]> git.pond.sub.org Git - empserver/blob - src/lib/common/pathfind.c
4e3fc47b94b0910d7cc289475d9523b195563e5a
[empserver] / src / lib / common / pathfind.c
1 /*
2  *  Empire - A multi-player, client/server Internet based war game.
3  *  Copyright (C) 1986-2014, 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 "file.h"
40 #include "nat.h"
41 #include "optlist.h"
42 #include "path.h"
43 #include "sect.h"
44
45 #ifdef PATH_FIND_DEBUG
46 #define DPRINTF(fmt, ...) ((void)printf(fmt , ## __VA_ARGS__))
47 #else
48 #define DPRINTF(fmt, ...) ((void)0)
49 #endif
50
51 static char *bufrotate(char *buf, size_t bufsz, size_t i);
52
53 /*
54  * Dijkstra's algorithm.  Refer to your graph algorithm textbook for
55  * how it works.  Implementation is specialized to hex maps.
56  *
57  * Define PATH_FIND_STATS for performance statistics on stdout.
58  */
59
60 /*
61  * Array of sector data, indexed by sector uid
62  *
63  * We need to store a few values per sector visited by the path
64  * search.  An array is the stupidest data structure that could
65  * possibly work.
66  *
67  * Extra benefit: it works really well for distribution in a
68  * continental game, where we visit most sectors.  That's our most
69  * demanding use of path search, and its performance has noticable
70  * impact on the update.
71  *
72  * Island game distribution is much less demanding.  The array may not
73  * be the best choice here, but it's plainly good enough.  Same for
74  * path searches outside the update.
75  */
76
77 struct pf_map {
78     /*
79      * visit < pf_visit      : unvisited, remaining members invalid
80      * visit == pf_visit     : open, dir & cost tentative, heapi used
81      * visit == pf_visit + 1 : closed, dir & cost final, heapi unused
82      */
83     unsigned short visit;
84     signed char dir;            /* cheapest direction to source */
85     int heapi;                  /* index in heap, valid if open */
86     double cost;                /* cost from source */
87 };
88
89 static unsigned short pf_visit;
90 static struct pf_map *pf_map;
91
92 /*
93  * Binary heap, cost priority queue of all open sectors
94  *
95  * Again, we use the stupidest data structure that could possibly
96  * work: an array.  And we make it so large it can hold *all* sectors.
97  * In practice, we need much less space, but a tighter upper bound is
98  * not obvious to me right now.
99  */
100
101 struct pf_heap {
102     int uid;                    /* sector uid and */
103     coord x, y;                 /* coordinates, uid == XYOFFSET(x, y) */
104     double cost;                /* cost from source */
105 };
106
107 static int pf_nheap;            /* #entries in pf_nheap[] */
108 static struct pf_heap *pf_heap;
109
110 /*
111  * Source and costs
112  */
113 static coord pf_sx, pf_sy;
114 static int pf_suid;
115 static natid pf_actor;
116 static double (*pf_sct_cost)(natid, int);
117
118 /*
119  * Performance statistics
120  */
121 #ifdef PATH_FIND_STATS
122 static unsigned pf_nsearch, pf_nsource, pf_nopen, pf_nclose;
123 static unsigned pf_nheap_max, pf_noway;
124 static double pf_sumcost;
125 #define STAT_INC(v) ((void)((v)++))
126 #define STAT_INCBY(v, i) ((void)((v) += i))
127 #define STAT_HIMARK(v, h) ((void)((v) < (h) ? (v) = (h) : (h)))
128 #else   /* !PATH_FIND_STATS */
129 #define STAT_INC(v) ((void)0)
130 #define STAT_INCBY(v, i) ((void)0)
131 #define STAT_HIMARK(v, h) ((void)0)
132 #endif  /* !PATH_FIND_STATS */
133
134 #ifndef NDEBUG                  /* silence "not used" warning */
135 /* Is sector with uid UID open?  */
136 static int
137 pf_is_open(int uid)
138 {
139     return pf_map[uid].visit == pf_visit;
140 }
141 #endif
142
143 /* Is sector with uid UID closed?  */
144 static int
145 pf_is_closed(int uid)
146 {
147     /*
148      * optimization: check > pf_visit instead of == pf_visit + 1
