Limits.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-4.2.0).
003  * Copyright (c) 2007-2018 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@gmail.com)
019  */
020 package io.jenetics.engine;
021 
022 import static java.lang.Math.abs;
023 import static java.lang.Math.max;
024 import static java.lang.String.format;
025 
026 import java.time.Clock;
027 import java.time.Duration;
028 import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
029 import java.util.function.BiPredicate;
030 import java.util.function.Predicate;
031 
032 import io.jenetics.NumericGene;
033 import io.jenetics.internal.util.require;
034 import io.jenetics.stat.DoubleMoments;
035 import io.jenetics.util.NanoClock;
036 
037 /**
038  * This class contains factory methods for creating predicates, which can be
039  * used for limiting the evolution stream. Some of the <em>limit</em> predicates
040  * have to maintain internal state for working properly. It is therefor
041  * recommended to create new instances for every stream and don't reuse it.
042  *
043  @see EvolutionStream#limit(Predicate)
044  *
045  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
046  @since 3.0
047  @version 3.7
048  */
049 public final class Limits {
050     private Limits() {require.noInstance();}
051 
052     /**
053      * Return a predicate which always return {@code true}.
054      *
055      @since 4.1
056      *
057      @return a predicate which always return {@code true}
058      */
059     public static Predicate<Object> infinite() {
060         return result -> true;
061     }
062 
063     /**
064      * Return a predicate, which will truncate the evolution stream after the
065      * given number of generations. The returned predicate behaves like a call
066      * of the {@link java.util.stream.Stream#limit(long)} and exists for
067      <i>completeness</i> reasons.
068      *
069      @since 3.1
070      *
071      @param generation the number of generations after the evolution stream is
072      *        truncated
073      @return a predicate which truncates the evolution stream after the given
074      *        number of generations
075      @throws java.lang.IllegalArgumentException if the given {@code generation}
076      *         is smaller than zero.
077      */
078     public static Predicate<Object> byFixedGeneration(final long generation) {
079         if (generation < 0) {
080             throw new IllegalArgumentException(format(
081                 "The number of generations must greater than one, but was %d",
082                 generation
083             ));
084         }
085 
086         return new Predicate<Object>() {
087             private final AtomicLong _current = new AtomicLong();
088             @Override
089             public boolean test(final Object o) {
090                 return _current.incrementAndGet() <= generation;
091             }
092         };
093     }
094 
095     /**
096      * Return a predicate, which will truncate the evolution stream if no
097      * better phenotype could be found after the given number of
098      * {@code generations}.
099      *
100      <pre>{@code
101      * final Phenotype<DoubleGene, Double> result = engine.stream()
102      *      // Truncate the evolution stream after 5 "steady" generations.
103      *     .limit(bySteadyFitness(5))
104      *      // The evolution will stop after maximal 100 generations.
105      *     .limit(100)
106      *     .collect(toBestPhenotype());
107      * }</pre>
108      *
109      @param generations the number of <i>steady</i> generations
110      @param <C> the fitness type
111      @return a predicate which truncate the evolution stream if no better
112      *         phenotype could be found after a give number of
113      *         {@code generations}
114      @throws IllegalArgumentException if the generation is smaller than
115      *         one.
116      */
117     public static <C extends Comparable<? super C>>
118     Predicate<EvolutionResult<?, C>> bySteadyFitness(final int generations) {
119         return new SteadyFitnessLimit<>(generations);
120     }
121 
122     /**
123      * Return a predicate, which will truncate the evolution stream if the GA
124      * execution exceeds a given time duration. This predicate is (normally)
125      * used as safety net, for guaranteed stream truncation.
126      *
127      <pre>{@code
128      * final Phenotype<DoubleGene, Double> result = engine.stream()
129      *      // Truncate the evolution stream after 5 "steady" generations.
130      *     .limit(bySteadyFitness(5))
131      *      // The evolution will stop after maximal 500 ms.
