Codec.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-6.1.0).
003  * Copyright (c) 2007-2020 Franz Wilhelmstötter
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016  *
017  * Author:
018  *    Franz Wilhelmstötter (franz.wilhelmstoetter@gmail.com)
019  */
020 package io.jenetics.engine;
021 
022 import static java.util.Objects.requireNonNull;
023 
024 import java.util.function.BiFunction;
025 import java.util.function.Function;
026 
027 import io.jenetics.Gene;
028 import io.jenetics.Genotype;
029 import io.jenetics.util.Factory;
030 import io.jenetics.util.ISeq;
031 
032 /**
033  * A problem {@code Codec} contains the information about how to encode a given
034  * argument type into a {@code Genotype}. It also lets convert the encoded
035  * {@code Genotype} back to the argument type. The engine creation and the
036  * implementation of the fitness function can be heavily simplified by using
037  * a {@code Codec} class. The example given in the {@link Engine} documentation
038  * can be simplified as follows:
039  *
040  <pre>{@code
041  * public class RealFunction {
042  *     // The conversion from the 'Genotype' to the argument type of the fitness
043  *     // function is performed by the given 'Codec'. You can concentrate on the
044  *     // implementation, because you are not bothered with the conversion code.
045  *     private static double eval(final double x) {
046  *         return cos(0.5 + sin(x)) * cos(x);
047  *     }
048  *
049  *     public static void main(final String[] args) {
050  *         final Engine<DoubleGene, Double> engine = Engine
051  *              // Create an Engine.Builder with the "pure" fitness function
052  *              // and the appropriate Codec.
053  *             .build(RealFunction::eval, Codecs.ofScalar(DoubleRange.of(0, 2*PI)))
054  *             .build();
055  *         ...
056  *     }
057  * }
058  * }</pre>
059  *
060  * The {@code Codec} needed for the above usage example, will look like this:
061  <pre>{@code
062  * final DoubleRange domain = DoubleRange.of(0, 2*PI);
063  * final Codec<Double, DoubleGene> codec = Codec.of(
064  *     Genotype.of(DoubleChromosome.of(domain)),
065  *     gt -> gt.chromosome().gene().allele()
066  * );
067  * }</pre>
068  *
069  * Calling the {@link Codec#of(Factory, Function)} method is the usual way for
070  * creating new {@code Codec} instances.
071  *
072  @see Codecs
073  @see Engine
074  @see Engine.Builder
075  *
076  @param <T> the argument type of a given problem
077  @param <G> the {@code Gene} type used for encoding the argument type {@code T}
078  *
079  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
080  @version 3.6
081  @since 3.2
082  */
083 public interface Codec<T, G extends Gene<?, G>> {
084 
085     /**
086      * Return the genotype factory for creating genotypes with the right
087      * encoding for the given problem. The genotype created with this factory
088      * must work together with the {@link #decoder()} function, which transforms
089      * the genotype into an object of the problem domain.
090      *
091      <pre>{@code
092      * final Codec<SomeObject, DoubleGene> codec = ...
093      * final Genotype<DoubleGene> gt = codec.encoding().newInstance();
094      * final SomeObject arg = codec.decoder().apply(gt);
095      * }</pre>
096      *
097      @see #decoder()
098      *
099      @return the genotype (factory) representation of the problem domain
100      */
101     Factory<Genotype<G>> encoding();
102 
103     /**
104      * Return the <em>decoder</em> function which transforms the genotype back
105      * to the original problem domain representation.
106      *
107      @see #encoding()
108      *
109      @return genotype decoder
110      */
111     Function<Genotype<G>, T> decoder();
112 
113     /**
114      * Converts the given {@link Genotype} to the target type {@link T}. This is
115      * a shortcut for
116      <pre>{@code
117      * final Codec<SomeObject, DoubleGene> codec = ...
118      * final Genotype<DoubleGene> gt = codec.encoding().newInstance();
119      *
120      * final SomeObject arg = codec.decoder().apply(gt);
121      * }</pre>
122      *
123      @since 3.6
124      *
125      @param genotype the genotype to be converted
126      @return the converted genotype
127      @throws NullPointerException if the given {@code genotype} is {@code null}
128      */
129     default T decode(final Genotype<G> genotype) {
130         requireNonNull(genotype);
131         return decoder().apply(genotype);
132     }
133 
134     /**
135      * Create a new {@code Codec} with the mapped result type. The following
136      * example creates a double codec who's values are not uniformly distributed
137      * between {@code [0..1)}. Instead the values now follow an exponential
138      * function.
