]> git.pond.sub.org Git - empserver/blob - src/lib/common/pathfind.c
Update copyright notice
[empserver] / src / lib / common / pathfind.c
1 /*
2  *  Empire - A multi-player, client/server Internet based war game.
3  *  Copyright (C) 1986-2018, Dave Pare, Jeff Bailey, Thomas Ruschak,
4  *                Ken Stevens, Steve McClure, Markus Armbruster
5  *
6  *  Empire is free software: you can redistribute it and/or modify
7  *  it under the terms of the GNU General Public License as published by
8  *  the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
9  *  (at your option) any later version.
10  *
11  *  This program is distributed in the hope that it will be useful,
12  *  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
13  *  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
14  *  GNU General Public License for more details.
15  *
16  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
17  *  along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
18  *
19  *  ---
20  *
21  *  See files README, COPYING and CREDITS in the root of the source
22  *  tree for related information and legal notices.  It is expected
23  *  that future projects/authors will amend these files as needed.
24  *
25  *  ---
26  *
27  *  pathfind.c: Find cheapest paths
28  *
29  *  Known contributors to this file:
30  *     Markus Armbruster, 2014
31  */
32
33 #include <config.h>
34
35 #include <assert.h>
36 #include <stdio.h>
37 #include <stdlib.h>
38 #include <string.h>
39 #include "nat.h"
40 #include "optlist.h"
41 #include "path.h"
42 #include "sect.h"
43
44 #ifdef PATH_FIND_DEBUG
45 #define DPRINTF(fmt, ...) ((void)printf(fmt , ## __VA_ARGS__))
46 #else
47 #define DPRINTF(fmt, ...) ((void)0)
48 #endif
49
50 static char *bufrotate(char *buf, size_t bufsz, size_t i);
51
52 /*
53  * Dijkstra's algorithm.  Refer to your graph algorithm textbook for
54  * how it works.  Implementation is specialized to hex maps.
55  *
56  * Define PATH_FIND_STATS for performance statistics on stdout.
57  */
58
59 /*
60  * Array of sector data, indexed by sector UID
61  *
62  * We need to store a few values per sector visited by the path
63  * search.  An array is the stupidest data structure that could
64  * possibly work.
65  *
66  * Extra benefit: it works really well for distribution in a
67  * continental game, where we visit most sectors.  That's our most
68  * demanding use of path search, and its performance has noticable
69  * impact on the update.
70  *
71  * Island game distribution is much less demanding.  The array may not
72  * be the best choice here, but it's plainly good enough.  Same for
73  * path searches outside the update.
74  */
75
76 struct pf_map {
77     /*
78      * visit < pf_visit      : unvisited, remaining members invalid
79      * visit == pf_visit     : open, dir & cost tentative, heapi used
80      * visit == pf_visit + 1 : closed, dir & cost final, heapi unused
81      */
82     unsigned short visit;
83     signed char dir;            /* cheapest direction to source */
84     int heapi;                  /* index in heap, valid if open */
85     double cost;                /* cost from source */
86 };
87
88 static unsigned short pf_visit;
89 static struct pf_map *pf_map;
90
91 /*
92  * Binary heap, cost priority queue of all open sectors
93  *
94  * Again, we use the stupidest data structure that could possibly
95  * work: an array.  And we make it so large it can hold *all* sectors.
96  * In practice, we need much less space, but a tighter upper bound is
97  * not obvious to me right now.