132      *     .limit(byExecutionTime(Duration.ofMillis(500), Clock.systemUTC())
133      *     .collect(toBestPhenotype());
134      * }</pre>
135      *
136      @since 3.1
137      *
138      @param duration the duration after the evolution stream will be truncated
139      @param clock the clock used for measure the execution time
140      @return a predicate, which will truncate the evolution stream, based on
141      *         the exceeded execution time
142      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}
143      */
144     public static Predicate<Object>
145     byExecutionTime(final Duration duration, final Clock clock) {
146         return new ExecutionTimeLimit(duration, clock);
147     }
148 
149     /**
150      * Return a predicate, which will truncate the evolution stream if the GA
151      * execution exceeds a given time duration. This predicate is (normally)
152      * used as safety net, for guaranteed stream truncation.
153      *
154      <pre>{@code
155      * final Phenotype<DoubleGene, Double> result = engine.stream()
156      *      // Truncate the evolution stream after 5 "steady" generations.
157      *     .limit(bySteadyFitness(5))
158      *      // The evolution will stop after maximal 500 ms.
159      *     .limit(byExecutionTime(Duration.ofMillis(500))
160      *     .collect(toBestPhenotype());
161      * }</pre>
162      *
163      @since 3.1
164      *
165      @param duration the duration after the evolution stream will be truncated
166      @return a predicate, which will truncate the evolution stream, based on
167      *         the exceeded execution time
168      @throws NullPointerException if the evolution {@code duration} is
169      *         {@code null}
170      */
171     public static Predicate<Object>
172     byExecutionTime(final Duration duration) {
173         return byExecutionTime(duration, NanoClock.systemUTC());
174     }
175 
176     /**
177      * Return a predicate, which will truncated the evolution stream if the
178      * best fitness of the current population becomes less than the specified
179      * threshold and the objective is set to minimize the fitness. This
180      * predicate also stops the evolution if the best fitness in the current
181      * population becomes greater than the user-specified fitness threshold when
182      * the objective is to maximize the fitness.
183      *
184      <pre>{@code
185      * final Phenotype<DoubleGene, Double> result = engine.stream()
186      *      // Truncate the evolution stream if the best fitness is higher than
187      *      // the given threshold of '2.3'.
188      *     .limit(byFitnessThreshold(2.3))
189      *      // The evolution will stop after maximal 250 generations; guarantees
190      *      // the termination (truncation) of the evolution stream.
191      *     .limit(250)
192      *     .collect(toBestPhenotype());
193      * }</pre>
194      *
195      @since 3.1
196      *
197      @param threshold the desired threshold
198      @param <C> the fitness type
199      @return the predicate which truncates the evolution stream based on the
200      *         given {@code threshold}.
201      @throws NullPointerException if the given {@code threshold} is
202      *        {@code null}.
203      */
204     public static <C extends Comparable<? super C>>
205     Predicate<EvolutionResult<?, C>> byFitnessThreshold(final C threshold) {
206         return new FitnessThresholdLimit<>(threshold);
207     }
208 
209     /**
210      * Return a predicate, which will truncate the evolution stream if the
211      * fitness is converging. Two filters of different lengths are used to
212      * smooth the best fitness across the generations.
213      *
214      <pre>{@code
215      * final Phenotype<DoubleGene, Double> result = engine.stream()
216      *     .limit(byFitnessConvergence(5, 15, (s, l) -> {
217      *          final double div = max(abs(s.getMean()), abs(l.getMean()));
218      *          final eps = abs(s.getMean() - l.getMean())/(div <= 10E-20 ? 1.0 : div);
219      *          return esp >= 10E-5
220      *     }))
221      *     .collect(toBestPhenotype());
222      * }</pre>
223      *
224      * In the example above, the moving average of the short- and long filter
225      * is used for determining the fitness convergence.
226      *
227      * @apiNote The returned predicate maintains mutable state.
228      * Using it in a parallel evolution streams needs external synchronization
229      * of the {@code test} method.
230      *
231      @since 3.7
232      *
233      @param shortFilterSize the size of the short filter
234      @param longFilterSize the size of the long filter. The long filter size
235      *        also determines the minimum number of generations of the evolution
236      *        stream.
