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