CharacterChromosome.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-5.1.0).
003  * Copyright (c) 2007-2019 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 import static io.jenetics.internal.util.SerialIO.readInt;
025 import static io.jenetics.internal.util.SerialIO.readString;
026 import static io.jenetics.internal.util.SerialIO.writeInt;
027 import static io.jenetics.internal.util.SerialIO.writeString;
028 
029 import java.io.DataInput;
030 import java.io.DataOutput;
031 import java.io.IOException;
032 import java.io.InvalidObjectException;
033 import java.io.ObjectInputStream;
034 import java.io.Serializable;
035 import java.util.Objects;
036 import java.util.function.Supplier;
037 
038 import io.jenetics.internal.util.IntRef;
039 import io.jenetics.util.CharSeq;
040 import io.jenetics.util.ISeq;
041 import io.jenetics.util.IntRange;
042 import io.jenetics.util.MSeq;
043 
044 /**
045  * CharacterChromosome which represents character sequences.
046  *
047  @see CharacterGene
048  *
049  * @implNote
050  * This class is immutable and thread-safe.
051  *
052  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
053  @since 1.0
054  @version 5.0
055  */
056 public class CharacterChromosome
057     extends
058         VariableChromosome<CharacterGene>
059     implements
060         CharSequence,
061         Serializable
062 {
063     private static final long serialVersionUID = 3L;
064 
065     private transient final CharSeq _validCharacters;
066 
067     /**
068      * Create a new chromosome from the given {@code genes} array. The genes
069      * array is copied, so changes to the given genes array doesn't effect the
070      * genes of this chromosome.
071      *
072      @since 4.0
073      *
074      @param genes the genes that form the chromosome.
075      @param lengthRange the allowed length range of the chromosome.
076      @throws NullPointerException if the given gene array is {@code null}.
077      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene array is
078      *         smaller than one.
079      */
080     protected CharacterChromosome(
081         final ISeq<CharacterGene> genes,
082         final IntRange lengthRange
083     ) {
084         super(genes, lengthRange);
085         _validCharacters = genes.get(0).getValidCharacters();
086     }
087 
088     @Override
089     public char charAt(final int index) {
090         return getGene(index).charValue();
091     }
092 
093     @Override
094     public CharacterChromosome subSequence(final int start, final int end) {
095         return new CharacterChromosome(_genes.subSeq(start, end), lengthRange());
096     }
097 
098     /**
099      @throws NullPointerException if the given gene array is {@code null}.
100      */
101     @Override
102     public CharacterChromosome newInstance(final ISeq<CharacterGene> genes) {
103         return new CharacterChromosome(genes, lengthRange());
104     }
105 
106     /**
107      * Create a new, <em>random</em> chromosome.
108      */
109     @Override
110     public CharacterChromosome newInstance() {
111         return of(_validCharacters, lengthRange());
112     }
113 
114     @Override
115     public int hashCode() {
116         return hash(super.hashCode(), hash(_validCharacters));
117     }
118 
119     @Override
120     public boolean equals(final Object obj) {
121         return obj == this ||
122             obj != null &&
123             getClass() == obj.getClass() &&
124             Objects.equals(_validCharacters, ((CharacterChromosome)obj)._validCharacters&&
125             super.equals(obj);
126     }
127 
128     @Override
129     public String toString() {
130         return new String(toArray());
131     }
132 
133     /**
134      * Returns an char array containing all of the elements in this chromosome
135      * in proper sequence.  If the chromosome fits in the specified array, it is
136      * returned therein. Otherwise, a new array is allocated with the length of
137      * this chromosome.
138      *
139      @since 3.0
140      *
141      @param array the array into which the elements of this chromosomes are to
142      *        be stored, if it is big enough; otherwise, a new array is
143      *        allocated for this purpose.
144      @return an array containing the elements of this chromosome
145      @throws NullPointerException if the given {@code array} is {@code null}
146      */
147     public char[] toArray(final char[] array) {
148         final char[] a = array.length >= length()
149             ? array
150             new char[length()];
151 
152         for (int i = length(); --i >= 0;) {
153             a[i= charAt(i);
154         }
155 
156         return a;
157     }
158 
159     /**
160      * Returns an char array containing all of the elements in this chromosome
161      * in proper sequence.
162      *
163      @since 3.0
164      *
165      @return an array containing the elements of this chromosome
166      */
167     public char[] toArray() {
168         return toArray(new char[length()]);
169     }
170 
171 
172     /* *************************************************************************
173      * Static factory methods.
174      * ************************************************************************/
175 
176     /**
177      * Create a new chromosome with the {@code validCharacters} char set as
178      * valid characters.
179      *
180      @since 4.3
181      *
182      @param validCharacters the valid characters for this chromosome.
