Codec.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-3.4.0).
003  * Copyright (c) 2007-2016 Franz Wilhelmstötter
004  *
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009  *      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
010  *
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016  *
017  * Author:
018  *    Franz Wilhelmstötter (franz.wilhelmstoetter@gmx.at)
019  */
020 package org.jenetics.engine;
021 
022 import static java.util.Objects.requireNonNull;
023 
024 import java.util.function.BiFunction;
025 import java.util.function.Function;
026 
027 import org.jenetics.Gene;
028 import org.jenetics.Genotype;
029 import org.jenetics.util.Factory;
030 import org.jenetics.util.ISeq;
031 
032 /**
033  * A problem {@code Codec} contains the information about how to encode a given
034  * argument type into a {@code Genotype}. It also lets convert the encoded
035  * {@code Genotype} back to the argument type. The engine creation and the
036  * implementation of the fitness function can be heavily simplified by using
037  * a {@code Codec} class. The example given in the {@link Engine} documentation
038  * can be simplified as follows:
039  *
040  <pre>{@code
041  * public class RealFunction {
042  *     // The conversion from the 'Genotype' to the argument type of the fitness
043  *     // function is performed by the given 'Codec'. You can concentrate on the
044  *     // implementation, because you are not bothered with the conversion code.
045  *     private static double eval(final double x) {
046  *         return cos(0.5 + sin(x)) * cos(x);
047  *     }
048  *
049  *     public static void main(final String[] args) {
050  *         final Engine<DoubleGene, Double> engine = Engine
051  *              // Create an Engine.Builder with the "pure" fitness function
052  *              // and the appropriate Codec.
053  *             .build(RealFunction::eval, codecs.ofScalar(DoubleRange.of(0, 2*PI)))
054  *             .build();
055  *         ...
056  *     }
057  * }
058  * }</pre>
059  *
060  * The {@code Codec} needed for the above usage example, will look like this:
061  <pre>{@code
062  * final DoubleRange domain = DoubleRange.of(0, 2*PI);
063  * final Codec<Double, DoubleGene> codec = Codec.of(
064  *     Genotype.of(DoubleChromosome.of(domain)),
065  *     gt -> gt.getChromosome().getGene().getAllele()
066  * );
067  * }</pre>
068  *
069  * Calling the {@link Codec#of(Factory, Function)} method is the usual way for
070  * creating new {@code Codec} instances.
071  *
072  @see codecs
073  @see Engine
074  @see Engine.Builder
075  *
076  @param <T> the argument type of a given problem
077  @param <G> the {@code Gene} type used for encoding the argument type {@code T}
078  *
079  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmx.at">Franz Wilhelmstötter</a>
080  @version 3.3
081  @since 3.2
082  */
083 public interface Codec<T, G extends Gene<?, G>> {
084 
085     /**
086      * Return the genotype factory for creating genotypes with the right
087      * encoding for the given problem. The genotype created with this factory
088      * must work together with the {@link #decoder()} function, which transforms
089      * the genotype into an object of the problem domain.
090      *
091      <pre>{@code
092      * final Codec<SomeObject, DoubleGene> codec = ...
093      * final Genotype<DoubleGene> gt = codec.encoding().newInstance();
094      * final SomeObject arg = codec.decoder().apply(gt);
095      * }</pre>
096      *
097      @see #decoder()
098      *
099      @return the genotype (factory) representation of the problem domain
100      */
101     public Factory<Genotype<G>> encoding();
102 
103     /**
104      * Return the <em>decoder</em> function which transforms the genotype back
105      * to the original problem domain representation.
106      *
107      @see #encoding()
108      *
109      @return genotype decoder
110      */
111     public Function<Genotype<G>, T> decoder();
112 
113 
114     /**
115      * Create a new {@code Codec} object with the given {@code encoding} and
116      * {@code decoder} function.
117      *
118      @param encoding the genotype factory used for creating new
119      *        {@code Genotypes}.
120      @param decoder decoder function, which converts a {@code Genotype} to a
121      *        value in the problem domain.
122      @param <G> the {@code Gene} type
123      @param <T> the fitness function argument type in the problem domain
124      @return a new {@code Codec} object with the given parameters.
125      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}.
126      */
127     public static <G extends Gene<?, G>, T> Codec<T, G> of(
128         final Factory<Genotype<G>> encoding,
129         final Function<Genotype<G>, T> decoder
130     ) {
131         requireNonNull(encoding);
132         requireNonNull(decoder);
133 
134         return new Codec<T, G>() {
135             @Override
136             public Factory<Genotype<G>> encoding() {
137                 return encoding;
138             }
139 
140             @Override
141             public Function<Genotype<G>, T> decoder() {
142                 return decoder;
143             }
144         };
145     }
146 
147 
148     /**
149      * Converts two given {@code Codec} instances into one. This lets you divide
150      * a problem into sub problems and combine them again.
