sn-evolution-cut: Add new evolutionary algorithm for optimizing cuts through networks.
authorFlorian Forster <octo@leeloo.lan.home.verplant.org>
Mon, 10 May 2010 13:04:38 +0000 (15:04 +0200)
committerFlorian Forster <octo@leeloo.lan.home.verplant.org>
Mon, 10 May 2010 13:04:38 +0000 (15:04 +0200)
src/Makefile.am
src/sn-evolution-cut.c [new file with mode: 0644]

index 773573a..773906f 100644 (file)
@@ -42,10 +42,15 @@ sn_tex_SOURCES = sn-tex.c
 sn_tex_LDADD = libsortnetwork.la
 
 if BUILD_WITH_LIBPOPULATION
-bin_PROGRAMS += sn-evolution
+bin_PROGRAMS += sn-evolution sn-evolution-cut
 
 sn_evolution_SOURCES = sn-evolution.c
 sn_evolution_CPPFLAGS = $(AM_CPPFLAGS) $(LIBPOPULATION_CPPFLAGS)
 sn_evolution_LDFLAGS = $(AM_LDFLAGS) $(LIBPOPULATION_LDFLAGS)
 sn_evolution_LDADD = libsortnetwork.la $(LIBPOPULATION_LIBS)
+
+sn_evolution_cut_SOURCES = sn-evolution-cut.c
+sn_evolution_cut_CPPFLAGS = $(AM_CPPFLAGS) $(LIBPOPULATION_CPPFLAGS)
+sn_evolution_cut_LDFLAGS = $(AM_LDFLAGS) $(LIBPOPULATION_LDFLAGS)
+sn_evolution_cut_LDADD = libsortnetwork.la $(LIBPOPULATION_LIBS)
 endif
diff --git a/src/sn-evolution-cut.c b/src/sn-evolution-cut.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..7adef3d
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,521 @@
+/**
+ * collectd - src/sn-evolution-cut.c
+ * Copyright (C) 2008-2010  Florian octo Forster
+ *
+ * This program is free software; you can redistribute it and/or modify it
+ * under the terms of the GNU General Public License as published by the
+ * Free Software Foundation; only version 2 of the License is applicable.
+ *
+ * This program is distributed in the hope that it will be useful, but
+ * WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+ * General Public License for more details.
+ *
+ * You should have received a copy of the GNU General Public License along
+ * with this program; if not, write to the Free Software Foundation, Inc.,
+ * 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301 USA
+ *
+ * Authors:
+ *   Florian octo Forster <ff at octo.it>
+ **/
+
+#include "config.h"
+
+#include <stdlib.h>
+#include <stdio.h>
+#include <stdint.h>
+#include <inttypes.h>
+#include <string.h>
+
+#include <sys/types.h>
+#include <sys/stat.h>
+#include <fcntl.h>
+#include <unistd.h>
+#include <signal.h>
+#include <assert.h>
+#include <limits.h>
+
+#include <pthread.h>
+
+#include <population.h>
+
+#include "sn_network.h"
+#include "sn_random.h"
+
+#if !defined(__GNUC__) || !__GNUC__
+# define __attribute__(x) /**/
+#endif
+
+typedef int individuum_t;
+
+static int inputs_num = 0;
+static int outputs_num = 0;
+static int cuts_num = 0;
+
+static char *initial_input_file = NULL;
+static const sn_network_t *initial_network = NULL;
+static char *best_output_file = NULL;
+
+static int stats_interval = 0;
+
+static int max_population_size = 128;
+static population_t *population = NULL;
+
+static int evolution_threads_num = 4;
+
+static int do_loop = 0;
+static uint64_t iteration_counter = 0;
+
+static void sigint_handler (int signal __attribute__((unused)))
+{
+  do_loop++;
+} /* void sigint_handler */
+
+static void exit_usage (const char *name)
+{
+  printf ("Usage: %s [options]\n"
+      "\n"
+      "Valid options are:\n"
+      "  -i <file>     Initial input file (REQUIRED)\n"
+      "  -o <file>     Write the current best solution to <file>\n"
