DoubleChromosome.java
001 /*
002  * Java Genetic Algorithm Library (jenetics-6.2.0).
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;
021 
022 import static java.util.Objects.requireNonNull;
023 import static io.jenetics.internal.util.SerialIO.readInt;
024 import static io.jenetics.internal.util.SerialIO.writeInt;
025 
026 import java.io.DataInput;
027 import java.io.DataOutput;
028 import java.io.IOException;
029 import java.io.InvalidObjectException;
030 import java.io.ObjectInputStream;
031 import java.io.Serializable;
032 import java.util.function.Function;
033 import java.util.stream.DoubleStream;
034 import java.util.stream.IntStream;
035 import java.util.stream.Stream;
036 
037 import io.jenetics.util.DoubleRange;
038 import io.jenetics.util.ISeq;
039 import io.jenetics.util.IntRange;
040 import io.jenetics.util.MSeq;
041 
042 /**
043  * Numeric chromosome implementation which holds 64 bit floating point numbers.
044  *
045  @see DoubleGene
046  *
047  * @implNote
048  * This class is immutable and thread-safe.
049  *
050  @author <a href="mailto:franz.wilhelmstoetter@gmail.com">Franz Wilhelmstötter</a>
051  @since 1.6
052  @version 6.1
053  */
054 public class DoubleChromosome
055     extends AbstractBoundedChromosome<Double, DoubleGene>
056     implements
057         NumericChromosome<Double, DoubleGene>,
058         Serializable
059 {
060     private static final long serialVersionUID = 3L;
061 
062     /**
063      * Create a new chromosome from the given {@code genes} and the allowed
064      * length range of the chromosome.
065      *
066      @since 4.0
067      *
068      @param genes the genes that form the chromosome.
069      @param lengthRange the allowed length range of the chromosome
070      @throws NullPointerException if one of the arguments is {@code null}.
071      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene sequence is
072      *         empty, doesn't match with the allowed length range, the minimum
073      *         or maximum of the range is smaller or equal zero or the given
074      *         range size is zero.
075      */
076     protected DoubleChromosome(
077         final ISeq<DoubleGene> genes,
078         final IntRange lengthRange
079     ) {
080         super(genes, lengthRange);
081     }
082 
083     @Override
084     public DoubleChromosome newInstance(final ISeq<DoubleGene> genes) {
085         return new DoubleChromosome(genes, lengthRange());
086     }
087 
088     @Override
089     public DoubleChromosome newInstance() {
090         return of(_min, _max, lengthRange());
091     }
092 
093     /**
094      * Maps the gene alleles of this chromosome, given as {@code double[]} array,
095      * by applying the given mapper function {@code f}. The mapped gene values
096      * are then wrapped into a newly created chromosome.
097      *
098      <pre>{@code
099      * final DoubleChromosome chromosome = ...;
100      * final DoubleChromosome normalized = chromosome.map(Main::normalize);
101      *
102      * static double[] normalize(final double[] values) {
103      *     final double sum = sum(values);
104      *     for (int i = 0; i < values.length; ++i) {
105      *         values[i] /= sum;
106      *     }
107      *     return values;
108      * }
109      * }</pre>
110      *
111      @since 6.1
112      *
113      @param f the mapper function
114      @return a newly created chromosome with the mapped gene values
115      @throws NullPointerException if the mapper function is {@code null}.
116      @throws IllegalArgumentException if the length of the mapped
117      *         {@code double[]} array is empty or doesn't match with the allowed
118      *         length range
119      */
120     public DoubleChromosome map(final Function<? super double[]double[]> f) {
121         requireNonNull(f);
122 
123         final var range = DoubleRange.of(_min, _max);
124         final var genes = DoubleStream.of(f.apply(toArray()))
125             .mapToObj(v -> DoubleGene.of(v, range))
126             .collect(ISeq.toISeq());
127 
128         return newInstance(genes);
129     }
130 
131     /**
132      * Returns a sequential stream of the alleles with this chromosome as its
133      * source.