237      @param proceed the predicate which determines when the evolution stream
238      *        is truncated. The first parameter of the predicate contains the
239      *        double statistics of the short filter and the second parameter
240      *        contains the statistics of the long filter
241      @param <N> the fitness type
242      @return a new fitness convergence strategy
243      @throws NullPointerException if the {@code proceed} predicate is
244      *         {@code null}
245      */
246     public static <N extends Number & Comparable<? super N>>
247     Predicate<EvolutionResult<?, N>> byFitnessConvergence(
248         final int shortFilterSize,
249         final int longFilterSize,
250         final BiPredicate<DoubleMoments, DoubleMoments> proceed
251     ) {
252         return new FitnessConvergenceLimit<>(
253             shortFilterSize,
254             longFilterSize,
255             proceed
256         );
257     }
258 
259     /**
260      * Return a predicate, which will truncate the evolution stream if the
261      * fitness is converging. Two filters of different lengths are used to
262      * smooth the best fitness across the generations. When the smoothed best
263      * fitness from the long filter is less than a user-specified percentage
264      * away from the smoothed best fitness from the short filter, the fitness is
265      * deemed as converged and the evolution terminates.
266      *
267      <pre>{@code
268      * final Phenotype<DoubleGene, Double> result = engine.stream()
269      *     .limit(byFitnessConvergence(5, 15, 10E-4))
270      *     .collect(toBestPhenotype());
271      * }</pre>
272      *
273      * In the given example, the evolution stream stops, if the difference of the
274      * mean values of the long and short filter is less than 1%. The short
275      * filter calculates the mean of the best fitness values of the last 5
276      * generations. The long filter uses the best fitness values of the last 15
277      * generations.
278      *
279      * @apiNote The returned predicate maintains mutable state.
280      * Using it in a parallel evolution streams needs external synchronization
281      * of the {@code test} method.
282      *
283      @since 3.7
284      *
285      @param shortFilterSize the size of the short filter
286      @param longFilterSize the size of the long filter. The long filter size
287      *        also determines the minimum number of generations of the evolution
288      *        stream.
289      @param epsilon the maximal relative distance of the mean value between
290      *        the short and the long filter. The {@code epsilon} must within the
291      *        range of {@code [0..1]}.
292      @param <N> the fitness type
293      @return a new fitness convergence strategy
294      @throws IllegalArgumentException if {@code shortFilterSize < 1} ||
295      *         {@code longFilterSize < 2} ||
296      *         {@code shortFilterSize >= longFilterSize}
297      @throws IllegalArgumentException if {@code epsilon} is not in the range
298      *         of {@code [0..1]}
299      */
300     public static <N extends Number & Comparable<? super N>>
301     Predicate<EvolutionResult<?, N>> byFitnessConvergence(
302         final int shortFilterSize,
303         final int longFilterSize,
304         final double epsilon
305     ) {
306         if (epsilon < 0.0 || epsilon > 1.0) {
307             throw new IllegalArgumentException(format(
308                 "The given epsilon is not in the range [0, 1]: %f", epsilon
309             ));
310         }
311 
312         return new FitnessConvergenceLimit<>(
313             shortFilterSize,
314             longFilterSize,
315             (s, l-> eps(s.getMean(), l.getMean()) >= epsilon
316         );
317     }
318 
319     // Calculate the relative mean difference between short and long filter.
320     private static double eps(final double s, final double l) {
321         final double div = max(abs(s), abs(l));
322         return abs(s - l)/(div <= 10E-20 1.0 : div);
323     }
324 
325     /**
326      * A termination method that stops the evolution when the population is
327      * deemed as converged. The population is deemed as converged when the
328      * average fitness across the current population is less than a
329      * user-specified percentage away from the best fitness of the current
330      * population. This method takes a predicate with the <em>best</em> fitness
331      * and the population fitness moments and determine whether to proceed or
332      * not.
333      *
334      @since 3.9
335      *
336      @param proceed the predicate which determines when the evolution stream
337      *        is truncated. The first parameter of the predicate contains the
338      *        best fitness of the population and the second parameter contains
339      *        the statistics of population fitness values
340      @param <N> the fitness type
341      @return a new fitness convergence strategy
342      @throws NullPointerException if the {@code proceed} predicate is
343      *         {@code null}
344      */
345     public static <N extends Number & Comparable<? super N>>
346     Predicate<EvolutionResult<?, N>> byPopulationConvergence(
347         final BiPredicate<Double, DoubleMoments> proceed
348     ) {
349         return new PopulationConvergenceLimit<>(proceed);
350     }
351 
352     /**
353      * A termination method that stops the evolution when the population is
354      * deemed as converged. The population is deemed as converged when the
355      * average fitness across the current population is less than a
356      * user-specified percentage away from the best fitness of the current
357      * population.
