, axis=axis, allow_fill=True, fill_value=fill_value
        )
    else:
        # NumPy style
        result = arr.take(indices, axis=axis)
    return result
 
 
# ------------ #
# searchsorted #
# ------------ #
 
 
def searchsorted(
    arr: ArrayLike,
    value: NumpyValueArrayLike | ExtensionArray,
    side: Literal["left", "right"] = "left",
    sorter: NumpySorter = None,
) -> npt.NDArray[np.intp] | np.intp:
    """
    Find indices where elements should be inserted to maintain order.
 
    Find the indices into a sorted array `arr` (a) such that, if the
    corresponding elements in `value` were inserted before the indices,
    the order of `arr` would be preserved.
 
    Assuming that `arr` is sorted:
 
    ======  ================================
    `side`  returned index `i` satisfies
    ======  ================================
    left    ``arr[i-1] < value <= self[i]``
    right   ``arr[i-1] <= value < self[i]``
    ======  ================================
 
    Parameters
    ----------
    arr: np.ndarray, ExtensionArray, Series
        Input array. If `sorter` is None, then it must be sorted in
        ascending order, otherwise `sorter` must be an array of indices
        that sort it.
    value : array-like or scalar
        Values to insert into `arr`.
    side : {'left', 'right'}, optional
        If 'left', the index of the first suitable location found is given.
        If 'right', return the last such index.  If there is no suitable
        index, return either 0 or N (where N is the length of `self`).
    sorter : 1-D array-like, optional
        Optional array of integer indices that sort array a into ascending
        order. They are typically the result of argsort.
 
    Returns
    -------
    array of ints or int
        If value is array-like, array of insertion points.
        If value is scalar, a single integer.
 
    See Also
    --------
    numpy.searchsorted : Similar method from NumPy.
    """
    if sorter is not None:
        sorter = ensure_platform_int(sorter)
 
    if (
        isinstance(arr, np.ndarray)
        and is_integer_dtype(arr.dtype)
        and (is_integer(value) or is_integer_dtype(value))
    ):
        # if `arr` and `value` have different dtypes, `arr` would be
        # recast by numpy, causing a slow search.
        # Before searching below, we therefore try to give `value` the
        # same dtype as `arr`, while guarding against integer overflows.
        iinfo = np.iinfo(arr.dtype.type)
        value_arr = np.array([value]) if is_scalar(value) else np.array(value)
        if (value_arr >= iinfo.min).all() and (value_arr <= iinfo.max).all():
            # value within bounds, so no overflow, so can convert value dtype
            # to dtype of arr
            dtype = arr.dtype
        else:
            dtype = value_arr.dtype
 
        if is_scalar(value):
            # We know that value is int
            value = cast(int, dtype.type(value))
        else:
            value = pd_array(cast(ArrayLike, value), dtype=dtype)
    else:
        # E.g. if `arr` is an array with dtype='datetime64[ns]'
        # and `value` is a pd.Timestamp, we may need to convert value
        arr = ensure_wrapped_if_datetimelike(arr)
 
    # Argument 1 to "searchsorted" of "ndarray" has incompatible type
    # "Union[NumpyValueArrayLike, ExtensionArray]"; expected "NumpyValueArrayLike"
    return arr.searchsorted(value, side=side, sorter=sorter)  # type: ignore[arg-type]
 
 
# ---- #
# diff #
# ---- #
 
_diff_special = {"float64", "float32", "int64", "int32", "int16", "int8"}
 
 
def diff(arr, n: int, axis: AxisInt = 0):
    """
    difference of n between self,
    analogous to s-s.shift(n)
 
    Parameters
    ----------
    arr : ndarray or ExtensionArray
    n : int
        number of periods
    axis : {0, 1}
        axis to shift on
    stacklevel : int, default 3
        The stacklevel for the lost dtype warning.
 
    Returns
    -------
    shifted
    """
 
    n = int(n)
    na = np.nan
    dtype = arr.dtype
 
    is_bool = is_bool_dtype(dtype)
    if is_bool:
        op = operator.xor
    else:
        op = operator.sub
 
    if isinstance(dtype, PandasDtype):
        # PandasArray cannot necessarily hold shifted versions of itself.
        arr = arr.to_numpy()
        dtype = arr.dtype
 
    if not isinstance(dtype, np.dtype):
        # i.e ExtensionDtype
        if hasattr(arr, f"__{op.__name__}__"):
            if axis != 0:
                raise ValueError(f"cannot diff {type(arr).__name__} on axis={axis}")
            return op(arr, arr.shift(n))
        else:
            raise TypeError(
                f"{type(arr).__name__} has no 'diff' method. "
                "Convert to a suitable dtype prior to calling 'diff'."
            )
 
    is_timedelta = False
    if needs_i8_conversion(arr.dtype):
        dtype = np.int64
        arr = arr.view("i8")
        na = iNaT
        is_timedelta = True
 
    elif is_bool:
        # We have to cast in order to be able to hold np.nan
        dtype = np.object_
 
    elif is_integer_dtype(dtype):
        # We have to cast in order to be able to hold np.nan
 
