CharacterChromosome.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-4.3.0).
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;
021 
022 import static io.jenetics.CharacterGene.DEFAULT_CHARACTERS;
023 import static io.jenetics.internal.util.Hashes.hash;
024 
025 import java.io.IOException;
026 import java.io.ObjectInputStream;
027 import java.io.ObjectOutputStream;
028 import java.io.Serializable;
029 import java.util.Objects;
030 import java.util.function.Supplier;
031 import java.util.stream.Collectors;
032 
033 import io.jenetics.internal.util.IntRef;
034 import io.jenetics.internal.util.reflect;
035 import io.jenetics.util.CharSeq;
036 import io.jenetics.util.ISeq;
037 import io.jenetics.util.IntRange;
038 import io.jenetics.util.MSeq;
039 
040 /**
041  * CharacterChromosome which represents character sequences.
042  *
043  @see CharacterGene
044  *
045  * @implNote
046  * This class is immutable and thread-safe.
047  *
048  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
049  @since 1.0
050  @version 4.3
051  */
052 public class CharacterChromosome
053     extends
054         VariableChromosome<CharacterGene>
055     implements
056         CharSequence,
057         Serializable
058 {
059     private static final long serialVersionUID = 3L;
060 
061     private transient CharSeq _validCharacters;
062 
063     /**
064      * Create a new chromosome from the given {@code genes} array. The genes
065      * array is copied, so changes to the given genes array doesn't effect the
066      * genes of this chromosome.
067      *
068      @since 4.0
069      *
070      @param genes the genes that form the chromosome.
071      @param lengthRange the allowed length range of the chromosome.
072      @throws NullPointerException if the given gene array is {@code null}.
073      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene array is
074      *         smaller than one.
075      */
076     protected CharacterChromosome(
077         final ISeq<CharacterGene> genes,
078         final IntRange lengthRange
079     ) {
080         super(genes, lengthRange);
081         _validCharacters = genes.get(0).getValidCharacters();
082     }
083 
084     /**
085      * Create a new chromosome with the {@code validCharacters} char set as
086      * valid characters.
087      *
088      @since 4.0
089      *
090      @param validCharacters the valid characters for this chromosome.
091      @param lengthRange the allowed length range of the chromosome.
092      @throws NullPointerException if the {@code validCharacters} is
093      *         {@code null}.
094      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene sequence is
095      *         empty, doesn't match with the allowed length range, the minimum
096      *         or maximum of the range is smaller or equal zero or the given
097      *         range size is zero.
098      *
099      @deprecated Use {@link #of(CharSeq, IntRange)} instead.
100      */
101     @Deprecated
102     public CharacterChromosome(
103         final CharSeq validCharacters,
104         final IntRange lengthRange
105     ) {
106         this(CharacterGene.seq(validCharacters, lengthRange), lengthRange);
107         _valid = true;
108     }
109 
110     /**
111      * Create a new chromosome with the {@code validCharacters} char set as
112      * valid characters.
113      *
114      @param validCharacters the valid characters for this chromosome.
115      @param length the length of the chromosome.
116      @throws NullPointerException if the {@code validCharacters} is
117      *         {@code null}.
118      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene sequence is
119      *         empty, doesn't match with the allowed length range, the minimum
120      *         or maximum of the range is smaller or equal zero or the given
121      *         range size is zero.
122      *
123      @deprecated Use {@link #of(CharSeq, int)} instead.
124      */
125     @Deprecated
126     public CharacterChromosome(
127         final CharSeq validCharacters,
128         final int length
129     ) {
130         this(validCharacters, IntRange.of(length));
131     }
132 
133     @Override
134     public char charAt(final int index) {
135         return getGene(index).charValue();
136     }
137 
138     @Override
139     public CharacterChromosome subSequence(final int start, final int end) {
140         return new CharacterChromosome(_genes.subSeq(start, end), lengthRange());
141     }
142 
143     /**
144      @throws NullPointerException if the given gene array is {@code null}.
145      */
146     @Override
147     public CharacterChromosome newInstance(final ISeq<CharacterGene> genes) {
148         return new CharacterChromosome(genes, lengthRange());
149     }
150 
151     /**
152      * Create a new, <em>random</em> chromosome.
153      */
154     @Override
155     public CharacterChromosome newInstance() {
156         return of(_validCharacters, lengthRange());
157     }
158 
159     @Override
160     public int hashCode() {
161         return hash(super.hashCode(), hash(_validCharacters));
162     }
163 
164     @Override
165     public boolean equals(final Object obj) {
166         return obj == this ||
167             obj != null &&
168             getClass() == obj.getClass() &&
169             Objects.equals(_validCharacters, ((CharacterChromosome)obj)._validCharacters&&
170             super.equals(obj);
171     }
172 
173     @Override
174     public String toString() {
175         return new String(toArray());
176     }
177 
178     /**
179      * Returns an char array containing all of the elements in this chromosome
180      * in proper sequence.  If the chromosome fits in the specified array, it is
181      * returned therein. Otherwise, a new array is allocated with the length of
182      * this chromosome.
183      *
184      @since 3.0
185      *
186      @param array the array into which the elements of this chromosomes are to
187      *        be stored, if it is big enough; otherwise, a new array is
188      *        allocated for this purpose.