134      *
135      @since 4.3
136      *
137      @return a sequential stream of alleles
138      */
139     public DoubleStream doubleStream() {
140         return IntStream.range(0, length()).mapToDouble(this::doubleValue);
141     }
142 
143     /**
144      * Returns an double array containing all of the elements in this chromosome
145      * in proper sequence.  If the chromosome fits in the specified array, it is
146      * returned therein. Otherwise, a new array is allocated with the length of
147      * this chromosome.
148      *
149      @since 3.0
150      *
151      @param array the array into which the elements of this chromosomes are to
152      *        be stored, if it is big enough; otherwise, a new array is
153      *        allocated for this purpose.
154      @return an array containing the elements of this chromosome
155      @throws NullPointerException if the given {@code array} is {@code null}
156      */
157     public double[] toArray(final double[] array) {
158         final double[] a = array.length >= length()
159             ? array
160             new double[length()];
161 
162         for (int i = length(); --i >= 0;) {
163             a[i= doubleValue(i);
164         }
165 
166         return a;
167     }
168 
169     /**
170      * Returns an double array containing all of the elements in this chromosome
171      * in proper sequence.
172      *
173      @since 3.0
174      *
175      @return an array containing the elements of this chromosome
176      */
177     public double[] toArray() {
178         return toArray(new double[length()]);
179     }
180 
181 
182     /* *************************************************************************
183      * Static factory methods.
184      * ************************************************************************/
185 
186     /**
187      * Create a new {@code DoubleChromosome} with the given genes.
188      *
189      @param genes the genes of the chromosome.
190      @return a new chromosome with the given genes.
191      @throws IllegalArgumentException if the length of the genes array is
192      *         empty or the given {@code genes} doesn't have the same range.
193      @throws NullPointerException if the given {@code genes} array is
194      *         {@code null}
195      */
196     public static DoubleChromosome of(final DoubleGene... genes) {
197         checkGeneRange(Stream.of(genes).map(DoubleGene::range));
198         return new DoubleChromosome(ISeq.of(genes), IntRange.of(genes.length));
199     }
200 
201     /**
202      * Create a new {@code DoubleChromosome} with the given genes.
203      *
204      @since 4.3
205      *
206      @param genes the genes of the chromosome.
207      @return a new chromosome with the given genes.
208      @throws NullPointerException if the given {@code genes} are {@code null}
209      @throws IllegalArgumentException if the of the genes iterable is empty or
210      *         the given {@code genes} doesn't have the same range.
211      */
212     public static DoubleChromosome of(final Iterable<DoubleGene> genes) {
213         final ISeq<DoubleGene> values = ISeq.of(genes);
214         checkGeneRange(values.stream().map(DoubleGene::range));
215         return new DoubleChromosome(values, IntRange.of(values.length()));
216     }
217 
218     /**
219      * Create a new random chromosome.
220      *
221      @since 4.0
222      *
223      @param min the min value of the {@link DoubleGene}s (inclusively).
224      @param max the max value of the {@link DoubleGene}s (exclusively).
225      @param lengthRange the allowed length range of the chromosome.
226      @return a new {@code DoubleChromosome} with the given parameter
227      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene sequence is
228      *         empty, doesn't match with the allowed length range, the minimum
229      *         or maximum of the range is smaller or equal zero or the given
230      *         range size is zero.
231      @throws NullPointerException if the given {@code lengthRange} is
232      *         {@code null}
233      */
234     public static DoubleChromosome of(
235         final double min,
236         final double max,
237         final IntRange lengthRange
238     ) {
239         final ISeq<DoubleGene> genes = DoubleGene.seq(min, max, lengthRange);
240         return new DoubleChromosome(genes, lengthRange);
241     }
242 
243     /**
244      * Create a new random {@code DoubleChromosome}.
245      *
246      @param min the min value of the {@link DoubleGene}s (inclusively).