        # int8, int16 are incompatible with float64,
        # see https://github.com/cython/cython/issues/2646
        if arr.dtype.name in ["int8", "int16"]:
            dtype = np.float32
        else:
            dtype = np.float64
 
    orig_ndim = arr.ndim
    if orig_ndim == 1:
        # reshape so we can always use algos.diff_2d
        arr = arr.reshape(-1, 1)
        # TODO: require axis == 0
 
    dtype = np.dtype(dtype)
    out_arr = np.empty(arr.shape, dtype=dtype)
 
    na_indexer = [slice(None)] * 2
    na_indexer[axis] = slice(None, n) if n >= 0 else slice(n, None)
    out_arr[tuple(na_indexer)] = na
 
    if arr.dtype.name in _diff_special:
        # TODO: can diff_2d dtype specialization troubles be fixed by defining
        #  out_arr inside diff_2d?
        algos.diff_2d(arr, out_arr, n, axis, datetimelike=is_timedelta)
    else:
        # To keep mypy happy, _res_indexer is a list while res_indexer is
        #  a tuple, ditto for lag_indexer.
        _res_indexer = [slice(None)] * 2
        _res_indexer[axis] = slice(n, None) if n >= 0 else slice(None, n)
        res_indexer = tuple(_res_indexer)
 
        _lag_indexer = [slice(None)] * 2
        _lag_indexer[axis] = slice(None, -n) if n > 0 else slice(-n, None)
        lag_indexer = tuple(_lag_indexer)
 
        out_arr[res_indexer] = op(arr[res_indexer], arr[lag_indexer])
 
    if is_timedelta:
        out_arr = out_arr.view("timedelta64[ns]")
 
    if orig_ndim == 1:
        out_arr = out_arr[:, 0]
    return out_arr
 
 
# --------------------------------------------------------------------
# Helper functions
 
 
# Note: safe_sort is in algorithms.py instead of sorting.py because it is
#  low-dependency, is used in this module, and used private methods from
#  this module.
def safe_sort(
    values,
    codes=None,
    use_na_sentinel: bool = True,
    assume_unique: bool = False,
    verify: bool = True,
) -> AnyArrayLike | tuple[AnyArrayLike, np.ndarray]:
    """
    Sort ``values`` and reorder corresponding ``codes``.
 
    ``values`` should be unique if ``codes`` is not None.
    Safe for use with mixed types (int, str), orders ints before strs.
 
    Parameters
    ----------
    values : list-like
        Sequence; must be unique if ``codes`` is not None.
    codes : list_like, optional
        Indices to ``values``. All out of bound indices are treated as
        "not found" and will be masked with ``-1``.
    use_na_sentinel : bool, default True
        If True, the sentinel -1 will be used for NaN values. If False,
        NaN values will be encoded as non-negative integers and will not drop the
        NaN from the uniques of the values.
    assume_unique : bool, default False
        When True, ``values`` are assumed to be unique, which can speed up
        the calculation. Ignored when ``codes`` is None.
    verify : bool, default True
        Check if codes are out of bound for the values and put out of bound
        codes equal to ``-1``. If ``verify=False``, it is assumed there
        are no out of bound codes. Ignored when ``codes`` is None.
 
    Returns
    -------
    ordered : AnyArrayLike
        Sorted ``values``
    new_codes : ndarray
        Reordered ``codes``; returned when ``codes`` is not None.
 
    Raises
    ------
    TypeError
        * If ``values`` is not list-like or if ``codes`` is neither None
        nor list-like
        * If ``values`` cannot be sorted
    ValueError
        * If ``codes`` is not None and ``values`` contain duplicates.
    """
    if not is_list_like(values):
        raise TypeError(
            "Only list-like objects are allowed to be passed to safe_sort as values"
        )
 
    if not is_array_like(values):
        # don't convert to string types
        dtype, _ = infer_dtype_from_array(values)
        # error: Argument "dtype" to "asarray" has incompatible type "Union[dtype[Any],
        # ExtensionDtype]"; expected "Union[dtype[Any], None, type, _SupportsDType, str,
        # Union[Tuple[Any, int], Tuple[Any, Union[int, Sequence[int]]], List[Any],
        # _DTypeDict, Tuple[Any, Any]]]"
        values = np.asarray(values, dtype=dtype)  # type: ignore[arg-type]
 
    sorter = None
    ordered: AnyArrayLike
 
    if (
        not is_extension_array_dtype(values)
        and lib.infer_dtype(values, skipna=False) == "mixed-integer"
    ):
        ordered = _sort_mixed(values)
    else:
        try:
            sorter = values.argsort()
            ordered = values.take(sorter)
        except TypeError:
            # Previous sorters failed or were not applicable, try `_sort_mixed`
            # which would work, but which fails for special case of 1d arrays
            # with tuples.
            if values.size and isinstance(values[0], tuple):
                ordered = _sort_tuples(values)
            else:
                ordered = _sort_mixed(values)
 
