Program.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-6.1.0).
003  * Copyright (c) 2007-2020 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.prog.op;
021 
022 import static java.lang.String.format;
023 import static java.util.Objects.requireNonNull;
024 import static io.jenetics.internal.util.Hashes.hash;
025 
026 import java.io.Serializable;
027 import java.lang.reflect.Array;
028 import java.util.Objects;
029 import java.util.Random;
030 
031 import io.jenetics.util.ISeq;
032 import io.jenetics.util.RandomRegistry;
033 
034 import io.jenetics.ext.util.FlatTree;
035 import io.jenetics.ext.util.Tree;
036 import io.jenetics.ext.util.TreeNode;
037 
038 /**
039  * This class composes a given operation tree to a new operation. which can
040  * serve as a sub <em>program</em> in an other operation tree.
041  *
042  @param <T> the argument type of the operation
043  *
044  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
045  @version 4.1
046  @since 3.9
047  */
048 public class Program<T> implements Op<T>, Serializable {
049 
050     private static final long serialVersionUID = 1L;
051 
052     private final String _name;
053     private final Tree<? extends Op<T>, ?> _tree;
054 
055     /**
056      * Create a new program with the given name and the given operation tree.
057      * The arity of the program is calculated from the given operation tree and
058      * set to the maximal arity of the operations of the tree.
059      *
060      @param name the program name
061      @param tree the operation tree
062      @throws NullPointerException if one of the given arguments is {@code null}
063      @throws IllegalArgumentException if the given operation tree is invalid,
064      *         which means there is at least one node where the operation arity
065      *         and the node child count differ.
066      */
067     public Program(final String name, final Tree<? extends Op<T>, ?> tree) {
068         _name = requireNonNull(name);
069         _tree = requireNonNull(tree);
070         check(tree);
071     }
072 
073     @Override
074     public String name() {
075         return _name;
076     }
077 
078     @Override
079     public int arity() {
080         return 0;
081     }
082 
083     /**
084      * Return the underlying expression tree.
085      *
086      @since 4.1
087      *
088      @return the underlying expression tree
089      */
090     public Tree<Op<T>, ?> tree() {
091         return TreeNode.ofTree(_tree);
092     }
093 
094     @Override
095     public T apply(final T[] args) {
096         if (args.length < arity()) {
097             throw new IllegalArgumentException(format(
098                 "Arguments length is smaller than program arity: %d < %d",
099                 args.length, arity()
100             ));
101         }
102 
103         return eval(_tree, args);
104     }
105 
106     /**
107      * Convenient method, which lets you apply the program function without
108      * explicitly create a wrapper array.
109      *
110      @see #apply(Object[])
111      *
112      @param args the function arguments
113      @return the evaluated value
114      @throws NullPointerException if the given variable array is {@code null}
115      @throws IllegalArgumentException if the length of the arguments array
116      *         is smaller than the program arity
117      */
118     @SafeVarargs
119     public final T eval(final T... args) {
120         return apply(args);
121     }
122 
123     @Override
124     public int hashCode() {
125         return hash(_name, hash(_tree));
126     }
127 
128     @Override
129     public boolean equals(final Object obj) {
130         return obj == this ||
131             obj instanceof Program &&
132             Objects.equals(((Program)obj)._name, _name&&
133             Objects.equals(((Program)obj)._tree, _tree);
134     }
135 
136     @Override
137     public String toString() {
138         return _name;
139     }
140 
141 
142     /* *************************************************************************
143      * Static helper methods.
144      * ************************************************************************/
145 
146     /**
147      * Evaluates the given operation tree with the given variables.
148      *
149      @param <T> the argument type
150      @param tree the operation tree
151      @param variables the input variables
152      @return the result of the operation tree evaluation
153      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}
154      @throws IllegalArgumentException if the length of the variable array
155      *         is smaller than the program arity
156      */
157     @SafeVarargs
158     public static <T> T eval(
159         final Tree<? extends Op<T>, ?> tree,
160         final T... variables
161     ) {
162         requireNonNull(tree);
163         requireNonNull(variables);
164 
165         final Op<T> op = tree.value();
166         return op.isTerminal()
167             ? evalOp(op, variables)
168             : evalOp(op, evalChildren(tree, variables));
169     }
170 
171     @SafeVarargs
172     private static <T> T evalOp(final Op<T> op, final T... variables) {
173         if (op instanceof Var && ((Var)op).index() >= variables.length) {
174             throw new IllegalArgumentException(format(
175                 "No value for variable '%s' given.", op
176             ));
177         }
178 
179         return op.apply(variables);
180     }
181 
182     @SafeVarargs
183     private static <T> T[] evalChildren(
184         final Tree<? extends Op<T>, ?> node,
185         final T... variables
186     ) {
187         final T[] result = newArray(variables.getClass(), node.childCount());
188         for (int i = 0; i < node.childCount(); ++i) {
189             result[i= eval(node.childAt(i), variables);
190         }
191         return result;
192     }
193 
194     @SuppressWarnings("unchecked")
195     private static <T> T[] newArray(final Class<?> arrayType, final int size) {
196         return (T[])Array.newInstance(arrayType.getComponentType(), size);
197     }
198 
199     /**
200      * Validates the given program tree.