247      @param max the max value of the {@link DoubleGene}s (exclusively).
248      @param length the length of the chromosome.
249      @return a new {@code DoubleChromosome} with the given parameter
250      @throws IllegalArgumentException if the {@code length} is smaller than
251      *         one.
252      */
253     public static DoubleChromosome of(
254         final double min,
255         final double max,
256         final int length
257     ) {
258         return of(min, max, IntRange.of(length));
259     }
260 
261     /**
262      * Create a new random chromosome.
263      *
264      @since 4.0
265      *
266      @param range the integer range of the chromosome.
267      @param lengthRange the allowed length range of the chromosome.
268      @return a new {@code DoubleChromosome} with the given parameter
269      @throws IllegalArgumentException if the length of the gene sequence is
270      *         empty, doesn't match with the allowed length range, the minimum
271      *         or maximum of the range is smaller or equal zero or the given
272      *         range size is zero.
273      @throws NullPointerException if the given {@code lengthRange} is
274      *         {@code null}
275      */
276     public static DoubleChromosome of(
277         final DoubleRange range,
278         final IntRange lengthRange
279     ) {
280         return of(range.min(), range.max(), lengthRange);
281     }
282 
283     /**
284      * Create a new random {@code DoubleChromosome}.
285      *
286      @since 3.2
287      *
288      @param range the integer range of the chromosome.
289      @param length the length of the chromosome.
290      @return a new random {@code DoubleChromosome}
291      @throws NullPointerException if the given {@code range} is {@code null}
292      @throws IllegalArgumentException if the {@code length} is smaller than
293      *         one.
294      */
295     public static DoubleChromosome of(final DoubleRange range, final int length) {
296         return of(range.min(), range.max(), length);
297     }
298 
299     /**
300      * Create a new random {@code DoubleChromosome} of length one.
301      *
302      @param min the minimal value of this chromosome (inclusively).
303      @param max the maximal value of this chromosome (exclusively).
304      @return a new {@code DoubleChromosome} with the given parameter
305      */
306     public static DoubleChromosome of(final double min, final double max) {
307         return of(min, max, 1);
308     }
309 
310     /**
311      * Create a new random {@code DoubleChromosome} of length one.
312      *
313      @since 3.2
314      *
315      @param range the double range of the chromosome.
316      @return a new random {@code DoubleChromosome} of length one
317      @throws NullPointerException if the given {@code range} is {@code null}
318      */
319     public static DoubleChromosome of(final DoubleRange range) {
320         return of(range.min(), range.max());
321     }
322 
323 
324     /* *************************************************************************
325      *  Java object serialization
326      * ************************************************************************/
327 
328     private Object writeReplace() {
329         return new Serial(Serial.DOUBLE_CHROMOSOME, this);
330     }
331 
332     private void readObject(final ObjectInputStream stream)
333         throws InvalidObjectException
334     {
335         throw new InvalidObjectException("Serialization proxy required.");
336     }
337 
338     void write(final DataOutput outthrows IOException {
339         writeInt(length(), out);
340         writeInt(lengthRange().min(), out);
341         writeInt(lengthRange().max(), out);
342         out.writeDouble(_min);
343         out.writeDouble(_max);
344 
345         for (int i = 0, n = length(); i < n; ++i) {
346             out.writeDouble(doubleValue(i));
347         }
348     }
349 
350     static DoubleChromosome read(final DataInput inthrows IOException {
351         final var length = readInt(in);
352         final var lengthRange = IntRange.of(readInt(in), readInt(in));
353         final var min = in.readDouble();
354         final var max = in.readDouble();
355 
356         final MSeq<DoubleGene> values = MSeq.ofLength(length);
357         for (int i = 0; i < length; ++i) {
358             values.set(i, DoubleGene.of(in.readDouble(), min, max));
359         }
360 
361         return new DoubleChromosome(values.toISeq(), lengthRange);
362     }
363 
364 }