ConcatEngine.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.ext.engine;
021 
022 import static java.util.Collections.singletonList;
023 
024 import java.util.ArrayList;
025 import java.util.Arrays;
026 import java.util.Collection;
027 import java.util.Collections;
028 import java.util.List;
029 import java.util.Spliterator;
030 import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
031 import java.util.function.Supplier;
032 import java.util.stream.BaseStream;
033 import java.util.stream.Collectors;
034 
035 import io.jenetics.Gene;
036 import io.jenetics.engine.EvolutionInit;
037 import io.jenetics.engine.EvolutionResult;
038 import io.jenetics.engine.EvolutionStart;
039 import io.jenetics.engine.EvolutionStream;
040 import io.jenetics.engine.EvolutionStreamable;
041 import io.jenetics.internal.engine.EvolutionStreamImpl;
042 
043 import io.jenetics.ext.internal.ConcatSpliterator;
044 
045 /**
046  * The {@code ConcatEngine} lets you concatenate two (or more) evolution
047  {@link io.jenetics.engine.Engine}, with different configurations, and let it
048  * use as <em>one</em> engine {@link EvolutionStreamable}.
049  *
050  <pre> {@code
051  *                  +----------+               +----------+
052  *                  |       ES |               |       ES |
053  *          +-------+----+     |       +-------+----+     |
054  *  (Start) |            +-----+ Start |            +-----+
055  *   ------>|  Engine 1  |------------>|  Engine 2  |----------->
056  *          |            | Result      |            |      Result
057  *          +------------+             +------------+
058  * }</pre>
059  *
060  * The sketch above shows how the engine concatenation works. In this example,
061  * the evolution stream of the first engine is evaluated until it terminates.
062  * The result of the first stream is then used as start input of the second
063  * evolution stream, which then delivers the final result.
064  <p>
065  * Concatenating evolution engines might be useful, if you want to explore your
066  * search space with random search first and then start the <em>real</em> GA
067  * search.
068  <pre>{@code
069  *  final Problem<double[], DoubleGene, Double> problem = Problem.of(
070  *      v -> Math.sin(v[0])*Math.cos(v[1]),
071  *      Codecs.ofVector(DoubleRange.of(0, 2*Math.PI), 2)
072  *  );
073  *
074  *  final Engine<DoubleGene, Double> engine1 = Engine.builder(problem)
075  *      .minimizing()
076  *      .alterers(new Mutator<>(0.2))
077  *      .selector(new MonteCarloSelector<>())
078  *      .build();
079  *
080  *  final Engine<DoubleGene, Double> engine2 = Engine.builder(problem)
081  *      .minimizing()
082  *      .alterers(
083  *          new Mutator<>(0.1),
084  *          new MeanAlterer<>())
085  *      .selector(new RouletteWheelSelector<>())
086  *      .build();
087  *
088  *  final Genotype<DoubleGene> result =
089  *      ConcatEngine.of(
090  *          engine1.limit(50),
091  *          engine2.limit(() -> Limits.bySteadyFitness(30)))
092  *      .stream()
093  *          .collect(EvolutionResult.toBestGenotype());
094  *
095  *  System.out.println(result + ": " +
096  *          problem.fitness().apply(problem.codec().decode(result)));
097  * }</pre>
098  *
099  * An essential part, when concatenating evolution engines, is to make sure your
100  * your engines are creating <em>limited</em> evolution streams. This is what
101  * the {@link EvolutionStreamable#limit(Supplier)} and
102  {@link EvolutionStreamable#limit(long)} methods are for. Limiting an engine
103  * means, that this engine will surely create only streams, which are limited
104  * with the predicate/generation given to the engine. If you have limited your
105  * engines, it is no longer necessary to limit your final evolution stream, but
106  * your are still able to do so.