201      *
202      @param program the program to validate
203      @throws NullPointerException if the given {@code program} is {@code null}
204      @throws IllegalArgumentException if the given operation tree is invalid,
205      *         which means there is at least one node where the operation arity
206      *         and the node child count differ.
207      */
208     public static void check(final Tree<? extends Op<?>, ?> program) {
209         program.forEach(Program::checkArity);
210     }
211 
212     private static void checkArity(final Tree<? extends Op<?>, ?> node) {
213         if (node.value() != null &&
214             node.value().arity() != node.childCount())
215         {
216             throw new IllegalArgumentException(format(
217                 "Op arity != child count: %d != %d",
218                 node.value().arity(), node.childCount()
219             ));
220         }
221     }
222 
223     /**
224      * Create a new, random program from the given (non) terminal operations
225      * with the desired depth. The created program tree is a <em>full</em> tree.
226      *
227      @since 4.1
228      *
229      @param name the program name
230      @param depth the desired depth of the program tree
231      @param operations the list of <em>non</em>-terminal operations
232      @param terminals the list of terminal operations
233      @param <A> the operational type
234      @return a new program
235      @throws NullPointerException if one of the given operations is
236      *        {@code null}
237      @throws IllegalArgumentException if the given tree depth is smaller than
238      *         zero
239      */
240     public static <A> Program<A> of(
241         final String name,
242         final int depth,
243         final ISeq<? extends Op<A>> operations,
244         final ISeq<? extends Op<A>> terminals
245     ) {
246         return new Program<>(name, of(depth, operations, terminals));
247     }
248 
249     /**
250      * Create a new, random program from the given (non) terminal operations
251      * with the desired depth. The created program tree is a <em>full</em> tree.
252      *
253      @since 4.1
254      *
255      @param name the program name
256      @param depth the desired depth of the program tree
257      @param operations the list of <em>non</em>-terminal operations
258      @param terminals the list of terminal operations
259      @param random the random engine used for creating the program
260      @param <A> the operational type
261      @return a new program
262      @throws NullPointerException if one of the given operations is
263      *        {@code null}
264      @throws IllegalArgumentException if the given tree depth is smaller than
265      *         zero
266      */
267     public static <A> Program<A> of(
268         final String name,
269         final int depth,
270         final ISeq<? extends Op<A>> operations,
271         final ISeq<? extends Op<A>> terminals,
272         final Random random
273     ) {
274         return new Program<>(name, of(depth, operations, terminals, random));
275     }
276 
277     /**
278      * Create a new, random program tree from the given (non) terminal
279      * operations with the desired depth. The created program tree is a
280      <em>full</em> tree.
281      *
282      @param depth the desired depth of the program tree
283      @param operations the list of <em>non</em>-terminal operations
284      @param terminals the list of terminal operations
285      @param <A> the operational type
286      @return a new program tree
287      @throws NullPointerException if one of the given operations is
288      *        {@code null}
289      @throws IllegalArgumentException if the given tree depth is smaller than
290      *         zero
291      */
292     public static <A> TreeNode<Op<A>> of(
293         final int depth,
294         final ISeq<? extends Op<A>> operations,
295         final ISeq<? extends Op<A>> terminals
296     ) {
297         return of(depth, operations, terminals, RandomRegistry.random());
298     }
299 
300     /**
301      * Create a new, random program tree from the given (non) terminal
302      * operations with the desired depth. The created program tree is a
303      <em>full</em> tree.
304      *
305      @since 4.1
306      *
307      @param depth the desired depth of the program tree
308      @param operations the list of <em>non</em>-terminal operations
309      @param terminals the list of terminal operations
310      @param random the random engine used for creating the program
311      @param <A> the operational type
312      @return a new program tree
313      @throws NullPointerException if one of the given operations is
314      *        {@code null}
315      @throws IllegalArgumentException if the given tree depth is smaller than
316      *         zero
317      */
318     public static <A> TreeNode<Op<A>> of(
319         final int depth,
320         final ISeq<? extends Op<A>> operations,
321         final ISeq<? extends Op<A>> terminals,
322         final Random random
323     ) {
324         if (depth < 0) {
325             throw new IllegalArgumentException(
326                 "Tree depth is smaller than zero: " + depth
327             );
328         }
329         if (!operations.forAll(o -> !o.isTerminal())) {
330             throw new IllegalArgumentException(
331                 "Operation list contains terminal op."