149      * works because pf_map[uid].visit <= pf_visit + 1
150      */
151     return pf_map[uid].visit > pf_visit;
152 }
153
154 /* Is sector with uid UID unvisited?  */
155 static int
156 pf_is_unvisited(int uid)
157 {
158     return pf_map[uid].visit < pf_visit;
159 }
160
161 #ifdef PATH_FIND_DEBUG
162 static void
163 pf_check(void)
164 {
165     int i, uid, c;
166
167     for (i = 0; i < pf_nheap; i++) {
168         uid = pf_heap[i].uid;
169         assert(0 <= uid && uid < WORLD_SZ());
170         assert(pf_map[uid].heapi == i);
171         assert(pf_map[uid].visit == pf_visit);
172         assert(pf_map[uid].cost <= pf_heap[i].cost);
173         c = 2 * i + 1;
174         assert(c >= pf_nheap || pf_heap[i].cost <= pf_heap[c].cost);
175         c++;
176         assert(c >= pf_nheap || pf_heap[i].cost <= pf_heap[c].cost);
177     }
178
179     for (uid = 0; uid < WORLD_SZ(); uid++) {
180         assert(pf_map[uid].visit <= pf_visit + 1);
181         if (pf_map[uid].visit == pf_visit) {
182             i = pf_map[uid].heapi;
183             assert(0 <= i && i < pf_nheap && pf_heap[i].uid == uid);
184         }
185     }
186 }
187 #else
188 #define pf_check() ((void)0)
189 #endif
190
191 /* Swap pf_heap's I-th and J-th elements.  */
192 static void
193 pf_heap_swap(int i, int j)
194 {
195     struct pf_heap tmp;
196
197     assert(0 <= i && i < pf_nheap);
198     assert(0 <= j && j < pf_nheap);
199     tmp = pf_heap[i];
200     pf_heap[i] = pf_heap[j];
201     pf_heap[j] = tmp;
202     pf_map[pf_heap[i].uid].heapi = i;
203     pf_map[pf_heap[j].uid].heapi = j;
204 }
205
206 /* Restore heap property after N-th element's cost increased.  */
207 static void
208 pf_sift_down(int n)
209 {
210     int r, c;
211
212     assert(0 <= n && n < pf_nheap);
213     for (r = n; (c = 2 * r + 1) < pf_nheap; r = c) {
214         if (c + 1 < pf_nheap && pf_heap[c].cost > pf_heap[c + 1].cost)
215             c++;
216         if (pf_heap[r].cost < pf_heap[c].cost)
217             break;
218         pf_heap_swap(r, c);
219     }
220 }
221
222 /* Restore heap property after N-th element's cost decreased.  */
223 static void
224 pf_sift_up(int n)
225 {
226     int c, p;
227
228     assert(0 <= n && n < pf_nheap);
229     for (c = n; (p = (c - 1) / 2), c > 0; c = p) {
230         if (pf_heap[p].cost < pf_heap[c].cost)
231             break;
232         pf_heap_swap(p, c);
233     }
234 }
235
236 /*
237  * Open the unvisited sector X,Y.
238  * UID is sector uid, it equals XYOFFSET(X,Y).
239  * Cheapest path from source comes from direction DIR and has cost COST.
240  */
241 static void
242 pf_open(int uid, coord x, coord y, int dir, double cost)
243 {
244     int i;
245
246     STAT_INC(pf_nopen);
247     i = pf_nheap++;
248     STAT_HIMARK(pf_nheap_max, (unsigned)pf_nheap);
249     DPRINTF("pf: open %d,%d %g %c %d\n", x, y, cost, dirch[dir], i);
250     assert(pf_is_unvisited(uid));
251     pf_map[uid].visit = pf_visit;
252     pf_map[uid].dir = dir;
253     pf_map[uid].heapi = i;
254     pf_map[uid].cost = cost;
255     pf_heap[i].uid = uid;
256     pf_heap[i].x = x;
257     pf_heap[i].y = y;
258     pf_heap[i].cost = cost;
259
260     pf_sift_up(i);
261     pf_check();
262 }
263
264 /*
265  * Close the sector at the top of the heap.
266  */
267 static void
268 pf_close(void)
269 {
270     int uid = pf_heap[0].uid;
271
272     STAT_INC(pf_nclose);
273     DPRINTF("pf: close %d,%d %d\n", pf_heap[0].x, pf_heap[0].y, pf_nheap);
274     assert(pf_is_open(uid));
275     if (--pf_nheap) {
276         pf_heap[0] = pf_heap[pf_nheap];
277         pf_map[pf_heap[0].uid].heapi = 0;
278         pf_sift_down(0);
279     }
280     pf_map[uid].visit = pf_visit + 1;
281     pf_check();
282 }
283
284 /* silence "not used" warning */
285 #ifdef PATH_FIND_DEBUG
286 /*
287  * Return cost from source to sector with uid UID.
288  * It must be visited, i.e. open or closed.