    # codes:
 
    if codes is None:
        return ordered
 
    if not is_list_like(codes):
        raise TypeError(
            "Only list-like objects or None are allowed to "
            "be passed to safe_sort as codes"
        )
    codes = ensure_platform_int(np.asarray(codes))
 
    if not assume_unique and not len(unique(values)) == len(values):
        raise ValueError("values should be unique if codes is not None")
 
    if sorter is None:
        # mixed types
        hash_klass, values = _get_hashtable_algo(values)
        t = hash_klass(len(values))
        t.map_locations(values)
        sorter = ensure_platform_int(t.lookup(ordered))
 
    if use_na_sentinel:
        # take_nd is faster, but only works for na_sentinels of -1
        order2 = sorter.argsort()
        new_codes = take_nd(order2, codes, fill_value=-1)
        if verify:
            mask = (codes < -len(values)) | (codes >= len(values))
        else:
            mask = None
    else:
        reverse_indexer = np.empty(len(sorter), dtype=np.int_)
        reverse_indexer.put(sorter, np.arange(len(sorter)))
        # Out of bound indices will be masked with `-1` next, so we
        # may deal with them here without performance loss using `mode='wrap'`
        new_codes = reverse_indexer.take(codes, mode="wrap")
 
        if use_na_sentinel:
            mask = codes == -1
            if verify:
                mask = mask | (codes < -len(values)) | (codes >= len(values))
 
    if use_na_sentinel and mask is not None:
        np.putmask(new_codes, mask, -1)
 
    return ordered, ensure_platform_int(new_codes)
 
 
def _sort_mixed(values) -> AnyArrayLike:
    """order ints before strings before nulls in 1d arrays"""
    str_pos = np.array([isinstance(x, str) for x in values], dtype=bool)
    null_pos = np.array([isna(x) for x in values], dtype=bool)
    num_pos = ~str_pos & ~null_pos
    str_argsort = np.argsort(values[str_pos])
    num_argsort = np.argsort(values[num_pos])
    # convert boolean arrays to positional indices, then order by underlying values
    str_locs = str_pos.nonzero()[0].take(str_argsort)
    num_locs = num_pos.nonzero()[0].take(num_argsort)
    null_locs = null_pos.nonzero()[0]
    locs = np.concatenate([num_locs, str_locs, null_locs])
    return values.take(locs)
 
 
def _sort_tuples(values: np.ndarray) -> np.ndarray:
    """
    Convert array of tuples (1d) to array of arrays (2d).
    We need to keep the columns separately as they contain different types and
    nans (can't use `np.sort` as it may fail when str and nan are mixed in a
    column as types cannot be compared).
    """
    from pandas.core.internals.construction import to_arrays
    from pandas.core.sorting import lexsort_indexer
 
    arrays, _ = to_arrays(values, None)
    indexer = lexsort_indexer(arrays, orders=True)
    return values[indexer]
 
 
def union_with_duplicates(
    lvals: ArrayLike | Index, rvals: ArrayLike | Index
) -> ArrayLike | Index:
    """
    Extracts the union from lvals and rvals with respect to duplicates and nans in
    both arrays.
 
    Parameters
    ----------
    lvals: np.ndarray or ExtensionArray
        left values which is ordered in front.
    rvals: np.ndarray or ExtensionArray
        right values ordered after lvals.
 
    Returns
    -------
    np.ndarray or ExtensionArray
        Containing the unsorted union of both arrays.
 
    Notes
    -----
    Caller is responsible for ensuring lvals.dtype == rvals.dtype.
    """
    from pandas import Series
 
    l_count = value_counts(lvals, dropna=False)
    r_count = value_counts(rvals, dropna=False)
    l_count, r_count = l_count.align(r_count, fill_value=0)
    final_count = np.maximum(l_count.values, r_count.values)
    final_count = Series(final_count, index=l_count.index, dtype="int", copy=False)
    if isinstance(lvals, ABCMultiIndex) and isinstance(rvals, ABCMultiIndex):
        unique_vals = lvals.append(rvals).unique()
    else:
        if isinstance(lvals, ABCIndex):
            lvals = lvals._values
        if isinstance(rvals, ABCIndex):
            rvals = rvals._values
        unique_vals = unique(concat_compat([lvals, rvals]))
        unique_vals = ensure_wrapped_if_datetimelike(unique_vals)
    repeats = final_count.reindex(unique_vals).values
    return np.repeat(unique_vals, repeats)