ProgramGene.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-3.9.0).
003  * Copyright (c) 2007-2017 Franz Wilhelmstötter
004  *
005  * Licensed under the Apache License, Version 2.0 (the "License");
006  * you may not use this file except in compliance with the License.
007  * You may obtain a copy of the License at
008  *
009  *      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
010  *
011  * Unless required by applicable law or agreed to in writing, software
012  * distributed under the License is distributed on an "AS IS" BASIS,
013  * WITHOUT WARRANTIES OR CONDITIONS OF ANY KIND, either express or implied.
014  * See the License for the specific language governing permissions and
015  * limitations under the License.
016  *
017  * Author:
018  *    Franz Wilhelmstötter (franz.wilhelmstoetter@gmx.at)
019  */
020 package org.jenetics.prog;
021 
022 import static java.lang.String.format;
023 import static java.util.Objects.requireNonNull;
024 
025 import java.util.Random;
026 import java.util.function.Function;
027 
028 import org.jenetics.Gene;
029 import org.jenetics.ext.AbstractTreeGene;
030 import org.jenetics.prog.op.Op;
031 import org.jenetics.prog.op.Program;
032 import org.jenetics.util.ISeq;
033 import org.jenetics.util.RandomRegistry;
034 
035 /**
036  * This gene represents a program, build upon an AST of {@link Op} functions.
037  * Because of the tight coupling with the {@link ProgramChromosome}, a
038  * {@code ProgramGene} can't be created directly. This reduces the the possible
039  <em>error space</em>. Since the {@code ProgramGene} also is a {@code Tree},
040  * it can be easily used as result.
041  *
042  <pre>{@code
043  * final ProgramGene<Double> program = engine.stream()
044  *     .limit(300)
045  *     .collect(EvolutionResult.toBestGenotype())
046  *     .getGene();
047  *
048  * final double result = program.eval(3.4);
049  * }</pre>
050  *
051  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmx.at">Franz Wilhelmstötter</a>
052  @version 3.9
053  @since 3.9
054  */
055 public final class ProgramGene<A>
056     extends AbstractTreeGene<Op<A>, ProgramGene<A>>
057     implements Gene<Op<A>, ProgramGene<A>>, Function<A[], A>
058 {
059 
060     private final ISeq<? extends Op<A>> _operations;
061     private final ISeq<? extends Op<A>> _terminals;
062 
063     ProgramGene(
064         final Op<A> op,
065         final int childOffset,
066         final ISeq<? extends Op<A>> operations,
067         final ISeq<? extends Op<A>> terminals
068     ) {
069         super(requireNonNull(get(op)), childOffset, op.arity());
070         _operations = requireNonNull(operations);
071         _terminals = requireNonNull(terminals);
072     }
073 
074     private static <A> Op<A> get(final Op<A> op) {
075         final Op<A> instance = op.get();
076         if (instance != op && instance.arity() != op.arity()) {
077             throw new IllegalArgumentException(format(
078                 "Original op and created op have different arity: %d != %d,",
079                 instance.arity(), op.arity()
080             ));
081         }
082         return instance;
083     }
084 
085     /**
086      * Evaluates this program gene (recursively) with the given variable values.
087      *
088      @see ProgramGene#eval(Object[])
089      @see ProgramChromosome#eval(Object[])
090      *
091      @param args the input variables
092      @return the evaluated value
093      @throws NullPointerException if the given variable array is {@code null}
094      */
095     @Override
096     public A apply(final A[] args) {
097         checkTreeState();
098         return Program.eval(this, args);
099     }
100 
101     /**
102      * Convenient method, which lets you apply the program function without
103      * explicitly create a wrapper array.
104      *
105      @see ProgramGene#apply(Object[])
106      @see ProgramChromosome#eval(Object[])
107      *
108      @param args the function arguments
109      @return the evaluated value
110      @throws NullPointerException if the given variable array is {@code null}
111      */
112     @SafeVarargs
113     public final A eval(final A... args) {
114         return apply(args);
115     }
116 
117     /**
118      * Return the allowed operations.
119      *
120      @return the allowed operations
121      */
122     public ISeq<? extends Op<A>> getOperations() {
123         return _operations;
124     }
125 
126     /**
127      * Return the allowed terminal operations.
128      *
129      @return the allowed terminal operations
130      */
131     public ISeq<? extends Op<A>> getTerminals() {
132         return _terminals;
133     }
134 
135     @Override
136     public ProgramGene<A> newInstance() {
137         final Random random = RandomRegistry.getRandom();
138 
139         Op<A> operation = getValue();
140         if (isLeaf()) {
141             operation = _terminals.get(random.nextInt(_terminals.length()));
142         else {
143             final ISeq<Op<A>> operations = _operations.stream()
144                 .filter(op -> op.arity() == getValue().arity())
145                 .map(op -> (Op<A>)op)
146                 .collect(ISeq.toISeq());
147 
148             if (operations.length() 1) {
149                 operation = operations.get(random.nextInt(operations.length()));
150             }
151         }
152 
153         return newInstance(operation);
154     }
155 
156     /**
157      * Create a new program gene with the given operation.
158      *
159      @param op the operation of the new program gene
160      @return a new program gene with the given operation
161      @throws NullPointerException if the given {@code op} is {@code null}
162      @throws IllegalArgumentException if the arity of the given operation is
163      *         different from the arity of current operation. This restriction
164      *         ensures that only valid program genes are created by this method.
165      */
166     @Override
167     public ProgramGene<A> newInstance(final Op<A> op) {
168         if (getValue().arity() != op.arity()) {
169             throw new IllegalArgumentException(format(
170                 "New operation must have same arity: %s[%d] != %s[%d]",
171                 getValue().name(), getValue().arity(), op.name(), op.arity()
172             ));
173         }
174         return new ProgramGene<>(op, childOffset(), _operations, _terminals);
175     }
176 
177     /**
178      * Return a new program gene with the given operation and the <em>local</em>
179      * tree structure.
180      *
181      @param op the new operation
182      @param childOffset the offset of the first node child within the
183      *        chromosome
184      @param childCount the number of children of the new tree gene
185      @return a new tree gene with the given parameters
186      @throws IllegalArgumentException  if the {@code childCount} is smaller
187      *         than zero
188      @throws IllegalArgumentException if the operation arity is different from
189      *         the {@code childCount}.
190      @throws NullPointerException if the given {@code op} is {@code null}
191      */
192     @Override
193     public ProgramGene<A> newInstance(
194         final Op<A> op,
195         final int childOffset,
196         final int childCount
197     ) {
198         if (op.arity() != childCount) {
199             throw new IllegalArgumentException(format(
200                 "Operation arity and child count are different: %d, != %d",
201                 op.arity(), childCount
202             ));
203         }
204 
205         return new ProgramGene<>(op, childOffset, _operations, _terminals);
206     }
207 
208 }