98  */
99
100 struct pf_heap {
101     int uid;                    /* sector UID and ... */
102     coord x, y;                 /* coordinates, @uid == XYOFFSET(@x, @y) */
103     double cost;                /* cost from source */
104 };
105
106 static int pf_nheap;            /* #entries in pf_nheap[] */
107 static struct pf_heap *pf_heap;
108
109 /*
110  * Source and costs
111  */
112 static coord pf_sx, pf_sy;
113 static int pf_suid;
114 static natid pf_actor;
115 static double (*pf_sct_cost)(natid, int);
116
117 /*
118  * Performance statistics
119  */
120 #ifdef PATH_FIND_STATS
121 static unsigned pf_nsearch, pf_nsource, pf_nopen, pf_nclose;
122 static unsigned pf_nheap_max, pf_noway;
123 static double pf_sumcost;
124 #define STAT_INC(v) ((void)((v)++))
125 #define STAT_INCBY(v, i) ((void)((v) += i))
126 #define STAT_HIMARK(v, h) ((void)((v) < (h) ? (v) = (h) : (h)))
127 #else   /* !PATH_FIND_STATS */
128 #define STAT_INC(v) ((void)0)
129 #define STAT_INCBY(v, i) ((void)0)
130 #define STAT_HIMARK(v, h) ((void)0)
131 #endif  /* !PATH_FIND_STATS */
132
133 #ifndef NDEBUG                  /* silence "not used" warning */
134 /* Is sector with UID @uid open? */
135 static int
136 pf_is_open(int uid)
137 {
138     return pf_map[uid].visit == pf_visit;
139 }
140 #endif
141
142 /* Is sector with UID @uid closed? */
143 static int
144 pf_is_closed(int uid)
145 {
146     /*
147      * optimization: check > pf_visit instead of == pf_visit + 1
148      * works because pf_map[uid].visit <= pf_visit + 1
149      */
150     return pf_map[uid].visit > pf_visit;
151 }
152
153 /* Is sector with UID @uid unvisited? */
154 static int
155 pf_is_unvisited(int uid)
156 {
157     return pf_map[uid].visit < pf_visit;
158 }
159
160 #ifdef PATH_FIND_DEBUG
161 static void
162 pf_check(void)
163 {
164     int i, uid, c;
165
166     for (i = 0; i < pf_nheap; i++) {
167         uid = pf_heap[i].uid;
168         assert(0 <= uid && uid < WORLD_SZ());
169         assert(pf_map[uid].heapi == i);
170         assert(pf_map[uid].visit == pf_visit);
171         assert(pf_map[uid].cost <= pf_heap[i].cost);
172         c = 2 * i + 1;
173         assert(c >= pf_nheap || pf_heap[i].cost <= pf_heap[c].cost);
174         c++;
175         assert(c >= pf_nheap || pf_heap[i].cost <= pf_heap[c].cost);
176     }
177
178     for (uid = 0; uid < WORLD_SZ(); uid++) {
179         assert(pf_map[uid].visit <= pf_visit + 1);
180         if (pf_map[uid].visit == pf_visit) {
181             i = pf_map[uid].heapi;
182             assert(0 <= i && i < pf_nheap && pf_heap[i].uid == uid);
183         }
184     }
185 }
186 #else
187 #define pf_check() ((void)0)
188 #endif
189
190 /* Swap pf_heap's @i-th and @j-th elements. */
191 static void
192 pf_heap_swap(int i, int j)
193 {
194     struct pf_heap tmp;
195
196     assert(0 <= i && i < pf_nheap);
197     assert(0 <= j && j < pf_nheap);
198     tmp = pf_heap[i];
199     pf_heap[i] = pf_heap[j];
200     pf_heap[j] = tmp;
201     pf_map[pf_heap[i].uid].heapi = i;
202     pf_map[pf_heap[j].uid].heapi = j;
203 }
204
205 /* Restore heap property after @n-th element's cost increased. */
206 static void
207 pf_sift_down(int n)
208 {
209     int r, c;
210
211     assert(0 <= n && n < pf_nheap);
212     for (r = n; (c = 2 * r + 1) < pf_nheap; r = c) {
213         if (c + 1 < pf_nheap && pf_heap[c].cost > pf_heap[c + 1].cost)
214             c++;
215         if (pf_heap[r].cost < pf_heap[c].cost)
216             break;
217         pf_heap_swap(r, c);
218     }
219 }
220
221 /* Restore heap property after @n-th element's cost decreased. */
222 static void
223 pf_sift_up(int n)
224 {
225     int c, p;
226
227     assert(0 <= n && n < pf_nheap);
228     for (c = n; (p = (c - 1) / 2), c > 0; c = p) {
229         if (pf_heap[p].cost < pf_heap[c].cost)
230             break;
231         pf_heap_swap(p, c);
232     }
233 }
234
235 /*
236  * Open the unvisited sector @x,@y.
237  * @uid is sector UID, it equals XYOFFSET(@x,@y).
238  * Cheapest path from source comes from direction @dir and has cost @cost.
239  */
240 static void
241 pf_open(int uid, coord x, coord y, int dir, double cost)
242 {
243     int i;
244
245     STAT_INC(pf_nopen);
246     i = pf_nheap++;
247     STAT_HIMARK(pf_nheap_max, (unsigned)pf_nheap);
248     DPRINTF("pf: open %d,%d %g %c %d\n", x, y, cost, dirch[dir], i);
249     assert(pf_is_unvisited(uid));
250     pf_map[uid].visit = pf_visit;
251     pf_map[uid].dir = dir;
252     pf_map[uid].heapi = i;
253     pf_map[uid].cost = cost;
254     pf_heap[i].uid = uid;
255     pf_heap[i].x = x;
256     pf_heap[i].y = y;
257     pf_heap[i].cost = cost;
258
259     pf_sift_up(i);
260     pf_check();
261 }
262
263 /*
264  * Close the sector at the top of the heap.
