]> git.pond.sub.org Git - empserver/blobdiff - src/lib/common/pathfind.c
New path finder
[empserver] / src / lib / common / pathfind.c
diff --git a/src/lib/common/pathfind.c b/src/lib/common/pathfind.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..ae71b64
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,503 @@
+/*
+ *  Empire - A multi-player, client/server Internet based war game.
+ *  Copyright (C) 1986-2011, Dave Pare, Jeff Bailey, Thomas Ruschak,
+ *                Ken Stevens, Steve McClure, Markus Armbruster
+ *
+ *  Empire is free software: you can redistribute it and/or modify
+ *  it under the terms of the GNU General Public License as published by
+ *  the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
+ *  (at your option) any later version.
+ *
+ *  This program is distributed in the hope that it will be useful,
+ *  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ *  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
+ *  GNU General Public License for more details.
+ *
+ *  You should have received a copy of the GNU General Public License
+ *  along with this program.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
+ *
+ *  ---
+ *
+ *  See files README, COPYING and CREDITS in the root of the source
+ *  tree for related information and legal notices.  It is expected
+ *  that future projects/authors will amend these files as needed.
+ *
+ *  ---
+ *
+ *  pathfind.c: Find cheapest paths
+ *
+ *  Known contributors to this file:
+ *     Markus Armbruster, 2011
+ */
+
+#include <config.h>
+
+#include <assert.h>
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <string.h>
+#include "file.h"
+#include "optlist.h"
+#include "path.h"
+#include "sect.h"
+
+#ifdef PATH_FIND_DEBUG
+#define DPRINTF(fmt, ...) ((void)printf(fmt , ## __VA_ARGS__))
+#else
+#define DPRINTF(fmt, ...) ((void)0)
+#endif
+
+static char *bufrotate(char *buf, size_t bufsz, size_t i);
+
+/*
+ * Dijkstra's algorithm.  Refer to your graph algorithm textbook for
+ * how it works.  Implementation is specialized to hex maps.
+ */
+
+/*
+ * Array of sector data, indexed by sector uid
+ *
+ * We need to store a few values per sector visited by the path
+ * search.  An array is the stupidest data structure that could
+ * possibly work.
+ *
+ * Extra benefit: it works really well for distribution in a
+ * continental game, where we visit most sectors.  That's our most
+ * demanding use of path search, and its performance has noticable
+ * impact on the update.
+ *
+ * Island game distribution is much less demanding.  The array may not
+ * be the best choice here, but it's plainly good enough.  Same for
+ * path searches outside the update.
+ */
+
+struct pf_map {
+    /*
+     * visit < pf_visit      : unvisited, remaining members invalid
+     * visit == pf_visit     : open, dir & cost tentative, heapi used
+     * visit == pf_visit + 1 : closed, dir & cost final, heapi unused
+     */
+    unsigned short visit;
+    signed char dir;           /* cheapest direction to source */
+    int heapi;                 /* index in heap, valid if open */
+    double cost;               /* cost from source */
+};
+
+static unsigned short pf_visit;
+static struct pf_map *pf_map;
+
+/*
+ * Binary heap, cost priority queue of all open sectors
+ *
+ * Again, we use the stupidest data structure that could possibly
+ * work: an array.  And we make it so large it can hold *all* sectors.
+ * In practice, we need much less space, but a tighter upper bound is
+ * not obvious to me right now.
