ksp.cc

   1
   2 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
   3 // START_IP_HEADER                                                       //
   4 //                                                                       //
   5 // This program is free software: you can redistribute it and/or modify  //
   6 // it under the terms of the version 3 of the GNU General Public License //
   7 // as published by the Free Software Foundation.                         //
   8 //                                                                       //
   9 // This program is distributed in the hope that it will be useful, but   //
  10 // WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of            //
  11 // MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU      //
  12 // General Public License for more details.                              //
  13 //                                                                       //
  14 // You should have received a copy of the GNU General Public License     //
  15 // along with this program. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.  //
  16 //                                                                       //
  17 // Written by and Copyright (C) Francois Fleuret                         //
  18 // Contact <francois.fleuret@idiap.ch> for comments & bug reports        //
  19 //                                                                       //
  20 // END_IP_HEADER                                                         //
  21 ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////
  22
  23 #define VERBOSE
  24
  25 #include <iostream>
  26 #include <fstream>
  27 #include <cmath>
  28 #include <stdio.h>
  29 #include <stdlib.h>
  30 #include <float.h>
  31
  32 using namespace std;
  33
  34 typedef float scalar_t;
  35
  36 #ifdef DEBUG
  37 #define ASSERT(x) if(!(x)) { \
  38   std::cerr << "ASSERT FAILED IN " << __FILE__ << ":" << __LINE__ << endl; \
  39   abort(); \
  40 }
  41 #else
  42 #define ASSERT(x)
  43 #endif
  44
  45 class Vertex;
  46
  47 class Edge {
  48 public:
  49   int occupied;
  50   scalar_t length, fixed_length;
  51   Vertex *terminal_vertex;
  52   Edge *next, *pred;
  53 };
  54
  55 class Vertex {
  56 public:
  57   // These are the leaving edges
  58   Edge *first_edge;
  59   scalar_t distance;
  60
  61   Vertex *pred_vertex;
  62   Edge *pred_edge;
  63
  64   Vertex() { first_edge = 0; }
  65
  66   inline void add_edge(Edge *e) {
  67     if(first_edge) { first_edge->pred = e; }
  68     e->next = first_edge;
  69     e->pred = 0;
  70     first_edge = e;
  71   }
  72
  73   inline void del_edge(Edge *e) {
  74     if(e == first_edge) { first_edge = e->next; }
  75     if(e->pred) { e->pred->next = e->next; }
  76     if(e->next) { e->next->pred = e->pred; }
  77   }
  78 };
  79
  80 class Graph {
  81 public:
  82   int nb_vertices;
  83   Edge *edge_heap;
  84   Vertex *vertices;
  85   Vertex *source, *sink;
  86
  87   Graph(int nb_vertices, int nb_edges, int *from, int *to, scalar_t *lengths,
  88         int source, int sink);
  89   ~Graph();
  90
  91   void initialize_fixed_lengths();
  92   void update_fixed_length();
  93   void find_shortest_path();
  94   void find_best_paths();
  95   void print();
  96 };
  97
  98 void Graph::print() {
  99   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 100     cout << "VERTEX [" << n << "] ";
 101     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 102       cout << " " << e->length;
 103     }
 104     cout << endl;
 105   }
 106 }
 107
 108 Graph::Graph(int nb_vrt, int nb_edges,
 109              int *from, int *to, scalar_t *lengths,
 110              int src, int snk) {
 111   nb_vertices = nb_vrt;
 112
 113   edge_heap = new Edge[nb_edges];
 114   vertices = new Vertex[nb_vertices];
 115
 116   source = &vertices[src];
 117   sink = &vertices[snk];
 118
 119   for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 120     vertices[from[e]].add_edge(&edge_heap[e]);
 121     edge_heap[e].occupied = 0;
 122     edge_heap[e].length = lengths[e];
 123     edge_heap[e].terminal_vertex = &vertices[to[e]];
 124   }
 125 }
 126
 127 Graph::~Graph() {
 128   delete[] vertices;
 129   delete[] edge_heap;
 130 }
 131
 132 void Graph::initialize_fixed_lengths() {
 133   scalar_t length_min = 0;
 134   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 135     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 136       length_min = min(e->length, length_min);
 137     }
 138   }
 139   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 140     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 141       e->fixed_length = e->length - length_min;
 142     }
 143   }
 144 }
 145
 146 void Graph::update_fixed_length() {
 147   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 148     scalar_t d = vertices[n].distance;
 149     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 150       e->fixed_length += d - e->terminal_vertex->distance;
 151     }
 152   }
 153 }
 154
 155 void Graph::find_shortest_path() {
 156   Vertex **front = new Vertex *[nb_vertices];
 157   Vertex **new_front = new Vertex *[nb_vertices];
 158   Vertex **tmp_front;
 159   int tmp_front_size;
 160   Vertex *v, *tv;
 161   scalar_t d;
 162
 163 #ifdef DEBUG
 164   for(int n = 0; n < nb_vertices; n++) {
 165     for(Edge *e = vertices[n].first_edge; e; e = e->next) {
 166       if(e->fixed_length < 0) {
 167         cerr << "DEBUG error in find_shortest_path: Edge fixed lengths have to be positive."
