TreeCrossover.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-6.3.0).
003  * Copyright (c) 2007-2021 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;
021 
022 import static java.lang.Math.min;
023 
024 import java.util.Random;
025 
026 import io.jenetics.Chromosome;
027 import io.jenetics.Genotype;
028 import io.jenetics.Phenotype;
029 import io.jenetics.Recombinator;
030 import io.jenetics.util.MSeq;
031 import io.jenetics.util.RandomRegistry;
032 
033 import io.jenetics.ext.util.FlatTree;
034 import io.jenetics.ext.util.FlatTreeNode;
035 import io.jenetics.ext.util.TreeNode;
036 
037 /**
038  * Abstract implementation of tree base crossover recombinator. This class
039  * simplifies the implementation of tree base crossover implementation, by doing
040  * the transformation of the flattened tree genes to actual trees and vice versa.
041  * Only the {@link #crossover(TreeNode, TreeNode)} method must be implemented.
042  *
043  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
044  @version 3.9
045  @since 3.9
046  */
047 public abstract class TreeCrossover<
048     extends TreeGene<?, G>,
049     extends Comparable<? super C>
050 >
051     extends Recombinator<G, C>
052 {
053 
054     /**
055      * Constructs an tree crossover with a given recombination probability.
056      *
057      @param probability the recombination probability
058      @throws IllegalArgumentException if the {@code probability} is not in the
059      *          valid range of {@code [0, 1]}
060      */
061     protected TreeCrossover(final double probability) {
062         super(probability, 2);
063     }
064 
065     @Override
066     protected int recombine(
067         final MSeq<Phenotype<G, C>> population,
068         final int[] individuals,
069         final long generation
070     ) {
071         assert individuals.length == "Required order of 2";
072         final Random random = RandomRegistry.random();
073 
074         final Phenotype<G, C> pt1 = population.get(individuals[0]);
075         final Phenotype<G, C> pt2 = population.get(individuals[1]);
076         final Genotype<G> gt1 = pt1.genotype();
077         final Genotype<G> gt2 = pt2.genotype();
078 
079         //Choosing the Chromosome index for crossover.
080         final int chIndex = random.nextInt(min(gt1.length(), gt2.length()));
081 
082         final MSeq<Chromosome<G>> c1 = MSeq.of(gt1);
083         final MSeq<Chromosome<G>> c2 = MSeq.of(gt2);
084 
085         crossover(c1, c2, chIndex);
086 
087         //Creating two new Phenotypes and exchanging it with the old.
088         population.set(
089             individuals[0],
090             Phenotype.of(Genotype.of(c1.toISeq()), generation)
091         );
092         population.set(
093             individuals[1],
094             Phenotype.of(Genotype.of(c2.toISeq()), generation)
095         );
096 
097         return order();
098     }
099 
100     // Since the allele type "A" is not part of the type signature, we have to
101     // do some unchecked casts to make it "visible" again. The implementor of
102     // the abstract "crossover" method usually don't have to do additional casts.
103     private <A> void crossover(
104         final MSeq<Chromosome<G>> c1,
105         final MSeq<Chromosome<G>> c2,
106         final int index
107     ) {
108         @SuppressWarnings("unchecked")
109         final TreeNode<A> tree1 = (TreeNode<A>)TreeNode.ofTree(c1.get(index).gene());
110         @SuppressWarnings("unchecked")
111         final TreeNode<A> tree2 = (TreeNode<A>)TreeNode.ofTree(c2.get(index).gene());
112 
113         crossover(tree1, tree2);
114 
115         final var flat1 = FlatTreeNode.ofTree(tree1);
116         final var flat2 = FlatTreeNode.ofTree(tree2);
117 
118         @SuppressWarnings("unchecked")
119         final var template = (TreeGene<A, ?>)c1.get(0).gene();
120 
121         final var genes1 = flat1.map(tree -> gene(template, tree));
122         final var genes2 = flat2.map(tree -> gene(template, tree));
123 
124         c1.set(index, c1.get(index).newInstance(genes1));
125         c2.set(index, c2.get(index).newInstance(genes2));
126     }
127 
128     @SuppressWarnings("unchecked")
129     private <A> G gene(
130         final TreeGene<A, ?> template,
131         final FlatTree<? extends A, ?> tree
132     ) {
133         return (G)template.newInstance(
134             tree.value(),
135             tree.childOffset(),
136             tree.childCount()
137         );
138     }
139 
140     /**
141      * Template method which performs the crossover. The arguments given are
142      * mutable non null trees.
143      *
144      @param <A> the <em>existential</em> allele type
145      @param that the first (chromosome) tree
146      @param other he second (chromosome) tree
147      @return the number of altered genes
148      */
149     protected abstract <A> int crossover(
150         final TreeNode<A> that,
151         final TreeNode<A> other
152     );
153 
154 }