+      "  -O <num>      Number of outputs (default: inputs / 2)\n"
+      "  -p <num>      Size of the population (default: 128)\n"
+      "  -P <peer>     Send individuals to <peer> (may be repeated)\n"
+      "  -t <num>      Number of threads (default: 4)\n"
+      "\n",
+      name);
+  exit (1);
+} /* void exit_usage */
+
+int read_options (int argc, char **argv) /* {{{ */
+{
+  int option;
+
+  while ((option = getopt (argc, argv, "i:o:O:p:P:s:t:h")) != -1)
+  {
+    switch (option)
+    {
+      case 'i':
+      {
+       if (initial_input_file != NULL)
+         free (initial_input_file);
+       initial_input_file = strdup (optarg);
+       break;
+      }
+
+      case 'o':
+      {
+       if (best_output_file != NULL)
+         free (best_output_file);
+       best_output_file = strdup (optarg);
+       break;
+      }
+
+      case 'O':
+      {
+       int tmp = atoi (optarg);
+       if (tmp > 0)
+         outputs_num = tmp;
+       break;
+      }
+
+      case 'p':
+      {
+       int tmp = atoi (optarg);
+       if (tmp > 0)
+       {
+         max_population_size = tmp;
+         population_set_size (population, (size_t) max_population_size);
+       }
+       break;
+      }
+
+      case 'P':
+      {
+       int status;
+
+       status = population_add_peer (population, optarg, /* port = */ NULL);
+       if (status != 0)
+       {
+         fprintf (stderr, "population_add_peer failed with status %i.\n",
+             status);
+       }
+       break;
+      }
+
+      case 's':
+      {
+       int tmp = atoi (optarg);
+       if (tmp > 0)
+         stats_interval = tmp;
+       break;
+      }
+
+      case 't':
+      {
+       int tmp = atoi (optarg);
+       if (tmp >= 1)
+         evolution_threads_num = tmp;
+       break;
+      }
+
+      case 'h':
+      default:
+       exit_usage (argv[0]);
+    }
+  }
+
+  return (0);
+} /* }}} int read_options */
+
+static int apply_cut (sn_network_t *n, int input) /* {{{ */
+{
+  enum sn_network_cut_dir_e dir = DIR_MAX;
+
+  if (input < 0)
+  {
+    dir = DIR_MIN;
+    input *= (-1);
+  }
+  input--;
+
+  return (sn_network_cut_at (n, input, dir));
+} /* }}} int apply_cut */
+
+static int apply (sn_network_t *n, const individuum_t *ind) /* {{{ */
+{
+  int i;
+
+  for (i = 0; i < cuts_num; i++)
+    apply_cut (n, ind[i]);
+
+  return (0);
+} /* }}} int apply */
+
+static int rate_network (const sn_network_t *n) /* {{{ */
+{
+  int rate;
+  int i;
+
+  rate = SN_NETWORK_STAGE_NUM (n) * SN_NETWORK_INPUT_NUM (n);
+  for (i = 0; i < SN_NETWORK_STAGE_NUM (n); i++)
+  {
+    sn_stage_t *s = SN_NETWORK_STAGE_GET (n, i);
+    rate += SN_STAGE_COMP_NUM (s);
+  }
+
+  return (rate);
+} /* }}} int rate_network */
+
+static sn_network_t *individuum_to_network (const individuum_t *ind) /* {{{ */
+{
+  sn_network_t *n;
+
+  n = sn_network_clone (initial_network);
+  if (n == NULL)
+    return (NULL);
+
+  apply (n, ind);
+
+  sn_network_normalize (n);
+  sn_network_compress (n);
+
+  return (n);
+} /* }}} sn_network_t *individuum_to_network */
+
+static int ind_rate (const void *arg) /* {{{ */
+{
+  sn_network_t *n;
+  int status;
+
+  n = individuum_to_network (arg);
+  if (n == NULL)
+    return (-1);
+
+  status = rate_network (n);
+  sn_network_destroy (n);
+
+  return (status);