358      *
359      @since 3.9
360      *
361      @param epsilon the maximal relative distance of the best fitness value of
362      *        the population and the mean value of the population fitness values.
363      @param <N> the fitness type
364      @return a new fitness convergence strategy
365      @throws IllegalArgumentException if {@code epsilon} is not in the range
366      *         of {@code [0..1]}
367      */
368     public static <N extends Number & Comparable<? super N>>
369     Predicate<EvolutionResult<?, N>>
370     byPopulationConvergence(final double epsilon) {
371         if (epsilon < 0.0 || epsilon > 1.0) {
372             throw new IllegalArgumentException(format(
373                 "The given epsilon is not in the range [0, 1]: %f", epsilon
374             ));
375         }
376 
377         return new PopulationConvergenceLimit<>((best, moments->
378             eps(best, moments.getMean()) >= epsilon
379         );
380     }
381 
382     /**
383      * A termination method that stops the evolution when a user-specified
384      * percentage of the genes ({@code convergedGeneRage}) that make up a
385      * {@code Genotype} are deemed as converged. A gene is deemed as converged,
386      * if the {@code geneConvergence} {@code Predicate<DoubleMoments>} for this
387      * gene returns {@code true}.
388      *
389      @since 4.0
390      @see #byGeneConvergence(double, double)
391      *
392      @param geneConvergence predicate which defines when a gene is deemed as
393      *        converged, by using the statistics of this gene over all genotypes
394      *        of the population
395      @param convergedGeneRate the percentage of genes which must be converged
396      *        for truncating the evolution stream
397      @param <G> the gene type
398      @return a new gene convergence predicate
399      @throws NullPointerException if the given gene convergence predicate is
400      *         {@code null}
401      @throws IllegalArgumentException if the {@code convergedGeneRate} is not
402      *         within the range {@code [0, 1]}
403      */
404     public static <G extends NumericGene<?, G>> Predicate<EvolutionResult<G, ?>>
405     byGeneConvergence(
406         final Predicate<DoubleMoments> geneConvergence,
407         final double convergedGeneRate
408     ) {
409         return new GeneConvergenceLimit<>(geneConvergence, convergedGeneRate);
410     }
411 
412     /**
413      * A termination method that stops the evolution when a user-specified
414      * percentage of the genes ({@code convergedGeneRage}) that make up a
415      * {@code Genotype} are deemed as converged. A gene is deemed as converged
416      * when the average value of that gene across all of the genotypes in the
417      * current population is less than a user-specified percentage
418      * ({@code convergenceRate}) away from the maximum gene value across the
419      * genotypes.
420      <p>
421      * This method is equivalent the following code snippet:
422      <pre>{@code
423      * final Predicate<EvolutionResult<DoubleGene, ?>> limit =
424      *     byGeneConvergence(
425      *         stat -> stat.getMax()*convergenceRate <= stat.getMean(),
426      *         convergedGeneRate
427      *     );
428      * }</pre>
429      *
430      @since 4.0
431      @see #byGeneConvergence(Predicate, double)
432      *
433      @param convergenceRate the relative distance of the average gene value
434      *        to its maximum value
435      @param convergedGeneRate the percentage of genes which must be converged
436      *        for truncating the evolution stream
437      @param <G> the gene type
438      @return a new gene convergence predicate
439      @throws IllegalArgumentException if the {@code convergedGeneRate} or
440      *         {@code convergenceRate} are not within the range {@code [0, 1]}
441      */
442     public static <G extends NumericGene<?, G>> Predicate<EvolutionResult<G, ?>>
443     byGeneConvergence(
444         final double convergenceRate,
445         final double convergedGeneRate
446     ) {
447         return byGeneConvergence(
448             stat -> stat.getMax()*convergenceRate <= stat.getMean(),
449             convergedGeneRate
450         );
451     }
452 
453 }