289  */
290 static double
291 pf_cost(int uid)
292 {
293     assert(!pf_is_unvisited(uid));
294     return pf_map[uid].cost;
295 }
296 #endif
297
298 static coord
299 x_in_dir(coord x, int dir)
300 {
301     int xx;
302
303     assert(0 <= x && x < WORLD_X);
304     assert(0 <= dir && dir <= DIR_LAST);
305     xx = x + diroff[dir][0];
306     if (xx < 0)
307         return xx + WORLD_X;
308     if (xx >= WORLD_X)
309         return xx - WORLD_X;
310     return xx;
311 }
312
313 static coord
314 y_in_dir(coord y, int dir)
315 {
316     int yy;
317
318     assert(0 <= y && y < WORLD_Y);
319     assert(0 <= dir && dir <= DIR_LAST);
320     yy = y + diroff[dir][1];
321     if (yy < 0)
322         return yy + WORLD_Y;
323     if (yy >= WORLD_Y)
324         return yy - WORLD_Y;
325     return yy;
326 }
327
328 /*
329  * Set the current source and cost function.
330  * SX,SY is the source.
331  * The cost to enter the sector with uid u is COST(ACTOR, u).
332  * Negative value means the sector can't be entered.
333  */
334 static void
335 pf_set_source(coord sx, coord sy, natid actor, double (*cost)(natid, int))
336 {
337     STAT_INC(pf_nsource);
338     DPRINTF("pf: source %d,%d\n", sx, sy);
339     pf_sx = sx;
340     pf_sy = sy;
341     pf_suid = XYOFFSET(sx, sy);
342     pf_actor = actor;
343     pf_sct_cost = cost;
344
345     if (!pf_map) {
346         pf_map = calloc(WORLD_SZ(), sizeof(*pf_map));
347         pf_heap = malloc(WORLD_SZ() * sizeof(*pf_heap));
348         pf_visit = 1;
349     } else if ((unsigned short)(pf_visit + 3) < pf_visit) {
350         DPRINTF("pf: visit wrap-around\n");
351         memset(pf_map, 0, WORLD_SZ() * sizeof(*pf_map));
352         pf_visit = 1;
353     } else
354         pf_visit += 2;
355
356     pf_nheap = 0;
357
358     pf_open(pf_suid, pf_sx, pf_sy, DIR_STOP, 0.0);
359 }
360
361 /*
362  * Find cheapest path from current source to DX,DY, return its cost.
363  */
364 double
365 path_find_to(coord dx, coord dy)
366 {
367     int duid, nuid, i;
368     double cost, c1;
369     coord x, y, nx, ny;
370
371     STAT_INC(pf_nsearch);
372     DPRINTF("pf: dest %d,%d\n", dx, dy);
373     duid = XYOFFSET(dx, dy);
374     if (pf_is_closed(duid)) {
375         DPRINTF("pf: done old %g\n", pf_map[duid].cost);
376         STAT_INCBY(pf_sumcost, pf_map[duid].cost);
377         return pf_map[duid].cost;
378     }
379
380     while (pf_nheap > 0 && pf_heap[0].uid != duid) {
381         x = pf_heap[0].x;
382         y = pf_heap[0].y;
383         cost = pf_heap[0].cost;
384         pf_close();
385
386         for (i = 0; i < 6; i++) { /* for all neighbors */
387             nx = x_in_dir(x, DIR_FIRST + i);
388             ny = y_in_dir(y, DIR_FIRST + i);
389             nuid = XYOFFSET(nx, ny);
390             /*
391              * Cost to enter NX,NY doesn't depend on direction of
392              * entry.  This X,Y is at least as expensive as any
393              * previous one.  Therefore, cost to go to NX,NY via X,Y
394              * is at least as high as any previously found route.
395              * Skip neighbors that have a route already.
396              */
397             if (!pf_is_unvisited(nuid))
398                 continue;
399             c1 = pf_sct_cost(pf_actor, nuid);
400             if (c1 < 0)
401                 continue;
402             pf_open(nuid, nx, ny, DIR_FIRST + i, cost + c1);
403         }
404     }
405
406     DPRINTF("pf: done new %g\n", !pf_nheap ? -1.0 : pf_map[duid].cost);
407     if (!pf_nheap) {
408         STAT_INC(pf_noway);
409         return -1.0;
410     }
411     STAT_INCBY(pf_sumcost, pf_map[duid].cost);
412     return pf_map[duid].cost;
413 }
414
415 /*
416  * Write route from SX,SY to DX,DY to BUF[BUFSIZ], return its length.
417  * If the route is longer than BUFSIZ-1 characters, it's truncated.
418  * You must compute path cost first, with path_find_to().
419  * SX,SY must be on a shortest path from the current source to DX,DY.
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 }