Codec.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-4.4.0).
003  * Copyright (c) 2007-2019 Franz Wilhelmstötter
004  *
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016  *
017  * Author:
018  *    Franz Wilhelmstötter (franz.wilhelmstoetter@gmail.com)
019  */
020 package io.jenetics.engine;
021 
022 import static java.util.Objects.requireNonNull;
023 
024 import java.util.Objects;
025 import java.util.function.BiFunction;
026 import java.util.function.Function;
027 
028 import io.jenetics.Gene;
029 import io.jenetics.Genotype;
030 import io.jenetics.util.Factory;
031 import io.jenetics.util.ISeq;
032 
033 /**
034  * A problem {@code Codec} contains the information about how to encode a given
035  * argument type into a {@code Genotype}. It also lets convert the encoded
036  * {@code Genotype} back to the argument type. The engine creation and the
037  * implementation of the fitness function can be heavily simplified by using
038  * a {@code Codec} class. The example given in the {@link Engine} documentation
039  * can be simplified as follows:
040  *
041  <pre>{@code
042  * public class RealFunction {
043  *     // The conversion from the 'Genotype' to the argument type of the fitness
044  *     // function is performed by the given 'Codec'. You can concentrate on the
045  *     // implementation, because you are not bothered with the conversion code.
046  *     private static double eval(final double x) {
047  *         return cos(0.5 + sin(x)) * cos(x);
048  *     }
049  *
050  *     public static void main(final String[] args) {
051  *         final Engine<DoubleGene, Double> engine = Engine
052  *              // Create an Engine.Builder with the "pure" fitness function
053  *              // and the appropriate Codec.
054  *             .build(RealFunction::eval, Codecs.ofScalar(DoubleRange.of(0, 2*PI)))
055  *             .build();
056  *         ...
057  *     }
058  * }
059  * }</pre>
060  *
061  * The {@code Codec} needed for the above usage example, will look like this:
062  <pre>{@code
063  * final DoubleRange domain = DoubleRange.of(0, 2*PI);
064  * final Codec<Double, DoubleGene> codec = Codec.of(
065  *     Genotype.of(DoubleChromosome.of(domain)),
066  *     gt -> gt.getChromosome().getGene().getAllele()
067  * );
068  * }</pre>
069  *
070  * Calling the {@link Codec#of(Factory, Function)} method is the usual way for
071  * creating new {@code Codec} instances.
072  *
073  @see Codecs
074  @see Engine
075  @see Engine.Builder
076  *
077  @param <T> the argument type of a given problem
078  @param <G> the {@code Gene} type used for encoding the argument type {@code T}
079  *
080  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
081  @version 3.6
082  @since 3.2
083  */
084 public interface Codec<T, G extends Gene<?, G>> {
085 
086     /**
087      * Return the genotype factory for creating genotypes with the right
088      * encoding for the given problem. The genotype created with this factory
089      * must work together with the {@link #decoder()} function, which transforms
090      * the genotype into an object of the problem domain.
091      *
092      <pre>{@code
093      * final Codec<SomeObject, DoubleGene> codec = ...
094      * final Genotype<DoubleGene> gt = codec.encoding().newInstance();
095      * final SomeObject arg = codec.decoder().apply(gt);
096      * }</pre>
097      *
098      @see #decoder()
099      *
100      @return the genotype (factory) representation of the problem domain
101      */
102     public Factory<Genotype<G>> encoding();
103 
104     /**
105      * Return the <em>decoder</em> function which transforms the genotype back
106      * to the original problem domain representation.
107      *
108      @see #encoding()
109      *
110      @return genotype decoder
111      */
112     public Function<Genotype<G>, T> decoder();
113 
114     /**
115      * Converts the given {@link Genotype} to the target type {@link T}. This is
116      * a shortcut for
117      <pre>{@code
118      * final Codec<SomeObject, DoubleGene> codec = ...
119      * final Genotype<DoubleGene> gt = codec.encoding().newInstance();
120      *
121      * final SomeObject arg = codec.decoder().apply(gt);
122      * }</pre>
123      *
124      @since 3.6
125      *
126      @param genotype the genotype to be converted
127      @return the converted genotype
128      @throws NullPointerException if the given {@code genotype} is {@code null}
129      */
130     public default T decode(final Genotype<G> genotype) {
131         Objects.requireNonNull(genotype);
132         return decoder().apply(genotype);
133     }
134 
135     /**
136      * Create a new {@code Codec} with the mapped result type. The following
137      * example creates a double codec who's values are not uniformly distributed
138      * between {@code [0..1)}. Instead the values now follow an exponential
139      * function.
140      *
141      <pre>{@code
142      *  final Codec<Double, DoubleGene> c = Codecs.ofScalar(DoubleRange.of(0, 1))
143      *      .map(Math::exp);
144      * }</pre>
145      *
146      @since 4.0
147      *
148      @param mapper the mapper function
149      @param <B> the new argument type of the given problem
150      @return a new {@code Codec} with the mapped result type
151      @throws NullPointerException if the mapper is {@code null}.
152      */
153     public default <B>
154     Codec<B, G> map(final Function<? super T, ? extends B> mapper) {
155         requireNonNull(mapper);
156 
157         return Codec.of(
158             encoding(),
159             gt -> mapper.apply(decode(gt))
160         );
161     }
162 
163     /**
164      * Create a new {@code Codec} object with the given {@code encoding} and
165      * {@code decoder} function.
166      *
167      @param encoding the genotype factory used for creating new
168      *        {@code Genotypes}.
169      @param decoder decoder function, which converts a {@code Genotype} to a
170      *        value in the problem domain.