+} /* }}} int ind_rate */
+
+static void *ind_copy (const void *in) /* {{{ */
+{
+  size_t s = sizeof (individuum_t) * cuts_num;
+  void *out;
+
+  out = malloc (s);
+  if (out == NULL)
+    return (NULL);
+
+  memcpy (out, in, s);
+  return (out);
+} /* }}} void *ind_copy */
+
+static void ind_free (void *ind) /* {{{ */
+{
+  if (ind != NULL)
+    free (ind);
+} /* }}} void ind_free */
+
+static individuum_t *recombine (individuum_t *i0, individuum_t *i1) /* {{{ */
+{
+  individuum_t *offspring;
+  int cut_at;
+  int i;
+
+  if ((i0 == NULL) || (i1 == NULL))
+    return (NULL);
+
+  offspring = malloc (sizeof (*offspring) * cuts_num);
+  if (offspring == NULL)
+    return (NULL);
+  memset (offspring, 0, sizeof (*offspring) * cuts_num);
+
+  cut_at = sn_bounded_random (0, cuts_num);
+  for (i = 0; i < cuts_num; i++)
+  {
+    if (i < cut_at)
+      offspring[i] = i0[i];
+    else
+      offspring[i] = i1[i];
+  }
+
+  return (offspring);
+} /* }}} individuum_t *recombine */
+
+static void random_cut (individuum_t *ind, int index) /* {{{ */
+{
+  int max_input = inputs_num - index;
+
+  ind[index] = 0;
+  while (ind[index] == 0)
+    ind[index] = sn_bounded_random ((-1) * max_input, max_input);
+} /* }}} void random_cut */
+
+static void mutate (individuum_t *ind) /* {{{ */
+{
+  int reset_input;
+  int i;
+
+  reset_input = sn_bounded_random (0, 3 * cuts_num);
+  for (i = 0; i < cuts_num; i++)
+  {
+    if (reset_input == i)
+      random_cut (ind, i);
+
+    if (sn_bounded_random (0, 100))
+      ind[i] *= (-1);
+  }
+} /* }}} void mutate */
+
+static int create_offspring (void) /* {{{ */
+{
+  individuum_t *i0;
+  individuum_t *i1;
+  individuum_t *i2;
+
+  i0 = population_get_random (population);
+  i1 = population_get_random (population);
+
+  i2 = recombine (i0, i1);
+  mutate (i2);
+
+  population_insert (population, i2);
+
+  free (i0);
+  free (i1);
+  free (i2);
+
+  return (0);
+} /* }}} int create_offspring */
+
+static void *evolution_thread (void *arg __attribute__((unused))) /* {{{ */
+{
+  while (do_loop == 0)
+  {
+    create_offspring ();
+    /* XXX: Not synchronized! */
+    iteration_counter++;
+  }
+
+  return ((void *) 0);
+} /* }}} int start_evolution */
+
+static int evolution_start (int threads_num) /* {{{ */
+{
+  pthread_t threads[threads_num]; /* C99 ftw! */
+  int i;
+
+  for (i = 0; i < threads_num; i++)
+  {
+    int status;
+
+    status = pthread_create (&threads[i], /* attr = */ NULL,
+       evolution_thread, /* arg = */ NULL);
+    if (status != 0)
+    {
+      fprintf (stderr, "evolution_start: pthread_create[%i] failed "
+         "with status %i.\n",
+         i, status);
+      threads[i] = 0;
+    }
+  }
+
+  while (do_loop == 0)
+  {
+    int status;
+    
+    status = sleep (1);
+    if (status == 0)
+    {
+      individuum_t *ind;
+      sn_network_t *n;
+      int stages_num;
+      int comparators_num;
+      int rating;
+      int iter;
+
+      iter = iteration_counter;
+
+      ind = population_get_fittest (population);
+      n = individuum_to_network (ind);
+
+      rating = rate_network (n);
+
+      stages_num = SN_NETWORK_STAGE_NUM (n);
+      comparators_num = 0;
+      for (i = 0; i < stages_num; i++)
+      {
+       sn_stage_t *s;
+
+       s = SN_NETWORK_STAGE_GET (n, i);