265  */
266 static void
267 pf_close(void)
268 {
269     int uid = pf_heap[0].uid;
270
271     STAT_INC(pf_nclose);
272     DPRINTF("pf: close %d,%d %d\n", pf_heap[0].x, pf_heap[0].y, pf_nheap);
273     assert(pf_is_open(uid));
274     if (--pf_nheap) {
275         pf_heap[0] = pf_heap[pf_nheap];
276         pf_map[pf_heap[0].uid].heapi = 0;
277         pf_sift_down(0);
278     }
279     pf_map[uid].visit = pf_visit + 1;
280     pf_check();
281 }
282
283 /* silence "not used" warning */
284 #ifdef PATH_FIND_DEBUG
285 /*
286  * Return cost from source to sector with UID @uid.
287  * It must be visited, i.e. open or closed.
288  */
289 static double
290 pf_cost(int uid)
291 {
292     assert(!pf_is_unvisited(uid));
293     return pf_map[uid].cost;
294 }
295 #endif
296
297 static coord
298 x_in_dir(coord x, int dir)
299 {
300     int xx;
301
302     assert(0 <= x && x < WORLD_X);
303     assert(0 <= dir && dir <= DIR_LAST);
304     xx = x + diroff[dir][0];
305     if (xx < 0)
306         return xx + WORLD_X;
307     if (xx >= WORLD_X)
308         return xx - WORLD_X;
309     return xx;
310 }
311
312 static coord
313 y_in_dir(coord y, int dir)
314 {
315     int yy;
316
317     assert(0 <= y && y < WORLD_Y);
318     assert(0 <= dir && dir <= DIR_LAST);
319     yy = y + diroff[dir][1];
320     if (yy < 0)
321         return yy + WORLD_Y;
322     if (yy >= WORLD_Y)
323         return yy - WORLD_Y;
324     return yy;
325 }
326
327 /*
328  * Set the current source and cost function.
329  * @sx,@sy is the source.
330  * The cost to enter the sector with UID ID is @cost(@actor, ID).
331  * Negative value means the sector can't be entered.
332  */
333 static void
334 pf_set_source(coord sx, coord sy, natid actor, double (*cost)(natid, int))
335 {
336     STAT_INC(pf_nsource);
337     DPRINTF("pf: source %d,%d\n", sx, sy);
338     pf_sx = sx;
339     pf_sy = sy;
340     pf_suid = XYOFFSET(sx, sy);
341     pf_actor = actor;
342     pf_sct_cost = cost;
343
344     if (!pf_map) {
345         pf_map = calloc(WORLD_SZ(), sizeof(*pf_map));
346         pf_heap = malloc(WORLD_SZ() * sizeof(*pf_heap));
347         pf_visit = 1;
348     } else if ((unsigned short)(pf_visit + 3) < pf_visit) {
349         DPRINTF("pf: visit wrap-around\n");
350         memset(pf_map, 0, WORLD_SZ() * sizeof(*pf_map));
351         pf_visit = 1;
352     } else
353         pf_visit += 2;
354
355     pf_nheap = 0;
356
357     pf_open(pf_suid, pf_sx, pf_sy, DIR_STOP, 0.0);
358 }
359
360 /*
361  * Find cheapest path from current source to @dx,@dy, return its cost.
362  */
363 double
364 path_find_to(coord dx, coord dy)
365 {
366     int duid, nuid, i;
367     double cost, c1;
368     coord x, y, nx, ny;
369
370     STAT_INC(pf_nsearch);
371     DPRINTF("pf: dest %d,%d\n", dx, dy);
372     duid = XYOFFSET(dx, dy);
373     if (pf_is_closed(duid)) {
374         DPRINTF("pf: done old %g\n", pf_map[duid].cost);
375         STAT_INCBY(pf_sumcost, pf_map[duid].cost);
376         return pf_map[duid].cost;
377     }
378
379     while (pf_nheap > 0 && pf_heap[0].uid != duid) {
380         x = pf_heap[0].x;
381         y = pf_heap[0].y;
382         cost = pf_heap[0].cost;
383         pf_close();
384
385         for (i = 0; i < 6; i++) { /* for all neighbors */
386             nx = x_in_dir(x, DIR_FIRST + i);
387             ny = y_in_dir(y, DIR_FIRST + i);
388             nuid = XYOFFSET(nx, ny);
389             /*
390              * Cost to enter @nx,@ny doesn't depend on direction of
391              * entry.  This @x,@y is at least as expensive as any
392              * previous one.  Therefore, cost to go to @nx,@ny via
393              * @x,@y is at least as high as any previously found
394              * route.  Skip neighbors that have a route already.