+ */
+
+struct pf_heap {
+    int uid;                   /* sector uid and */
+    coord x, y;                        /* coordinates, uid == XYOFFSET(x, y) */
+    double cost;               /* cost from source */
+};
+
+static int pf_nheap;           /* #entries in pf_nheap[] */
+static struct pf_heap *pf_heap;
+
+/*
+ * Source and costs
+ */
+static coord pf_sx, pf_sy;
+static int pf_suid;
+static natid pf_actor;
+static double (*pf_sct_cost)(natid, int);
+
+/* Is sector with uid UID open?  */
+static int
+pf_is_open(int uid)
+{
+    return pf_map[uid].visit == pf_visit;
+}
+
+/* Is sector with uid UID closed?  */
+static int
+pf_is_closed(int uid)
+{
+    /*
+     * optimization: check > pf_visit instead of == pf_visit + 1
+     * works because pf_map[uid].visit <= pf_visit + 1
+     */
+    return pf_map[uid].visit > pf_visit;
+}
+
+/* Is sector with uid UID unvisited?  */
+static int
+pf_is_unvisited(int uid)
+{
+    return pf_map[uid].visit < pf_visit;
+}
+
+#ifdef PATH_FIND_DEBUG
+static void
+pf_check(void)
+{
+    int i, uid, c;
+
+    for (i = 0; i < pf_nheap; i++) {
+       uid = pf_heap[i].uid;
+       assert(0 <= uid && uid < WORLD_SZ());
+       assert(pf_map[uid].heapi == i);
+       assert(pf_map[uid].visit == pf_visit);
+       assert(pf_map[uid].cost <= pf_heap[i].cost);
+       c = 2 * i + 1;
+       assert(c >= pf_nheap || pf_heap[i].cost <= pf_heap[c].cost);
+       c++;
+       assert(c >= pf_nheap || pf_heap[i].cost <= pf_heap[c].cost);
+    }
+
+    for (uid = 0; uid < WORLD_SZ(); uid++) {
+       assert(pf_map[uid].visit <= pf_visit + 1);
+       if (pf_map[uid].visit == pf_visit) {
+           i = pf_map[uid].heapi;
+           assert(0 <= i && i < pf_nheap && pf_heap[i].uid == uid);
+       }
+    }
+}
+#else
+#define pf_check() ((void)0)
+#endif
+
+/* Swap pf_heap's I-th and J-th elements.  */
+static void
+pf_heap_swap(int i, int j)
+{
+    struct pf_heap tmp;
+
+    assert(0 <= i && i < pf_nheap);
+    assert(0 <= j && j < pf_nheap);
+    tmp = pf_heap[i];
+    pf_heap[i] = pf_heap[j];
+    pf_heap[j] = tmp;
+    pf_map[pf_heap[i].uid].heapi = i;
+    pf_map[pf_heap[j].uid].heapi = j;
+}
+
+/* Restore heap property after N-th element's cost increased.  */
+static void
+pf_sift_down(int n)
+{
+    int r, c;
+
+    assert(0 <= n && n < pf_nheap);
+    for (r = n; (c = 2 * r + 1) < pf_nheap; r = c) {
+       if (c + 1 < pf_nheap && pf_heap[c].cost > pf_heap[c + 1].cost)
+           c++;
+       if (pf_heap[r].cost < pf_heap[c].cost)
+           break;
+       pf_heap_swap(r, c);
+    }
+}
+
+/* Restore heap property after N-th element's cost decreased.  */
+static void
+pf_sift_up(int n)
+{
+    int c, p;
+
+    assert(0 <= n && n < pf_nheap);
+    for (c = n; (p = (c - 1) / 2), c > 0; c = p) {
+       if (pf_heap[p].cost < pf_heap[c].cost)
+           break;
+       pf_heap_swap(p, c);
+    }
+}
+
+/*
+ * Open the unvisited sector X,Y.
+ * UID is sector uid, it equals XYOFFSET(X,Y).
+ * Cheapest path from source comes from direction DIR and has cost COST.
+ */
+static void
+pf_open(int uid, coord x, coord y, int dir, double cost)
+{
+    int i;
+
+    if (pf_is_open(uid)) {
+       i = pf_map[uid].heapi;
+       DPRINTF("pf: reopen %d,%d %g %c %d\n", x, y, cost, dirch[dir], i);
+       assert(cost < pf_map[uid].cost);
+    } else {
+       i = pf_nheap++;
+       DPRINTF("pf: open %d,%d %g %c %d\n", x, y, cost, dirch[dir], i);
+       pf_map[uid].heapi = i;
+       pf_map[uid].visit = pf_visit;
+       pf_heap[i].uid = uid;
+       pf_heap[i].x = x;
+       pf_heap[i].y = y;
+    }
+    pf_map[uid].dir = dir;
+    pf_map[uid].cost = cost;
+    pf_heap[i].cost = cost;
+
+    pf_sift_up(i);
+    pf_check();
+}
+
+/*
+ * Close the sector at the top of the heap.
+ */
+static void
+pf_close(void)
+{
+    int uid = pf_heap[0].uid;
+
+    DPRINTF("pf: close %d,%d %d\n", pf_heap[0].x, pf_heap[0].y, pf_nheap);
+    assert(pf_is_open(uid));
+    if (--pf_nheap) {
+       pf_heap[0] = pf_heap[pf_nheap];
+       pf_map[pf_heap[0].uid].heapi = 0;
+       pf_sift_down(0);
+    }
+    pf_map[uid].visit = pf_visit + 1;
+    pf_check();
+}
+
+static coord
+x_in_dir(coord x, int dir)
+{
+    int xx;
+
+    assert(0 <= x && x < WORLD_X);
+    assert(0 <= dir && dir <= DIR_LAST);
+    xx = x + diroff[dir][0];
+    if (xx < 0)
+       return xx + WORLD_X;
+    if (xx >= WORLD_X)
+       return xx - WORLD_X;
+    return xx;
+}
+
+static coord
+y_in_dir(coord y, int dir)
+{
+    int yy;
+
+    assert(0 <= y && y < WORLD_Y);
+    assert(0 <= dir && dir <= DIR_LAST);
+    yy = y + diroff[dir][1];
+    if (yy < 0)
+       return yy + WORLD_Y;
+    if (yy >= WORLD_Y)
+       return yy - WORLD_Y;
+    return yy;
+}
+
+static int
+rev_dir(int dir)
+{
+    assert(DIR_FIRST <= dir && dir <= DIR_LAST);
+    return dir >= DIR_FIRST + 3 ? dir - 3 : dir + 3;
+}
+
+/*
+ * Set the current source and cost function.