 168              << endl;
 169         abort();
 170       }
 171     }
 172   }
 173 #endif
 174
 175   for(int v = 0; v < nb_vertices; v++) {
 176     vertices[v].distance = FLT_MAX;
 177     vertices[v].pred_vertex = 0;
 178     vertices[v].pred_edge = 0;
 179   }
 180
 181   int front_size = 0, new_front_size;
 182   front[front_size++] = source;
 183   source->distance = 0;
 184
 185   do {
 186     new_front_size = 0;
 187     for(int f = 0; f < front_size; f++) {
 188       v = front[f];
 189       for(Edge *e = v->first_edge; e; e = e->next) {
 190         d = v->distance + e->fixed_length;
 191         tv = e->terminal_vertex;
 192         if(d < tv->distance) {
 193           tv->distance = d;
 194           tv->pred_vertex = v;
 195           tv->pred_edge = e;
 196           new_front[new_front_size++] = tv;
 197         }
 198       }
 199     }
 200
 201     tmp_front = new_front;
 202     new_front = front;
 203     front = tmp_front;
 204
 205     tmp_front_size = new_front_size;
 206     new_front_size = front_size;
 207     front_size = tmp_front_size;
 208     cout << "front_size = " << front_size << endl;
 209   } while(front_size > 0);
 210
 211   delete[] front;
 212   delete[] new_front;
 213 }
 214
 215 void Graph::find_best_paths() {
 216   scalar_t total_length;
 217
 218   initialize_fixed_lengths();
 219
 220   do {
 221     print();
 222
 223     total_length = 0.0;
 224     find_shortest_path();
 225     update_fixed_length();
 226
 227     // Do we reach the sink?
 228     if(sink->pred_edge) {
 229
 230 #ifdef VERBOSE
 231       cout << "VERBOSE there is a path reaching the sink" << endl;
 232 #endif
 233
 234       // If yes, compute the length of the best path
 235       for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 236         total_length += v->pred_edge->length;
 237       }
 238
 239 #ifdef VERBOSE
 240       cout << "VERBOSE total_length " << total_length << endl;
 241 #endif
 242
 243       // If that length is negative
 244       if(total_length < 0.0) {
 245         // Invert all the edges along the best path
 246         for(Vertex *v = sink; v->pred_edge; v = v->pred_vertex) {
 247           Edge *e = v->pred_edge;
 248           e->terminal_vertex = v->pred_vertex;
 249           e->occupied = 1 - e->occupied;
 250           e->length = - e->length;
 251           e->fixed_length = - e->fixed_length;
 252           v->pred_vertex->del_edge(e);
 253           v->add_edge(e);
 254           cout << "INVERT!" << endl;
 255         }
 256       }
 257     }
 258   } while(total_length < 0.0);
 259 }
 260
 261 //////////////////////////////////////////////////////////////////////
 262
 263 int main(int argc, char **argv) {
 264
 265   if(argc < 2) {
 266     cerr << argv[0] << " <graph file>" << endl;
 267     exit(EXIT_FAILURE);
 268   }
 269
 270   ifstream *file = new ifstream(argv[1]);
 271
 272   int nb_edges, nb_vertices;
 273   int source, sink;
 274
 275   if(file->good()) {
 276
 277     (*file) >> nb_vertices >> nb_edges;
 278     (*file) >> source >> sink;
 279
 280     cout << "INPUT nb_edges " << nb_edges << endl;
 281     cout << "INPUT nb_vertices " << nb_vertices << endl;
 282     cout << "INPUT source " << source << endl;
 283     cout << "INPUT sink " << sink << endl;
 284
 285     scalar_t *el = new scalar_t[nb_edges];
 286     int *ea = new int[nb_edges];
 287     int *eb = new int[nb_edges];
 288
 289     for(int e = 0; e < nb_edges; e++) {
 290       (*file) >> ea[e] >> eb[e] >> el[e];
 291       cout << "INPUT_EDGE " << ea[e] << " " << eb[e] << " " << el[e] << endl;
 292     }
 293
 294     Graph graph(nb_vertices, nb_edges, ea, eb, el, source, sink);
 295
 296     graph.find_best_paths();
 297
 298     delete[] el;
 299     delete[] ea;
 300     delete[] eb;
 301
 302   } else {
 303
 304     cerr << "Can not open " << argv[1] << endl;
 305
 306     delete file;
 307     exit(EXIT_FAILURE);
 308
 309   }
 310
 311   delete file;
 312   exit(EXIT_SUCCESS);
 313 }