171      @param <G> the {@code Gene} type
172      @param <T> the fitness function argument type in the problem domain
173      @return a new {@code Codec} object with the given parameters.
174      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}.
175      */
176     public static <G extends Gene<?, G>, T> Codec<T, G> of(
177         final Factory<Genotype<G>> encoding,
178         final Function<Genotype<G>, T> decoder
179     ) {
180         requireNonNull(encoding);
181         requireNonNull(decoder);
182 
183         return new Codec<T, G>() {
184             @Override
185             public Factory<Genotype<G>> encoding() {
186                 return encoding;
187             }
188 
189             @Override
190             public Function<Genotype<G>, T> decoder() {
191                 return decoder;
192             }
193         };
194     }
195 
196 
197     /**
198      * Converts two given {@code Codec} instances into one. This lets you divide
199      * a problem into sub problems and combine them again.
200      <p>
201      * The following example shows how to combine two codecs, which converts a
202      * {@code LongGene} to a {@code LocalDate}, to a codec which combines the
203      * two {@code LocalDate} object (this are the argument types of the
204      * component codecs) to a {@code Duration}.
205      *
206      <pre>{@code
207      * final Codec<LocalDate, LongGene> dateCodec1 = Codec.of(
208      *     Genotype.of(LongChromosome.of(0, 10_000)),
209      *     gt -> LocalDate.ofEpochDay(gt.getGene().longValue())
210      * );
211      *
212      * final Codec<LocalDate, LongGene> dateCodec2 = Codec.of(
213      *     Genotype.of(LongChromosome.of(1_000_000, 10_000_000)),
214      *     gt -> LocalDate.ofEpochDay(gt.getGene().longValue())
215      * );
216      *
217      * final Codec<Duration, LongGene> durationCodec = Codec.of(
218      *     dateCodec1,
219      *     dateCodec2,
220      *     (d1, d2) -> Duration.ofDays(d2.toEpochDay() - d1.toEpochDay())
221      * );
222      *
223      * final Engine<LongGene, Long> engine = Engine
224      *     .builder(Duration::toMillis, durationCodec)
225      *     .build();
226      *
227      * final Phenotype<LongGene, Long> pt = engine.stream()
228      *     .limit(100)
229      *     .collect(EvolutionResult.toBestPhenotype());
230      * System.out.println(pt);
231      *
232      * final Duration duration = durationCodec.decoder()
233      *     .apply(pt.getGenotype());
234      * System.out.println(duration);
235      * }</pre>
236      *
237      @since 3.3
238      *
239      @param <G> the gene type
240      @param <A> the argument type of the first codec
241      @param <B> the argument type of the second codec
242      @param <T> the argument type of the compound codec
243      @param codec1 the first codec
244      @param codec2 the second codec
245      @param decoder the decoder which combines the two argument types from the
246      *        given given codecs, to the argument type of the resulting codec.
247      @return a new codec which combines the given {@code codec1} and
248      *        {@code codec2}
249      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}
250      */
251     public static <G extends Gene<?, G>, A, B, T> Codec<T, G> of(
252         final Codec<A, G> codec1,
253         final Codec<B, G> codec2,
254         final BiFunction<A, B, T> decoder
255     ) {
256         @SuppressWarnings("unchecked")
257         final Function<Object[], T> decoderAdapter =
258             v -> decoder.apply((A)v[0](B)v[1]);
259 
260         return of(
261             ISeq.of(codec1, codec2),
262             decoderAdapter
263         );
264     }
265 
266     /**
267      * Combines the given {@code codecs} into one codec. This lets you divide
268      * a problem into sub problems and combine them again.
269      <p>
270      * The following example combines more than two sub-codecs into one.
271      <pre>{@code
272      * final Codec<LocalDate, LongGene> dateCodec = Codec.of(
273      *     Genotype.of(LongChromosome.of(0, 10_000)),
274      *     gt -> LocalDate.ofEpochDay(gt.getGene().longValue())
275      * );
276      *
277      * final Codec<Duration, LongGene> durationCodec = Codec.of(
278      *     ISeq.of(dateCodec, dateCodec, dateCodec),
279      *     dates -> {
280      *         final LocalDate ld1 = (LocalDate)dates[0];
281      *         final LocalDate ld2 = (LocalDate)dates[1];
282      *         final LocalDate ld3 = (LocalDate)dates[2];
283      *
284      *         return Duration.ofDays(
285      *             ld1.toEpochDay() + ld2.toEpochDay() - ld3.toEpochDay()
286      *         );
287      *     }
288      * );
289      *
290      * final Engine<LongGene, Long> engine = Engine
291      *     .builder(Duration::toMillis, durationCodec)
292      *     .build();
293      *
294      * final Phenotype<LongGene, Long> pt = engine.stream()
295      *     .limit(100)
296      *     .collect(EvolutionResult.toBestPhenotype());
297      * System.out.println(pt);
298      *
299      * final Duration duration = durationCodec.decoder()
300      *     .apply(pt.getGenotype());
301      * System.out.println(duration);
302      * }</pre>
303      *
304      @since 3.3
305      *
306      @param <G> the gene type
307      @param <T> the argument type of the compound codec
308      @param codecs the {@code Codec} sequence of the sub-problems
309      @param decoder the decoder which combines the argument types from the
310      *        given given codecs, to the argument type of the resulting codec.
311      @return a new codec which combines the given {@code codecs}
312      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}
313      */
314     public static <G extends Gene<?, G>, T> Codec<T, G> of(
315         final ISeq<? extends Codec<?, G>> codecs,
316         final Function<? super Object[], ? extends T> decoder
317     ) {
318         return new CompositeCodec<>(codecs, decoder);
319     }
320 
321 }