Genotype.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");
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008  *
009  *      http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0
010  *
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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;
021 
022 import static io.jenetics.internal.util.Hashes.hash;
023 import static io.jenetics.internal.util.SerialIO.readInt;
024 import static io.jenetics.internal.util.SerialIO.writeInt;
025 
026 import java.io.IOException;
027 import java.io.InvalidObjectException;
028 import java.io.ObjectInput;
029 import java.io.ObjectInputStream;
030 import java.io.ObjectOutput;
031 import java.io.Serializable;
032 import java.util.Objects;
033 
034 import io.jenetics.util.BaseSeq;
035 import io.jenetics.util.Factory;
036 import io.jenetics.util.ISeq;
037 import io.jenetics.util.MSeq;
038 import io.jenetics.util.Verifiable;
039 
040 /**
041  * The central class the GA is working with, is the {@code Genotype}. It is the
042  * structural representative of an individual. This class is the encoded problem
043  * solution with one to many {@link Chromosome}.
044  <p>
045  <img alt="Genotype" src="doc-files/Genotype.svg" width="400" height="252" >
046  </p>
047  * The chromosomes of a genotype doesn't have to have necessarily the same size.
048  * It is only required that all genes are from the same type and the genes within
049  * a chromosome have the same constraints; e. g. the same min- and max values
050  * for number genes.
051  *
052  <pre>{@code
053  * final Genotype<DoubleGene> genotype = Genotype.of(
054  *     DoubleChromosome.of(0.0, 1.0, 8),
055  *     DoubleChromosome.of(1.0, 2.0, 10),
056  *     DoubleChromosome.of(0.0, 10.0, 9),
057  *     DoubleChromosome.of(0.1, 0.9, 5)
058  * );
059  * }</pre>
060  * The code snippet above creates a genotype with the same structure as shown in
061  * the figure above. In this example the {@link DoubleGene} has been chosen as
062  * gene type.
063  *
064  @see Chromosome
065  @see Phenotype
066  *
067  * @implNote
068  * This class is immutable and thread-safe.
069  *
070  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
071  @since 1.0
072  @version 6.0
073  */
074 public final class Genotype<G extends Gene<?, G>>
075     implements
076         BaseSeq<Chromosome<G>>,
077         Factory<Genotype<G>>,
078         Verifiable,
079         Serializable
080 {
081     private static final long serialVersionUID = 3L;
082 
083     private final ISeq<Chromosome<G>> _chromosomes;
084 
085     //Caching isValid value.
086     private byte _valid = -1;
087 
088     /**
089      * Create a new Genotype from a given sequence of {@code Chromosomes}.
090      *
091      @param chromosomes The {@code Chromosome} array the {@code Genotype}
092      *         consists of.
093      @throws NullPointerException if {@code chromosomes} is null or one of its
094      *         element.
095      @throws IllegalArgumentException if {@code chromosome.length == 0}.
096      */
097     Genotype(final ISeq<? extends Chromosome<G>> chromosomes) {
098         if (chromosomes.isEmpty()) {
099             throw new IllegalArgumentException("No chromosomes given.");
100         }
101 
102         _chromosomes = ISeq.upcast(chromosomes);
103     }
104 
105     /**
106      * Return the chromosome at the given index. It is guaranteed, that the
107      * returned chromosome is not null.
108      *
109      @since 4.0
110      *
111      @param index the chromosome index
112      @return the chromosome with the given index
113      @throws IndexOutOfBoundsException if
114      *         {@code (index < 0 || index >= _length)}.
115      */
116     @Override
117     public Chromosome<G> get(final int index) {
118         return _chromosomes.get(index);
119     }
120 
121     /**
122      * Getting the number of chromosomes of this genotype.
123      *
124      @return number of chromosomes.
125      */
126     @Override
127     public int length() {
128         return _chromosomes.length();
129     }
130 
131     /**
132      * Return the first chromosome. This is an alias for
133      <pre>{@code
134      * final Genotype<DoubleGene>; gt = ...
135      * final Chromosome<DoubleGene> chromosome = gt.get(0);
136      * }</pre>
137      *
138      @since 5.2
139      *
140      @return The first chromosome.
141      */
142     public Chromosome<G> chromosome() {
143         return get(0);
144     }
145 
146     /**
147      * Return the first {@link Gene} of the first {@link Chromosome} of this
148      * {@code Genotype}. This is an alias for
149      <pre>{@code
150      * final Genotype<DoubleGene> gt = ...
151      * final DoubleGene gene = gt.get(0).get(0);
152      * }</pre>
153      *
154      @since 5.2
155      *
156      @return the first {@link Gene} of the first {@link Chromosome} of this
157      *         {@code Genotype}.
158      */
159     public G gene() {
160         return get(0).get(0);
161     }
162 
163     /**
164      * Return the number of genes this genotype consists of. This is the sum of
165      * the number of genes of the genotype chromosomes.
166      *
167      @return Return the number of genes this genotype consists of.
168      */
169     public int geneCount() {
170         int count = 0;
171         for (var chromosome : this) {
172             count += chromosome.length();
173         }
174         return count;
175     }
176 
177     /**
178      * Test if this genotype is valid. A genotype is valid if all its
179      {@link Chromosome}s are valid.