189      @return an array containing the elements of this chromosome
190      @throws NullPointerException if the given {@code array} is {@code null}
191      */
192     public char[] toArray(final char[] array) {
193         final char[] a = array.length >= length() ?
194             array : new char[length()];
195 
196         for (int i = length(); --i >= 0;) {
197             a[i= charAt(i);
198         }
199 
200         return a;
201     }
202 
203     /**
204      * Returns an char array containing all of the elements in this chromosome
205      * in proper sequence.
206      *
207      @since 3.0
208      *
209      @return an array containing the elements of this chromosome
210      */
211     public char[] toArray() {
212         return toArray(new char[length()]);
213     }
214 
215 
216     /* *************************************************************************
217      * Static factory methods.
218      * ************************************************************************/
219 
220     /**
221      * Create a new chromosome with the {@code validCharacters} char set as
222      * valid characters.
223      *
224      @since 4.3
225      *
226      @param validCharacters the valid characters for this chromosome.
227      @param lengthRange the allowed length range of the chromosome.
228      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
229      @throws NullPointerException if the {@code validCharacters} is
230      *         {@code null}.
231      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene sequence is
232      *         empty, doesn't match with the allowed length range, the minimum
233      *         or maximum of the range is smaller or equal zero or the given
234      *         range size is zero.
235      */
236     public static CharacterChromosome of(
237         final CharSeq validCharacters,
238         final IntRange lengthRange
239     ) {
240         return new CharacterChromosome(
241             CharacterGene.seq(validCharacters, lengthRange),
242             lengthRange
243         );
244     }
245 
246     /**
247      * Create a new chromosome with the {@link CharacterGene#DEFAULT_CHARACTERS}
248      * char set as valid characters.
249      *
250      @param lengthRange the allowed length range of the chromosome.
251      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
252      @throws IllegalArgumentException if the {@code length} is smaller than
253      *         one.
254      */
255     public static CharacterChromosome of(final IntRange lengthRange) {
256         return of(DEFAULT_CHARACTERS, lengthRange);
257     }
258 
259     /**
260      * Create a new chromosome with the {@code validCharacters} char set as
261      * valid characters.
262      *
263      @since 4.3
264      *
265      @param validCharacters the valid characters for this chromosome.
266      @param length the {@code length} of the new chromosome.
267      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
268      @throws NullPointerException if the {@code validCharacters} is
269      *         {@code null}.
270      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene sequence is
271      *         empty, doesn't match with the allowed length range, the minimum
272      *         or maximum of the range is smaller or equal zero or the given
273      *         range size is zero.
274      */
275     public static CharacterChromosome of(
276         final CharSeq validCharacters,
277         final int length
278     ) {
279         return of(validCharacters, IntRange.of(length));
280     }
281 
282     /**
283      * Create a new chromosome with the {@link CharacterGene#DEFAULT_CHARACTERS}
284      * char set as valid characters.
285      *
286      @param length the {@code length} of the new chromosome.
287      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
288      @throws IllegalArgumentException if the {@code length} is smaller than
289      *         one.
290      */
291     public static CharacterChromosome of(final int length) {
292         return of(DEFAULT_CHARACTERS, length);
293     }
294 
295     /**
296      * Create a new chromosome from the given genes (given as string).
297      *
298      @param alleles the character genes.
299      @param validChars the valid characters.
300      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
301      @throws IllegalArgumentException if the genes string is empty.
302      */
303     public static CharacterChromosome of(
304         final String alleles,
305         final CharSeq validChars
306     ) {
307         final IntRef index = new IntRef();
308         final Supplier<CharacterGene> geneFactory = () -> CharacterGene.of(
309             alleles.charAt(index.value++), validChars
310         );
311 
312         final ISeq<CharacterGene> genes =
313             MSeq.<CharacterGene>ofLength(alleles.length())
314                 .fill(geneFactory)
315                 .toISeq();
316 
317         return new CharacterChromosome(genes, IntRange.of(alleles.length()));
318     }
319 
320     /**
321      * Create a new chromosome from the given genes (given as string).
322      *
323      @param alleles the character genes.
324      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
325      @throws IllegalArgumentException if the genes string is empty.
326      */
327     public static CharacterChromosome of(final String alleles) {
328         return of(alleles, DEFAULT_CHARACTERS);
329     }
330 
331 
332     /* *************************************************************************
333      *  Java object serialization
334      * ************************************************************************/
335 
336     private void writeObject(final ObjectOutputStream out)
337         throws IOException
338     {
339         out.defaultWriteObject();
340 
341         out.writeInt(length());
342         out.writeObject(_validCharacters);
343 
344         for (CharacterGene gene : _genes) {
345             out.writeChar(gene.getAllele());
346         }
347     }
348 
349     private void readObject(final ObjectInputStream in)
350         throws IOException, ClassNotFoundException
351     {
352         in.defaultReadObject();
353 
354         final int length = in.readInt();
355         _validCharacters = (CharSeq)in.readObject();
356 
357         final MSeq<CharacterGene> genes = MSeq.ofLength(length);
358         for (int i = 0; i < length; ++i) {
359             final CharacterGene gene = CharacterGene.of(
360                 in.readChar(),
361                 _validCharacters
362             );
363             genes.set(i, gene);
364         }
365         reflect.setField(this, "_genes", genes.toISeq());
366     }
367 
368 }