332             );
333         }
334         if (!terminals.forAll(Op::isTerminal)) {
335             throw new IllegalArgumentException(
336                 "Terminal list contains non-terminal op."
337             );
338         }
339 
340         final TreeNode<Op<A>> root = TreeNode.of();
341         fill(depth, root, operations, terminals, random);
342         return root;
343     }
344 
345     private static <A> void fill(
346         final int level,
347         final TreeNode<Op<A>> tree,
348         final ISeq<? extends Op<A>> operations,
349         final ISeq<? extends Op<A>> terminals,
350         final Random random
351     ) {
352         final Op<A> op = level == 0
353             ? terminals.get(random.nextInt(terminals.size()))
354             : operations.get(random.nextInt(operations.size()));
355 
356         tree.value(op);
357 
358         if (level > 1) {
359             for (int i = 0; i < op.arity(); ++i) {
360                 final TreeNode<Op<A>> node = TreeNode.of();
361                 fill(level - 1, node, operations, terminals, random);
362                 tree.attach(node);
363             }
364         else {
365             for (int i = 0; i < op.arity(); ++i) {
366                 final Op<A> term = terminals.get(random.nextInt(terminals.size()));
367                 tree.attach(TreeNode.of(term));
368             }
369         }
370     }
371 
372     /**
373      * Creates a valid program tree from the given flattened sequence of
374      * op nodes. The given {@code operations} and {@code termination} nodes are
375      * used for <em>repairing</em> the program tree, if necessary.
376      *
377      @param nodes the flattened, possible corrupt, program tree
378      @param terminals the usable non-terminal operation nodes to use for
379      *        reparation
380      @param <A> the operation argument type
381      @return a new valid program tree build from the flattened program tree
382      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}
383      @throws IllegalArgumentException if the {@code nodes} sequence is empty
384      */
385     public static <A> TreeNode<Op<A>> toTree(
386         final ISeq<? extends FlatTree<? extends Op<A>, ?>> nodes,
387         final ISeq<? extends Op<A>> terminals
388     ) {
389         if (nodes.isEmpty()) {
390             throw new IllegalArgumentException("Tree nodes must not be empty.");
391         }
392 
393         final Op<A> op = requireNonNull(nodes.get(0).value());
394         final TreeNode<Op<A>> tree = TreeNode.of(op);
395         return toTree(
396             tree,
397             0,
398             nodes,
399             offsets(nodes),
400             terminals,
401             RandomRegistry.random()
402         );
403     }
404 
405     private static <A> TreeNode<Op<A>> toTree(
406         final TreeNode<Op<A>> root,
407         final int index,
408         final ISeq<? extends FlatTree<? extends Op<A>, ?>> nodes,
409         final int[] offsets,
410         final ISeq<? extends Op<A>> terminals,
411         final Random random
412     ) {
413         if (index < nodes.size()) {
414             final FlatTree<? extends Op<A>, ?> node = nodes.get(index);
415             final Op<A> op = node.value();
416 
417             for (int i  = 0; i < op.arity(); ++i) {
418                 assert offsets[index!= -1;
419 
420                 final TreeNode<Op<A>> treeNode = TreeNode.of();
421                 if (offsets[index+ i < nodes.size()) {
422                     treeNode.value(nodes.get(offsets[index+ i).value());
423                 else {
424                     treeNode.value(terminals.get(random.nextInt(terminals.size())));
425                 }
426 
427                 toTree(
428                     treeNode,
429                     offsets[index+ i,
430                     nodes,
431                     offsets,
432                     terminals,
433                     random
434                 );
435                 root.attach(treeNode);
436             }
437         }
438 
439         return root;
440     }
441 
442     /**
443      * Create the offset array for the given nodes. The offsets are calculated
444      * using the arity of the stored operations.
445      *
446      @param nodes the flattened tree nodes
447      @return the offset array for the given nodes
448      */
449     static int[]
450     offsets(final ISeq<? extends FlatTree<? extends Op<?>, ?>> nodes) {
451         final int[] offsets = new int[nodes.size()];
452 
453         int offset = 1;
454         for (int i = 0; i < offsets.length; ++i) {
455             final Op<?> op = nodes.get(i).value();
456 
457             offsets[i= op.isTerminal() ? -: offset;
458             offset += op.arity();
459         }
460 
461         return offsets;
462     }
463 
464 }