代码 | 自适应大邻域搜索系列之(4) - Solution定义和管理的代码实现解析

前言

上一篇讲解了destroy和repair方法的具体实现代码，好多读者都在喊酸爽和得劲儿……今天这篇就讲点简单的，关于solution的定义和管理的代码实现，让大家回回神吧……哈哈。

01 总体概述

总所周知的是，每一个算法的最终目标都是求解出一个合理的满足心意的solution。因此对solution的定义和管理基本是每个算法都要涉及的。在本ALNS代码中呢，也对solution进行了一定的抽象和规范化，提供了一些标准化的接口，同样需要在具体使用中去重写这些接口。

关于solution的处理方式总得来说也由两个模块组成：

• 关于solution的定义：ISolution抽象类
• 关于bestSolution的管理：IBestSolutionManager(抽象类)、SimpleBestSolutionManager(派生类)

下面也对其一一进行讲解。

02 ISolution抽象类

该类只是对solution的进行一定的抽象定义，并没有具体实现各个接口，需要coder在后续的使用中重写编写这些接口。它应该具备的功能看代码就能理解了，注释也写得很详细。主要包括几个功能：获取目标值、获取目标惩罚值、解是否可行、获取每个solution独一无二的hash值等。
具体代码也很简单：

class ISolution
{
public:
    virtual ~ISolution(){};
    //! A getter for the value of the objective function.
    //! \return the value of the objective function of this solution.
    virtual double getObjectiveValue()=0;
    //! \return a penalized version of the objective value if the solution
    //! is infeasible.
    virtual double getPenalizedObjectiveValue()=0;
    //! A getter for the feasibility of the current solution.
    //! \return true if the solution is feasible, false otherwise.
    virtual bool isFeasible()=0;
    //! A comparator.
    //! \return true if this solution is "better" than the solution it is compared to.
    virtual bool operator<(ISolution&)=0;
    //! Compute the "distance" between solution.
    //! This feature can be used as part of the ALNS to favor the
    //! diversification process. If you do not plan to use this feature
    //! just implement a method returning 0.
    virtual int distance(ISolution&)=0;
    //! This method create a copy of the solution.
    virtual ISolution* getCopy()=0;
    //! Compute a hash key of the solution.
    virtual long long getHash()=0;
};

03 bestSolution的管理

关于bestSolution的管理有两个类搞定，它们的关系如下：

3.1 IBestSolutionManager

IBestSolutionManager其实也是一个抽象类，它也只是起到提供接口的作用。其中isNewBestSolution(ISolution& sol)是判断sol是不是新的最优解。reloadBestSolution(ISolution* currSol, ALNS_Iteration_Status& status)则根据需要判断是否要将已知的最优解作为当前解。

class IBestSolutionManager
{
public:
    //! This method evaluate if a solution is a new best solution, and adds it to the
    //! best solution pool in this case.
    //! \param sol the solution to be tested.
    //! \return true if the solution is a new best solution, false otherwise.
    virtual bool isNewBestSolution(ISolution& sol)=0;

    //! Return a pointer to a best solution.
    virtual std::list<ISolution*>::iterator begin()=0;

    //! Return a pointer to a best solution.
    virtual std::list<ISolution*>::iterator end()=0;

    //! This function take care of reloading the best known
    //! solution, as the current solution, if needed.
    //! \param currSol a pointer to the current solution.
    //! \param status the status of the current iteration.
    //! \return a pointer to the current solution.
    virtual ISolution* reloadBestSolution(ISolution* currSol, ALNS_Iteration_Status& status)=0;
};

3.2 SimpleBestSolutionManager

SimpleBestSolutionManager是继承于IBestSolutionManager的，值得注意的是，它管理的不止是一个BestSolution，而是多个BestSolution的集合（这些BestSolution目标值相同，但是结构不同）。下面是.h文件的代码：

class SimpleBestSolutionManager: public IBestSolutionManager {
public:
    SimpleBestSolutionManager(ALNS_Parameters& param);

    virtual ~SimpleBestSolutionManager();

    virtual bool isNewBestSolution(ISolution& sol);

    //! Return a pointer to a best solution.
    std::list<ISolution*>::iterator begin(){return bestSols.begin();};

    //! Return a pointer to a best solution.
    std::list<ISolution*>::iterator end(){return bestSols.end();};

    //! This function take care of reloading the best known
    //! solution, as the current solution, if needed.
    //! \param currSol a pointer to the current solution.
    //! \param status the status of the current iteration.
    //! \return a pointer to the current solution.
    virtual ISolution* reloadBestSolution(ISolution* currSol, ALNS_Iteration_Status& status);

    //! Simple getter.
    std::list<ISolution*>& getBestSols(){return bestSols;};
private:
    std::list<ISolution*> bestSols;

    ALNS_Parameters* parameters;

};

再回过头来看看.cpp文件的实现代码，也很简单，讲讲两个函数的实现方式就好了。isNewBestSolution(ISolution& sol)做的可不只是简单判断这么简单：
如果sol和最优解集合中的某个相同，那么返回false。
如果sol的目标值＞最优解集合中的解的目标值，返回false。
如果sol的目标值<最优解集合中的某个解的目标值，那么将该最优解从集合中移除。
最后如果没有返回false，将sol加入最优解集合。

而reloadBestSolution(ISolution* currSol, ALNS_Iteration_Status& status)根据status的状态，返回最优解集合中最后一个解或者返回当前解。

bool SimpleBestSolutionManager::isNewBestSolution(ISolution& sol)
{
    for(list<ISolution*>::iterator it = bestSols.begin(); it != bestSols.end(); it++)
    {
        ISolution& currentSol = *(*it);
        if(currentSol<sol)
        {
            return false;
        }
        else if(sol<currentSol)
        {
            delete *it;
            it = bestSols.erase(it);
            if(it == bestSols.end())
            {
                break;
            }
        }
        else if(currentSol.getHash() == sol.getHash())
        {
            return false;
        }
    }
    ISolution* copy = sol.getCopy();
    bestSols.push_back(copy);
    return true;
}

ISolution* SimpleBestSolutionManager::reloadBestSolution(ISolution* currSol, ALNS_Iteration_Status& status)
{
    if(status.getNbIterationWithoutImprovementSinceLastReload() > 0 &&
       ((status.getNbIterationWithoutImprovementSinceLastReload() % parameters->getReloadFrequency()) == 0))
    {
        status.setNbIterationWithoutImprovementSinceLastReload(0);
        delete currSol;
        return bestSols.back()->getCopy();
    }
    else
    {
        return currSol;
    }
}

04 小结

好了，以上就是今天的内容，是不是特别简单呢？相信在克服之前两篇文章的读者来说，后面都是一马平川、一帆风顺了。哈哈。