| 
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.ext.moea;
 021
 022 import static java.lang.Math.min;
 023 import static java.util.Objects.requireNonNull;
 024 import static io.jenetics.internal.math.comb.subset;
 025
 026 import java.util.ArrayList;
 027 import java.util.Comparator;
 028 import java.util.List;
 029 import java.util.Random;
 030 import java.util.function.ToIntFunction;
 031 import java.util.stream.Collectors;
 032
 033 import io.jenetics.Gene;
 034 import io.jenetics.Optimize;
 035 import io.jenetics.Phenotype;
 036 import io.jenetics.Selector;
 037 import io.jenetics.util.ISeq;
 038 import io.jenetics.util.RandomRegistry;
 039 import io.jenetics.util.Seq;
 040
 041 /**
 042  * Unique fitness based tournament selection.
 043  * <p>
 044  * <em>The selection of unique fitnesses lifts the selection bias towards
 045  * over-represented fitnesses by reducing multiple solutions sharing the same
 046  * fitness to a single point in the objective space. It is therefore no longer
 047  * required to assign a crowding distance of zero to individual of equal fitness
 048  * as the selection operator correctly enforces diversity preservation by
 049  * picking unique points in the objective space.</em>
 050  * <p>
 051  *  <b>Reference:</b><em>
 052  *      Félix-Antoine Fortin and Marc Parizeau. 2013. Revisiting the NSGA-II
 053  *      crowding-distance computation. In Proceedings of the 15th annual
 054  *      conference on Genetic and evolutionary computation (GECCO '13),
 055  *      Christian Blum (Ed.). ACM, New York, NY, USA, 623-630.
 056  *      DOI=<a href="http://dx.doi.org/10.1145/2463372.2463456">
 057  *          10.1145/2463372.2463456</a></em>
 058  *
 059  *
 060  * @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
 061  * @version 4.1
 062  * @since 4.1
 063  */
 064 public class UFTournamentSelector<
 065     G extends Gene<?, G>,
 066     C extends Comparable<? super C>
 067 >
 068     implements Selector<G, C>
 069 {
 070     private final Comparator<Phenotype<G, C>> _dominance;
 071     private final ElementComparator<Phenotype<G, C>> _comparator;
 072     private final ElementDistance<Phenotype<G, C>> _distance;
 073     private final ToIntFunction<Phenotype<G, C>> _dimension;
 074
 075     /**
 076      * Creates a new {@code UFTournamentSelector} with the functions needed for
 077      * handling the multi-objective result type {@code C}. For the {@link Vec}
 078      * classes, a selector is created like in the following example:
 079      * <pre>{@code
 080      * new UFTournamentSelector<>(
 081      *     Vec<T>::dominance,
 082      *     Vec<T>::compare,
 083      *     Vec<T>::distance,
 084      *     Vec<T>::length
 085      * );
 086      * }</pre>
 087      *
 088      * @see #ofVec()
 089      *
 090      * @param dominance the pareto dominance comparator
 091      * @param comparator the vector element comparator
 092      * @param distance the vector element distance
 093      * @param dimension the dimensionality of vector type {@code C}
 094      */
 095     public UFTournamentSelector(
 096         final Comparator<? super C> dominance,
 097         final ElementComparator<? super C> comparator,
 098         final ElementDistance<? super C> distance,
 099         final ToIntFunction<? super C> dimension
 100     ) {
 101         requireNonNull(dominance);
 102         requireNonNull(comparator);
 103         requireNonNull(distance);
 104         requireNonNull(dimension);
 105
 106         _dominance = (a, b) -> dominance.compare(a.getFitness(), b.getFitness());
 107         _comparator = comparator.map(Phenotype::getFitness);
 108         _distance = distance.map(Phenotype::getFitness);
 109         _dimension = v -> dimension.applyAsInt(v.getFitness());
 110     }
 111
 112     @Override
 113     public ISeq<Phenotype<G, C>> select(
 114         final Seq<Phenotype<G, C>> population,
 115         final int count,
 116         final Optimize opt
 117     ) {
 118         final Random random = RandomRegistry.getRandom();
 119
 120         final CrowdedComparator<Phenotype<G, C>> cc = new CrowdedComparator<>(
 121             population,
 122             opt,
 123             _dominance,
 124             _comparator,
 125             _distance,
 126             _dimension
 127         );
 128
 129         final List<Phenotype<G, C>> S = new ArrayList<>();
 130         while (S.size() < count) {
 131             final int k = min(2*count - S.size(), population.size());
 132             final int[] G = subset(population.size(), k, random);
 133
 134             for (int j = 0; j < G.length - 1 && S.size() < count; j += 2) {
 135                 final int cmp = cc.compare(G[j], G[j + 1]);
 136                 final int p;
 137                 if (cmp > 0) {
 138                     p = G[j];
 139                 } else if (cmp < 0) {
 140                     p = G[j + 1];
 141                 } else {
 142                     p = random.nextBoolean() ? G[j] : G[j + 1];
 143                 }
 144
 145                 final C fitness = population.get(p).getFitness();
 146                 final List<Phenotype<G, C>> list = population.stream()
 147                     .filter(pt -> pt.getFitness().equals(fitness))
 148                     .collect(Collectors.toList());
 149
 150                 S.add(list.get(random.nextInt(list.size())));
 151             }
 152         }
 153
 154         return ISeq.of(S);
 155     }
 156
 157     /**
 158      * Return a new selector for the given result type {@code V}. This method is
 159      * a shortcut for
 160      * <pre>{@code
 161      * new UFTournamentSelector<>(
 162      *     Vec<T>::dominance,
 163      *     Vec<T>::compare,
 164      *     Vec<T>::distance,
 165      *     Vec<T>::length
 166      * );
 167      * }</pre>
 168      *
 169      * @param <G> the gene type
 170      * @param <T> the array type, e.g. {@code double[]}
 171      * @param <V> the multi object result type vector
 172      * @return a new selector for the given result type {@code V}
 173      */
 174     public static <G extends Gene<?, G>, T, V extends Vec<T>>
 175     UFTournamentSelector<G, V> ofVec() {
 176         return new UFTournamentSelector<>(
 177             Vec<T>::dominance,
 178             Vec<T>::compare,
 179             Vec<T>::distance,
 180             Vec<T>::length
 181         );
 182     }
 183
 184 }
 |