+       comparators_num += SN_STAGE_COMP_NUM (s);
+      }
+
+      sn_network_destroy (n);
+      ind_free (ind);
+
+      printf ("Best after approximately %i iterations: "
+         "%i comparators in %i stages. Rating: %i.\n",
+         iter, comparators_num, stages_num, rating);
+    }
+  }
+
+  for (i = 0; i < threads_num; i++)
+  {
+    if (threads[i] == 0)
+      continue;
+    pthread_join (threads[i], /* value_ptr = */ NULL);
+  }
+
+  return (0);
+} /* }}} int evolution_start */
+
+int main (int argc, char **argv) /* {{{ */
+{
+  struct sigaction sigint_action;
+  struct sigaction sigterm_action;
+  int i;
+
+  population = population_create (ind_rate, ind_copy, ind_free);
+  if (population == NULL)
+  {
+    fprintf (stderr, "population_create failed.\n");
+    return (1);
+  }
+
+#if 0
+  population_set_serialization (population,
+      (pi_serialize_f) sn_network_serialize,
+      (pi_unserialize_f) sn_network_unserialize);
+#endif
+
+  read_options (argc, argv);
+  if (initial_input_file == NULL)
+    exit_usage (argv[0]);
+
+  memset (&sigint_action, '\0', sizeof (sigint_action));
+  sigint_action.sa_handler = sigint_handler;
+  sigaction (SIGINT, &sigint_action, NULL);
+
+  memset (&sigterm_action, '\0', sizeof (sigterm_action));
+  sigterm_action.sa_handler = sigint_handler;
+  sigaction (SIGTERM, &sigterm_action, NULL);
+
+  /* population_start_listen_thread (population, NULL, NULL); */
+
+  initial_network = sn_network_read_file (initial_input_file);
+  if (initial_network == NULL)
+  {
+    fprintf (stderr, "Reading input file failed.\n");
+    exit (EXIT_FAILURE);
+  }
+
+  inputs_num = SN_NETWORK_INPUT_NUM(initial_network);
+  if (outputs_num == 0)
+    outputs_num = inputs_num / 2;
+
+  if (outputs_num >= inputs_num)
+  {
+    fprintf (stderr, "Number of inputs (%i) is smaller than "
+        "(or equal to) the number of outputs (%i).\n",
+        inputs_num, outputs_num);
+    exit (EXIT_FAILURE);
+  }
+
+  cuts_num = inputs_num - outputs_num;
+  assert (cuts_num >= 1);
+
+  for (i = 0; i < max_population_size; i++)
+  { /* create a random initial individuum */
+    individuum_t *ind;
+    int i;
+
+    ind = malloc (sizeof (*ind) * cuts_num);
+    if (ind == NULL)
+    {
+      fprintf (stderr, "malloc failed.\n");
+      exit (EXIT_FAILURE);
+    }
+
+    for (i = 0; i < cuts_num; i++)
+      random_cut (ind, i);
+
+    population_insert (population, ind);
+    ind_free (ind);
+  }
+
+  printf ("Current configuration:\n"
+      "  Initial network:   %s\n"
+      "  Number of inputs:  %3i\n"
+      "  Number of outputs: %3i\n"
+      "  Population size:   %3i\n"
+      "=======================\n",
+      initial_input_file, inputs_num, outputs_num, max_population_size);
+
+  evolution_start (evolution_threads_num);
+
+  printf ("Exiting after %"PRIu64" iterations.\n",
+      iteration_counter);
+
+  {
+    individuum_t *ind;
+    sn_network_t *n;
+
+    ind = population_get_fittest (population);
+    if (ind != NULL)
+    {
+      n = individuum_to_network (ind);
+      if (best_output_file != NULL)
+       sn_network_write_file (n, best_output_file);
+      sn_network_show (n);
+      sn_network_destroy (n);
+    }
+  }
+
+  population_destroy (population);
+
+  return (0);
+} /* }}} int main */
+
+/* vim: set shiftwidth=2 softtabstop=2 et fdm=marker : */