395              */
396             if (!pf_is_unvisited(nuid))
397                 continue;
398             c1 = pf_sct_cost(pf_actor, nuid);
399             if (c1 < 0)
400                 continue;
401             pf_open(nuid, nx, ny, DIR_FIRST + i, cost + c1);
402         }
403     }
404
405     DPRINTF("pf: done new %g\n", !pf_nheap ? -1.0 : pf_map[duid].cost);
406     if (!pf_nheap) {
407         STAT_INC(pf_noway);
408         return -1.0;
409     }
410     STAT_INCBY(pf_sumcost, pf_map[duid].cost);
411     return pf_map[duid].cost;
412 }
413
414 /*
415  * Write route from @sx,@sy to @dx,@dy to array @buf[@bufsiz].
416  * If the route is longer than @bufsiz-1 characters, it's truncated.
417  * You must compute path cost first, with path_find_to().
418  * @sx,@sy must be on a shortest path from the current source to @dx,@dy.
419  * Return length of the (untruncated) route.
420  */
421 size_t
422 path_find_route(char *buf, size_t bufsz,
423                 coord sx, coord sy, coord dx, coord dy)
424 {
425     coord x, y;
426     size_t i, len;
427     int suid, uid, d;
428
429     suid = XYOFFSET(sx, sy);
430     assert(bufsz > 0 && !pf_is_unvisited(suid));
431
432     i = bufsz;
433     buf[--i] = 0;
434     len = 0;
435
436     x = dx;
437     y = dy;
438     for (;;) {
439         DPRINTF("pf: %d,%d %.*s%.*s\n",
440                 x, y,
441                 (int)(bufsz - i), buf + i,
442                 len >= bufsz ? (int)i : 0, buf);
443         uid = XYOFFSET(x, y);
444         assert(!pf_is_unvisited(uid));
445         d = pf_map[uid].dir;
446         if (d == DIR_STOP || uid == suid)
447             break;
448         if (!i)
449             i = bufsz;
450         buf[--i] = dirch[d];
451         len++;
452         assert(DIR_FIRST <= d && d <= DIR_LAST);
453         x = x_in_dir(x, DIR_BACK(d));
454         y = y_in_dir(y, DIR_BACK(d));
455     }
456
457     assert(x == sx && y == sy);
458     if (len >= bufsz)
459         bufrotate(buf, bufsz, i);
460     else {
461         assert(i + len < bufsz);
462         memmove(buf, buf + i, len + 1);
463     }
464     return len;
465 }
466
467 /*
468  * Rotate @buf[@bufsz] to put @buf[@i] into @buf[0], and zero-terminate.
469  */
470 static char *
471 bufrotate(char *buf, size_t bufsz, size_t i)
472 {
473     char tmp[64];
474     size_t n;
475
476     while (i) {
477         n = MIN(i, sizeof(tmp));
478         memcpy(tmp, buf, n);
479         memcpy(buf, buf + n, bufsz - n);
480         memcpy(buf + bufsz - n, tmp, n);
481         i -= n;
482     }
483     buf[bufsz - 1] = 0;
484     return buf;
485 }
486
487 #ifdef PATH_FIND_DEBUG
488 void
489 path_find_visualize(coord sx, coord sy, coord dx, coord dy)
490 {
491     int uid;
492     int xmin, xmax, ymin, ymax, x, y, odd, ch;
493     double c, u, cost;
494     char buf[1024];
495
496     assert(pf_cost(XYOFFSET(sx, sy)) == 0.0);
497     c = pf_cost(XYOFFSET(dx, dy));
498     u = c / 10.0;
499
500     /* find bounding box */
501     xmin = xmax = 0;
502     ymin = ymax = 0;
503     for (y = -WORLD_Y / 2; y < WORLD_Y / 2; y++) {
504         odd = ((sx + -WORLD_X / 2) ^ (sy + y)) & 1;
505         for (x = -WORLD_X / 2 + odd; x < WORLD_X / 2; x += 2) {
506             uid = XYOFFSET(XNORM(sx + x), YNORM(sy + y));
507             if (pf_is_unvisited(uid))
508                 continue;
509             if (xmin > x)
510                 xmin = x;
511             if (xmax < x)
512                 xmax = x;
513             if (ymin > y)
514                 ymin = y;
515             if (ymax < y)
516                 ymax = y;
517         }
518     }
519     printf("bbox %d:%d,%d:%d origin %d,%d\n",
520            xmin, xmax, ymin, ymax, sx, sy);
521
522     for (y = ymin; y <= ymax; y++) {