180      *
181      @return true if this genotype is valid, false otherwise.
182      */
183     @Override
184     public boolean isValid() {
185         byte valid = _valid;
186         if (valid == -1) {
187             valid = (byte)(_chromosomes.forAll(Verifiable::isValid0);
188             _valid = valid;
189         }
190 
191         return _valid == 1;
192     }
193 
194     /**
195      * Return a new, random genotype by creating new, random chromosomes (calling
196      * the {@link Chromosome#newInstance()} method) from the chromosomes of this
197      * genotype.
198      */
199     @Override
200     public Genotype<G> newInstance() {
201         return new Genotype<>(_chromosomes.map(Factory::newInstance));
202     }
203 
204     @Override
205     public int hashCode() {
206         return hash(_chromosomes);
207     }
208 
209     @Override
210     public boolean equals(final Object obj) {
211         return obj == this ||
212             obj instanceof Genotype &&
213             Objects.equals(_chromosomes, ((Genotype)obj)._chromosomes);
214     }
215 
216     @Override
217     public String toString() {
218         return _chromosomes.toString();
219     }
220 
221     /**
222      * Create a new {@code Genotype} from a given array of {@code Chromosomes}.
223      *
224      @since 3.0
225      *
226      @param <G> the gene type
227      @param first the first {@code Chromosome} of the {@code Genotype}
228      @param rest the rest of the genotypes chromosomes.
229      @return a new {@code Genotype} from the given chromosomes
230      @throws NullPointerException if {@code chromosomes} is {@code null} or
231      *         one of its element.
232      */
233     @SafeVarargs
234     public static <G extends Gene<?, G>> Genotype<G> of(
235         final Chromosome<G> first,
236         final Chromosome<G>... rest
237     ) {
238         final MSeq<Chromosome<G>> seq = MSeq.ofLength(+ rest.length);
239         seq.set(0, first);
240         for (int i = 0; i < rest.length; ++i) {
241             seq.set(i + 1, rest[i]);
242         }
243         return new Genotype<>(seq.toISeq());
244     }
245 
246     /**
247      * Create a new {@code Genotype} which consists of {@code n} chromosomes,
248      * which are created by the given {@code factory}. This method can be used
249      * for easily creating a <i>gene matrix</i>. The following example will
250      * create a 10x5 {@code DoubleGene} <i>matrix</i>.
251      *
252      <pre>{@code
253      * final Genotype<DoubleGene> gt = Genotype
254      *     .of(DoubleChromosome.of(0.0, 1.0, 10), 5);
255      * }</pre>
256      *
257      @since 3.0
258      *
259      @param <G> the gene type
260      @param factory the factory which creates the chromosomes this genotype
261      *        consists of
262      @param n the number of chromosomes this genotype consists of
263      @return new {@code Genotype} containing {@code n} chromosomes
264      @throws IllegalArgumentException if {@code n < 1}.
265      @throws NullPointerException if the {@code factory} is {@code null}.
266      */
267     public static <G extends Gene<?, G>> Genotype<G>
268     of(final Factory<? extends Chromosome<G>> factory, final int n) {
269         final ISeq<Chromosome<G>> ch = ISeq.of(factory::newInstance, n);
270         return new Genotype<>(ch);
271     }
272 
273     /**
274      * Create a new {@code Genotype} from a given array of {@code chromosomes}.
275      *
276      @since 3.0
277      *
278      @param <G> the gene type
279      @param chromosomes the {@code Chromosome}s the returned genotype consists
280      *        of
281      @return a new {@code Genotype} from the given chromosomes
282      @throws NullPointerException if {@code chromosomes} is {@code null} or
283      *         one of its element.
284      @throws IllegalArgumentException if {@code chromosome.length() < 1}.
285      */
286     public static <G extends Gene<?, G>> Genotype<G>
287     of(final Iterable<? extends Chromosome<G>> chromosomes) {
288         return new Genotype<>(ISeq.of(chromosomes));
289     }
290 
291 
292     /* *************************************************************************
293      *  Java object serialization
294      * ************************************************************************/
295 
296     private Object writeReplace() {
297         return new Serial(Serial.GENOTYPE, this);
298     }
299 
300     private void readObject(final ObjectInputStream stream)
301         throws InvalidObjectException
302     {
303         throw new InvalidObjectException("Serialization proxy required.");
304     }
305 
306     void write(final ObjectOutput outthrows IOException {
307         writeInt(_chromosomes.length(), out);
308         for (var ch : _chromosomes) {
309             out.writeObject(ch);
310         }
311     }
312 
313     @SuppressWarnings({"unchecked""rawtypes"})
314     static Object read(final ObjectInput in)
315         throws IOException, ClassNotFoundException
316     {
317         final int length = readInt(in);
318         final MSeq chromosomes = MSeq.ofLength(length);
319         for (int i = 0; i < length; ++i) {
320             chromosomes.set(i, in.readObject());
321         }
322 
323         return new Genotype(chromosomes.asISeq());
324     }
325 
326 }