183      @param lengthRange the allowed length range of the chromosome.
184      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
185      @throws NullPointerException if the {@code validCharacters} is
186      *         {@code null}.
187      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene sequence is
188      *         empty, doesn't match with the allowed length range, the minimum
189      *         or maximum of the range is smaller or equal zero or the given
190      *         range size is zero.
191      */
192     public static CharacterChromosome of(
193         final CharSeq validCharacters,
194         final IntRange lengthRange
195     ) {
196         return new CharacterChromosome(
197             CharacterGene.seq(validCharacters, lengthRange),
198             lengthRange
199         );
200     }
201 
202     /**
203      * Create a new chromosome with the {@link CharacterGene#DEFAULT_CHARACTERS}
204      * char set as valid characters.
205      *
206      @param lengthRange the allowed length range of the chromosome.
207      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
208      @throws IllegalArgumentException if the {@code length} is smaller than
209      *         one.
210      */
211     public static CharacterChromosome of(final IntRange lengthRange) {
212         return of(DEFAULT_CHARACTERS, lengthRange);
213     }
214 
215     /**
216      * Create a new chromosome with the {@code validCharacters} char set as
217      * valid characters.
218      *
219      @since 4.3
220      *
221      @param validCharacters the valid characters for this chromosome.
222      @param length the {@code length} of the new chromosome.
223      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
224      @throws NullPointerException if the {@code validCharacters} is
225      *         {@code null}.
226      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene sequence is
227      *         empty, doesn't match with the allowed length range, the minimum
228      *         or maximum of the range is smaller or equal zero or the given
229      *         range size is zero.
230      */
231     public static CharacterChromosome of(
232         final CharSeq validCharacters,
233         final int length
234     ) {
235         return of(validCharacters, IntRange.of(length));
236     }
237 
238     /**
239      * Create a new chromosome with the {@link CharacterGene#DEFAULT_CHARACTERS}
240      * char set as valid characters.
241      *
242      @param length the {@code length} of the new chromosome.
243      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
244      @throws IllegalArgumentException if the {@code length} is smaller than
245      *         one.
246      */
247     public static CharacterChromosome of(final int length) {
248         return of(DEFAULT_CHARACTERS, length);
249     }
250 
251     /**
252      * Create a new chromosome from the given genes (given as string).
253      *
254      @param alleles the character genes.
255      @param validChars the valid characters.
256      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
257      @throws IllegalArgumentException if the genes string is empty.
258      */
259     public static CharacterChromosome of(
260         final String alleles,
261         final CharSeq validChars
262     ) {
263         final IntRef index = new IntRef();
264         final Supplier<CharacterGene> geneFactory = () -> CharacterGene.of(
265             alleles.charAt(index.value++), validChars
266         );
267 
268         final ISeq<CharacterGene> genes =
269             MSeq.<CharacterGene>ofLength(alleles.length())
270                 .fill(geneFactory)
271                 .toISeq();
272 
273         return new CharacterChromosome(genes, IntRange.of(alleles.length()));
274     }
275 
276     /**
277      * Create a new chromosome from the given genes (given as string).
278      *
279      @param alleles the character genes.
280      @return a new {@code CharacterChromosome} with the given parameter
281      @throws IllegalArgumentException if the genes string is empty.
282      */
283     public static CharacterChromosome of(final String alleles) {
284         return of(alleles, DEFAULT_CHARACTERS);
285     }
286 
287 
288     /* *************************************************************************
289      *  Java object serialization
290      * ************************************************************************/
291 
292     private Object writeReplace() {
293         return new Serial(Serial.CHARACTER_CHROMOSOME, this);
294     }
295 
296     private void readObject(final ObjectInputStream stream)
297         throws InvalidObjectException
298     {
299         throw new InvalidObjectException("Serialization proxy required.");
300     }
301 
302     void write(final DataOutput outthrows IOException {
303         writeInt(lengthRange().getMin(), out);
304         writeInt(lengthRange().getMax(), out);
305         writeString(_validCharacters.toString(), out);
306         writeString(toString(), out);
307     }
308 
309     static CharacterChromosome read(final DataInput inthrows IOException {
310         final IntRange lengthRange = IntRange.of(readInt(in), readInt(in));
311         final CharSeq validCharacters = new CharSeq(readString(in));
312         final String chars = readString(in);
313 
314         final MSeq<CharacterGene> values = MSeq.ofLength(chars.length());
315         for (int i = 0, n = chars.length(); i <  n; ++i) {
316             values.set(i, CharacterGene.of(chars.charAt(i), validCharacters));
317         }
318 
319         return new CharacterChromosome(values.toISeq(), lengthRange);
320     }
321 
322 }