139      *
140      <pre>{@code
141      *  final Codec<Double, DoubleGene> c = Codecs.ofScalar(DoubleRange.of(0, 1))
142      *      .map(Math::exp);
143      * }</pre>
144      *
145      * This method can also be used for creating non-trivial codes like split
146      * ranges, as shown in the following example, where only values between
147      <em>[0, 2)</em> and <em>[8, 10)</em> are valid.
148      <pre>{@code
149      *   +--+--+--+--+--+--+--+--+--+--+
150      *   |  |  |  |  |  |  |  |  |  |  |
151      *   0  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10
152      *   |-----|xxxxxxxxxxxxxxxxx|-----|
153      *      ^  |llllllll|rrrrrrrr|  ^
154      *      |       |        |      |
155      *      +-------+        +------+
156      * }</pre>
157      *
158      <pre>{@code
159      * final Codec<Double, DoubleGene> codec = Codecs
160      *     .ofScalar(DoubleRange.of(0, 10))
161      *     .map(v -> {
162      *             if (v >= 2 && v < 8) {
163      *                 return v < 5 ? ((v - 2)/3)*2 : ((8 - v)/3)*2 + 8;
164      *             }
165      *             return v;
166      *         });
167      * }</pre>
168      *
169      @since 4.0
170      *
171      @see InvertibleCodec#map(Function, Function)
172      *
173      @param mapper the mapper function
174      @param <B> the new argument type of the given problem
175      @return a new {@code Codec} with the mapped result type
176      @throws NullPointerException if the mapper is {@code null}.
177      */
178     default <B> Codec<B, G> map(final Function<? super T, ? extends B> mapper) {
179         requireNonNull(mapper);
180 
181         return Codec.of(
182             encoding(),
183             mapper.compose(decoder())
184         );
185     }
186 
187     /**
188      * Converts this codec into an <em>invertible</em> codec, by using the given
189      * {@code encoder} (inversion) function.
190      *
191      @param encoder the (inverse) encoder function
192      @return a new invertible codec
193      @throws NullPointerException if the given {@code encoder} is {@code null}
194      */
195     default InvertibleCodec<T, G>
196     toInvertibleCodec(final Function<? super T, Genotype<G>> encoder) {
197         return InvertibleCodec.of(
198             encoding(),
199             decoder(),
200             encoder
201         );
202     }
203 
204     /**
205      * Create a new {@code Codec} object with the given {@code encoding} and
206      * {@code decoder} function.
207      *
208      @param encoding the genotype factory used for creating new
209      *        {@code Genotypes}
210      @param decoder decoder function, which converts a {@code Genotype} to a
211      *        value in the problem domain
212      @param <G> the {@code Gene} type
213      @param <T> the fitness function argument type in the problem domain
214      @return a new {@code Codec} object with the given parameters
215      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}.
216      */
217     static <T, G extends Gene<?, G>> Codec<T, G> of(
218         final Factory<Genotype<G>> encoding,
219         final Function<? super Genotype<G>, ? extends T> decoder
220     ) {
221         requireNonNull(encoding);
222         requireNonNull(decoder);
223 
224         return new Codec<>() {
225             @Override
226             public Factory<Genotype<G>> encoding() {
227                 return encoding;
228             }
229 
230             @Override
231             @SuppressWarnings("unchecked")
232             public Function<Genotype<G>, T> decoder() {
233                 return (Function<Genotype<G>, T>)decoder;
234             }
235         };
236     }
237 
238 
239     /**
240      * Converts two given {@code Codec} instances into one. This lets you divide
241      * a problem into sub problems and combine them again.
242      <p>
243      * The following example shows how to combine two codecs, which converts a
244      * {@code LongGene} to a {@code LocalDate}, to a codec which combines the
245      * two {@code LocalDate} object (this are the argument types of the
246      * component codecs) to a {@code Duration}.