107  *
108  @see AdaptiveEngine
109  @see CyclicEngine
110  *
111  @param <G> the gene type
112  @param <C> the fitness type
113  *
114  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
115  @version 4.1
116  @since 4.1
117  */
118 public final class ConcatEngine<
119     extends Gene<?, G>,
120     extends Comparable<? super C>
121 >
122     extends EnginePool<G, C>
123 {
124 
125     /**
126      * Create a new concatenating evolution engine with the given list of engines.
127      *
128      @param engines the engines which are concatenated to <em>one</em> engine
129      @throws NullPointerException if the {@code engines} or one of it's
130      *         elements is {@code null}
131      */
132     public ConcatEngine(
133         final List<? extends EvolutionStreamable<G, C>> engines
134     ) {
135         super(engines);
136     }
137 
138     @Override
139     public EvolutionStream<G, C>
140     stream(final Supplier<EvolutionStart<G, C>> start) {
141         final AtomicReference<EvolutionStart<G, C>> other =
142             new AtomicReference<>(null);
143 
144         return new EvolutionStreamImpl<G, C>(
145             new ConcatSpliterator<>(
146                 _engines.stream()
147                     .map(engine -> engine
148                         .stream(() -> start(start, other))
149                         .peek(result -> other.set(result.toEvolutionStart())))
150                     .map(BaseStream::spliterator)
151                     .collect(Collectors.toList())
152             ),
153             false
154         );
155     }
156 
157     private EvolutionStart<G, C> start(
158         final Supplier<EvolutionStart<G, C>> first,
159         final AtomicReference<EvolutionStart<G, C>> other
160     ) {
161         return other.get() != null ? other.get() : first.get();
162     }
163 
164     @Override
165     public EvolutionStream<G, C> stream(final EvolutionInit<G> init) {
166         final AtomicReference<EvolutionStart<G, C>> other =
167             new AtomicReference<>(null);
168 
169         return new EvolutionStreamImpl<G, C>(
170             new ConcatSpliterator<>(spliterators(init, other)),
171             false
172         );
173     }
174 
175     private Collection<Spliterator<EvolutionResult<G, C>>> spliterators(
176         final EvolutionInit<G> init,
177         final AtomicReference<EvolutionStart<G, C>> other
178     ) {
179         final Collection<Spliterator<EvolutionResult<G, C>>> result;
180         if (_engines.isEmpty()) {
181             result = Collections.emptyList();
182         else if (_engines.size() == 1) {
183             result = singletonList(
184                 _engines.get(0)
185                     .stream(init)
186                     .peek(er -> other.set(er.toEvolutionStart()))
187                     .spliterator()
188             );
189         else {
190             final List<Spliterator<EvolutionResult<G, C>>> concat =
191                 new ArrayList<>();
192 
193             concat.add(
194                 _engines.get(0)
195                     .stream(init)
196                     .peek(er -> other.set(er.toEvolutionStart()))
197                     .spliterator()
198             );
199             concat.addAll(
200                 _engines.subList(1, _engines.size()).stream()
201                     .map(engine -> engine
202                         .stream(other::get)
203                         .peek(er -> other.set(er.toEvolutionStart())))
204                     .map(BaseStream::spliterator)
205                     .collect(Collectors.toList())
206             );
207 
208             result = concat;
209         }
210 
211         return result;
212     }
213 
214     /**
215      * Create a new concatenating evolution engine with the given array of
216      * engines.
217      *
218      @param engines the engines which are concatenated to <em>one</em> engine
219      @param <G> the gene type
220      @param <C> the fitness type
221      @return a new concatenating evolution engine
222      @throws NullPointerException if the {@code engines} or one of it's
223      *         elements is {@code null}
224      */
225     @SafeVarargs
226     public static <G extends Gene<?, G>, C extends Comparable<? super C>>
227     ConcatEngine<G, C> of(final EvolutionStreamable<G, C>... engines) {
228         return new ConcatEngine<>(Arrays.asList(engines));
229     }
230 
231 
232 }