151      <p>
152      * The following example shows how to combine two codecs, which converts a
153      * {@code LongGene} to a {@code LocalDate}, to a codec which combines the
154      * two {@code LocalDate} object (this are the argument types of the
155      * component codecs) to a {@code Duration}.
156      *
157      <pre>{@code
158      * final Codec<LocalDate, LongGene> dateCodec1 = Codec.of(
159      *     Genotype.of(LongChromosome.of(0, 10_000)),
160      *     gt -> LocalDate.ofEpochDay(gt.getGene().longValue())
161      * );
162      *
163      * final Codec<LocalDate, LongGene> dateCodec2 = Codec.of(
164      *     Genotype.of(LongChromosome.of(1_000_000, 10_000_000)),
165      *     gt -> LocalDate.ofEpochDay(gt.getGene().longValue())
166      * );
167      *
168      * final Codec<Duration, LongGene> durationCodec = Codec.of(
169      *     dateCodec1,
170      *     dateCodec2,
171      *     (d1, d2) -> Duration.ofDays(d2.toEpochDay() - d1.toEpochDay())
172      * );
173      *
174      * final Engine<LongGene, Long> engine = Engine
175      *     .builder(Duration::toMillis, durationCodec)
176      *     .build();
177      *
178      * final Phenotype<LongGene, Long> pt = engine.stream()
179      *     .limit(100)
180      *     .collect(EvolutionResult.toBestPhenotype());
181      * System.out.println(pt);
182      *
183      * final Duration duration = durationCodec.decoder()
184      *     .apply(pt.getGenotype());
185      * System.out.println(duration);
186      * }</pre>
187      *
188      @since 3.3
189      *
190      @param <G> the gene type
191      @param <A> the argument type of the first codec
192      @param <B> the argument type of the second codec
193      @param <T> the argument type of the compound codec
194      @param codec1 the first codec
195      @param codec2 the second codec
196      @param decoder the decoder which combines the two argument types from the
197      *        given given codecs, to the argument type of the resulting codec.
198      @return a new codec which combines the given {@code codec1} and
199      *        {@code codec2}
200      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}
201      */
202     public static <G extends Gene<?, G>, A, B, T> Codec<T, G> of(
203         final Codec<A, G> codec1,
204         final Codec<B, G> codec2,
205         final BiFunction<A, B, T> decoder
206     ) {
207         @SuppressWarnings("unchecked")
208         final Function<Object[], T> decoderAdapter =
209             v -> decoder.apply((A)v[0](B)v[1]);
210 
211         return of(
212             ISeq.of(codec1, codec2),
213             decoderAdapter
214         );
215     }
216 
217     /**
218      * Combines the given {@code codecs} into one codec. This lets you divide
219      * a problem into sub problems and combine them again.
220      <p>
221      * The following example combines more than two sub-codecs into one.
222      <pre>{@code
223      * final Codec<LocalDate, LongGene> dateCodec = Codec.of(
224      *     Genotype.of(LongChromosome.of(0, 10_000)),
225      *     gt -> LocalDate.ofEpochDay(gt.getGene().longValue())
226      * );
227      *
228      * final Codec<Duration, LongGene> durationCodec = Codec.of(
229      *     ISeq.of(dateCodec, dateCodec, dateCodec),
230      *     dates -> {
231      *         final LocalDate ld1 = (LocalDate)dates[0];
232      *         final LocalDate ld2 = (LocalDate)dates[1];
233      *         final LocalDate ld3 = (LocalDate)dates[2];
234      *
235      *         return Duration.ofDays(
236      *             ld1.toEpochDay() + ld2.toEpochDay() - ld3.toEpochDay()
237      *         );
238      *     }
239      * );
240      *
241      * final Engine<LongGene, Long> engine = Engine
242      *     .builder(Duration::toMillis, durationCodec)
243      *     .build();
244      *
245      * final Phenotype<LongGene, Long> pt = engine.stream()
246      *     .limit(100)
247      *     .collect(EvolutionResult.toBestPhenotype());
248      * System.out.println(pt);
249      *
250      * final Duration duration = durationCodec.decoder()
251      *     .apply(pt.getGenotype());
252      * System.out.println(duration);
253      * }</pre>
254      *
255      @since 3.3
256      *
257      @param <G> the gene type
258      @param <T> the argument type of the compound codec
259      @param codecs the {@code Codec} sequence of the sub-problems
260      @param decoder the decoder which combines the argument types from the
261      *        given given codecs, to the argument type of the resulting codec.
262      @return a new codec which combines the given {@code codecs}
263      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}
264      */
265     public static <G extends Gene<?, G>, T> Codec<T, G> of(
266         final ISeq<? extends Codec<?, G>> codecs,
267         final Function<? super Object[], ? extends T> decoder
268     ) {
269         return new CompositeCodec<>(codecs, decoder);
270     }
271 
272 }