247      *
248      <pre>{@code
249      * final Codec<LocalDate, LongGene> dateCodec1 = Codec.of(
250      *     Genotype.of(LongChromosome.of(0, 10_000)),
251      *     gt -> LocalDate.ofEpochDay(gt.gene().longValue())
252      * );
253      *
254      * final Codec<LocalDate, LongGene> dateCodec2 = Codec.of(
255      *     Genotype.of(LongChromosome.of(1_000_000, 10_000_000)),
256      *     gt -> LocalDate.ofEpochDay(gt.gene().longValue())
257      * );
258      *
259      * final Codec<Duration, LongGene> durationCodec = Codec.of(
260      *     dateCodec1,
261      *     dateCodec2,
262      *     (d1, d2) -> Duration.ofDays(d2.toEpochDay() - d1.toEpochDay())
263      * );
264      *
265      * final Engine<LongGene, Long> engine = Engine
266      *     .builder(Duration::toMillis, durationCodec)
267      *     .build();
268      *
269      * final Phenotype<LongGene, Long> pt = engine.stream()
270      *     .limit(100)
271      *     .collect(EvolutionResult.toBestPhenotype());
272      * System.out.println(pt);
273      *
274      * final Duration duration = durationCodec.decoder()
275      *     .apply(pt.genotype());
276      * System.out.println(duration);
277      * }</pre>
278      *
279      @since 3.3
280      *
281      @param <G> the gene type
282      @param <A> the argument type of the first codec
283      @param <B> the argument type of the second codec
284      @param <T> the argument type of the compound codec
285      @param codec1 the first codec
286      @param codec2 the second codec
287      @param decoder the decoder which combines the two argument types from the
288      *        given given codecs, to the argument type of the resulting codec.
289      @return a new codec which combines the given {@code codec1} and
290      *        {@code codec2}
291      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}
292      */
293     static <A, B, T, G extends Gene<?, G>> Codec<T, G> of(
294         final Codec<A, G> codec1,
295         final Codec<B, G> codec2,
296         final BiFunction<A, B, T> decoder
297     ) {
298         @SuppressWarnings("unchecked")
299         final Function<Object[], T> decoderAdapter =
300             v -> decoder.apply((A)v[0](B)v[1]);
301 
302         return of(
303             ISeq.of(codec1, codec2),
304             decoderAdapter
305         );
306     }
307 
308     /**
309      * Combines the given {@code codecs} into one codec. This lets you divide
310      * a problem into sub problems and combine them again.
311      <p>
312      * The following example combines more than two sub-codecs into one.
313      <pre>{@code
314      * final Codec<LocalDate, LongGene> dateCodec = Codec.of(
315      *     Genotype.of(LongChromosome.of(0, 10_000)),
316      *     gt -> LocalDate.ofEpochDay(gt.getGene().longValue())
317      * );
318      *
319      * final Codec<Duration, LongGene> durationCodec = Codec.of(
320      *     ISeq.of(dateCodec, dateCodec, dateCodec),
321      *     dates -> {
322      *         final LocalDate ld1 = (LocalDate)dates[0];
323      *         final LocalDate ld2 = (LocalDate)dates[1];
324      *         final LocalDate ld3 = (LocalDate)dates[2];
325      *
326      *         return Duration.ofDays(
327      *             ld1.toEpochDay() + ld2.toEpochDay() - ld3.toEpochDay()
328      *         );
329      *     }
330      * );
331      *
332      * final Engine<LongGene, Long> engine = Engine
333      *     .builder(Duration::toMillis, durationCodec)
334      *     .build();
335      *
336      * final Phenotype<LongGene, Long> pt = engine.stream()
337      *     .limit(100)
338      *     .collect(EvolutionResult.toBestPhenotype());
339      * System.out.println(pt);
340      *
341      * final Duration duration = durationCodec.decoder()
342      *     .apply(pt.genotype());
343      * System.out.println(duration);
344      * }</pre>
345      *
346      @since 3.3
347      *
348      @param <G> the gene type
349      @param <T> the argument type of the compound codec
350      @param codecs the {@code Codec} sequence of the sub-problems
351      @param decoder the decoder which combines the argument types from the
352      *        given given codecs, to the argument type of the resulting codec.
353      @return a new codec which combines the given {@code codecs}
354      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}
355      @throws IllegalArgumentException if the given {@code codecs} sequence is
356      *         empty
357      */
358     static <T, G extends Gene<?, G>> Codec<T, G> of(
359         final ISeq<? extends Codec<?, G>> codecs,
360         final Function<? super Object[], ? extends T> decoder
361     ) {
362         if (codecs.isEmpty()) {
363             throw new IllegalArgumentException(
364                 "Codecs sequence must not be empty."
365             );
366         }
367         return codecs.size() == 1
368             ? Codec.of(
369                 codecs.get(0).encoding(),
370                 gt -> {
371                     final Object value = codecs.get(0).decoder().apply(gt);
372                     return decoder.apply(new Object[]{value});
373                 })
374             new CompositeCodec<>(codecs, decoder);
375     }
376 
377 }