Przeszukiwanie przestrzeni stanów 2

Home

Post ten stanowi fragment serii na temat przeszukiwania przestrzeni stanów.

Implementacja przeszukiwania przestrzeni stanów powinna być możliwe ogólna, tak abyśmy mogli zastosować ją również dla innych problemów. Najpierw napiszmy klasę reprezentującą stan. Wygląda ona w następujący sposób:

public class State<TCustomData>
{
    public TCustomData Data { get; set; }

    public double Cost { get; set; }

    public State<TCustomData> Parent { get; internal set; }

    public IList<State<TCustomData>> Children { get; internal set; }
}

TCustomData to dowolna klasa, która przechowuje właściwe dane opisujące stan.

Teraz stwórzmy klasę Problem, która będzie miała trzy zadania: dostarczenie stanu początkowego, produkowanie nowych stanów i określenie kiedy znaleźliśmy stan końcowy. Wszystkie składowe tej klasy są abstrakcyjne, ponieważ ich implementacja zależy od rozwiązywanego problemy.

public abstract class Problem<TCustomData>
{
    public abstract TCustomData DataForInitialState { get; }

    public abstract bool IsFinalState(State<TCustomData> state);

    public abstract IList<State<TCustomData>> Expand(State<TCustomData> state);
}

Potrzebujemy jeszcze jednej klasy. Będzie ona odpowiedzialna za przechowywanie stanów, które musimy odwiedzić. Wracając do zadania ze statkiem. W pewnym momencie może być tak, że nie będziemy mogli jednoznacznie powiedzieć skąd przypłynął statek. Możliwości może być wiele i w najgorszym przypadku musimy sprawdzić je wszytskie. Innymi słowy ze stanu A możemy przejść do stanu B, C, D... i gdzieś te stany musimy zapamiętać.

public abstract class Fringe<TCustomData>
{
    public abstract State<TCustomData> Next { get; }

    public abstract int Count { get; }

    public abstract bool IsEmpty { get; }

    public abstract void Add(State<TCustomData> s);

    public void AddRange(IEnumerable<State<TCustomData>> data)
    {
        foreach (var s in data)
            Add(s);
    }
}

Klasa ta jest abstrakcyjna, ponieważ stany możemy odwiedzać w różnej kolejności co może mieć bardzo duże znaczenie, ale o tym później.

Napiszmy jeszcze jedną prostą klasę zanim przejdziemy do właściwego silnika, czyli klasę modelującą rozwiązanie. W tej implementacji rozwiązanie do sekwencja stanów od początkowego aż do końcowego:

public class Result<TCustomData>
{
    private readonly List<TCustomData> _resultData = new List<TCustomData>();

    public IList<TCustomData> ResultData
    {
        get { return _resultData; }
    }
}

Przygotowaliśmy już całą infrastrukturę. Zobaczmy więc silnik. Wbrew pozorom jest on bardzo prosty.

public class ProblemSolver<TCustomData>
{
    public IList<Result<TCustomData>> SolveProblem(Fringe<TCustomData> fringe, Problem<TCustomData> problem)
    {
        var initialState = new State<TCustomData> { Data = problem.DataForInitialState };
        fringe.Add(initialState);

        var res = new List<Result<TCustomData>>();
        while (!fringe.IsEmpty)
        {
            var next = fringe.Next;

            if (problem.IsFinalState(next))
            {
                res.Add(GetSolution(next));
            }
            else
            {
                next.Children = problem.Expand(next);
                foreach (var child in next.Children)
                    child.Parent = next;

                fringe.AddRange(next.Children);
            }
        }

        return res;
    }

    private static Result<TCustomData> GetSolution(State<TCustomData> state)
    {
        var res = new Result<TCustomData>();
        while (state != null)
        {
            res.ResultData.Add(state.Data);
            state = state.Parent;
        }

        return res;
    }
}

Rola silnika sprowadza się do dwóch zadań:

1. Odwiedzanie kolejnych stanów i sprawdzanie czy są rozwiązaniem.
2. Zapamiętywanie kolejno znalezionych rozwiązań.

W kolejnym poście napiszę więcej o możliwych implementacjach klasy Fringe.