523         odd = ((sx + xmin) ^ (sy + y)) & 1;
524         if (odd)
525             printf(" ");
526         for (x = xmin + odd; x <= xmax; x += 2) {
527             uid = XYOFFSET(XNORM(sx + x), YNORM(sy + y));
528             if (pf_is_unvisited(uid))
529                 ch = ' ';
530             else if (uid == XYOFFSET(dx, dy))
531                 ch = 'D';
532             else if (uid == XYOFFSET(sx, sy))
533                 ch = 'S';
534             else {
535                 cost = pf_cost(uid);
536                 ch = cost > c ? '+' : '0' + (int)(10 * (cost / c));
537             }
538             printf(" %c", ch);
539         }
540         printf("\n");
541     }
542     path_find_route(buf, sizeof(buf), sx, sy, dx, dy);
543     printf("%s %g\n", buf, pf_cost(XYOFFSET(dx, dy)));
544 }
545 #endif
546
547 #ifdef PATH_FIND_STATS
548 void
549 path_find_print_stats(void)
550 {
551     printf("pathfind %u searches, %u sources, %u opened, %u closed,"
552            " %u heap max, %zu bytes, %u noway, %g avg cost\n",
553            pf_nsearch, pf_nsource, pf_nopen, pf_nclose,
554            pf_nheap_max,
555            (WORLD_SZ() * (sizeof(*pf_map) + sizeof(*pf_heap))),
556            pf_noway, pf_nsearch ? pf_sumcost / pf_nsearch : 0.0);
557 }
558 #endif
559
560 /*
561  * Empire interface glue
562  */
563
564 static double
565 cost_land(natid actor, int uid, int mobtype)
566 {
567     /*
568      * Non-negative cost must not depend on @actor, see unit_path().
569      */
570     struct sctstr *sp = (void *)empfile[EF_SECTOR].cache;
571
572     if (sp[uid].sct_own != actor)
573         return -1.0;
574     return sector_mcost(&sp[uid], mobtype);
575 }
576
577 static double
578 cost_move(natid actor, int uid)
579 {
580     return cost_land(actor, uid, MOB_MOVE);
581 }
582
583 static double
584 cost_march(natid actor, int uid)
585 {
586     return cost_land(actor, uid, MOB_MARCH);
587 }
588
589 static double
590 cost_rail(natid actor, int uid)
591 {
592     return cost_land(actor, uid, MOB_RAIL);
593 }
594
595 static double
596 cost_sail(natid actor, int uid)
597 {
598     struct sctstr *sp = (void *)empfile[EF_SECTOR].cache;
599     natid sctown = sp[uid].sct_own;
600     char *bmap;
601
602     if (sctown && relations_with(sctown, actor) == ALLIED) {
603         /* FIXME duplicates shp_check_nav() logic */
604         switch (dchr[sp[uid].sct_type].d_nav) {
605         case NAVOK:
606             return 1.0;
607         case NAV_CANAL:
608             /* FIXME return 1.0 when all ships have M_CANAL */
609             return -1.0;
610         case NAV_02:
611             return sp[uid].sct_effic >= 2 ? 1.0 : -1.0;
612         case NAV_60:
613             return sp[uid].sct_effic >= 60 ? 1.0 : -1.0;
614         default:
615             return -1.0;
616         }
617     }
618
619     bmap = ef_ptr(EF_BMAP, actor);
620     return bmap[uid] == '.' || bmap[uid] == ' ' || bmap[uid] == 0
621         ? 1.0 : -1.0;
622 }
623
624 static double
625 cost_fly(natid actor, int uid)
626 {
627     return 1.0;
628 }
629
630 static double (*cost_tab[])(natid, int) = {
631     cost_move, cost_march, cost_rail, cost_sail, cost_fly
632 };
633
634 /*
635  * Start finding paths from @sx,@sy.
636  * Use mobility costs for @actor and @mobtype.
637  */
638 void
639 path_find_from(coord sx, coord sy, natid actor, int mobtype)
640 {
641     pf_set_source(sx, sy, actor, cost_tab[mobtype]);
642 }
643
644 /*
645  * Find cheapest path from @sx,@sy to @dx,@dy, return its mobility cost.
646  * Use mobility costs for @actor and @mobtype.
647  */
648 double
649 path_find(coord sx, coord sy, coord dx, coord dy, natid actor, int mobtype)
650 {
651     pf_set_source(sx, sy, actor, cost_tab[mobtype]);
652     return path_find_to(dx, dy);
653 }