+ * SX,SY is the source.
+ * The cost to enter the sector with uid u is COST(ACTOR, u).
+ * Negative value means the sector can't be entered.
+ */
+static void
+pf_set_source(coord sx, coord sy, natid actor, double (*cost)(natid, int))
+{
+    DPRINTF("pf: source %d,%d\n", sx, sy);
+    pf_sx = sx;
+    pf_sy = sy;
+    pf_suid = XYOFFSET(sx, sy);
+    pf_actor = actor;
+    pf_sct_cost = cost;
+
+    if (!pf_map) {
+       pf_map = calloc(WORLD_SZ(), sizeof(*pf_map));
+       pf_heap = malloc(WORLD_SZ() * sizeof(*pf_heap));
+       pf_visit = 1;
+    } else if ((unsigned short)(pf_visit + 3) < pf_visit) {
+       DPRINTF("pf: visit wrap-around\n");
+       memset(pf_map, 0, WORLD_SZ() * sizeof(*pf_map));
+       pf_visit = 1;
+    } else
+       pf_visit += 2;
+
+    pf_nheap = 0;
+
+    pf_open(pf_suid, pf_sx, pf_sy, DIR_STOP, 0.0);
+}
+
+/*
+ * Find cheapest path from current source to DX,DY, return its cost.
+ */
+double
+path_find_to(coord dx, coord dy)
+{
+    int duid;
+    int uid, nuid, i;
+    double cost, c1;
+    coord x, y, nx, ny;
+
+    DPRINTF("pf: dest %d,%d\n", dx, dy);
+    duid = XYOFFSET(dx, dy);
+    if (pf_is_closed(duid)) {
+       DPRINTF("pf: done old %g\n", pf_map[duid].cost);
+       return pf_map[duid].cost;
+    }
+
+    while (pf_nheap > 0 && (uid = pf_heap[0].uid) != duid) {
+       x = pf_heap[0].x;
+       y = pf_heap[0].y;
+       cost = pf_heap[0].cost;
+       pf_close();
+
+       for (i = 0; i < 6; i++) { /* for all neighbors */
+           nx = x_in_dir(x, DIR_FIRST + i);
+           ny = y_in_dir(y, DIR_FIRST + i);
+           nuid = XYOFFSET(nx, ny);
+           c1 = pf_sct_cost(pf_actor, nuid);
+           if (c1 < 0)
+               continue;
+           if (pf_is_unvisited(nuid) || cost + c1 < pf_map[nuid].cost)
+               pf_open(nuid, nx, ny, DIR_FIRST + i, cost + c1);
+       }
+    }
+
+    DPRINTF("pf: done new %g\n", !pf_nheap ? -1.0 : pf_map[duid].cost);
+    if (!pf_nheap)
+       return -1.0;
+    return pf_map[duid].cost;
+}
+
+/*
+ * Write route from SX,SY to DX,DY to BUF[BUFSIZ], return its length.
+ * If the route is longer than BUFSIZ-1 characters, it's truncated.
+ * You must compute path cost first, with path_find_to().
+ * SX,SY must be on a shortest path from the current source to DX,DY.
+ */
+size_t
+path_find_route(char *buf, size_t bufsz,
+               coord sx, coord sy, coord dx, coord dy)
+{
+    coord x, y;
+    size_t i, len;
+    int suid, uid, d;
+
+    suid = XYOFFSET(sx, sy);
+    assert(bufsz > 0 && !pf_is_unvisited(suid));
+
+    i = bufsz;
+    buf[--i] = 0;
+    len = 0;
+
+    x = dx;
+    y = dy;
+    for (;;) {
+       DPRINTF("pf: %d,%d %.*s%.*s\n",
+               x, y,
+               (int)(bufsz - i), buf + i,
+               len >= bufsz ? (int)i : 0, buf);
+       uid = XYOFFSET(x, y);
+       assert(!pf_is_unvisited(uid));
+       d = pf_map[uid].dir;
+       if (d == DIR_STOP || uid == suid)
+           break;
+       if (!i)
+           i = bufsz;
+       buf[--i] = dirch[d];
+       len++;
+       x = x_in_dir(x, rev_dir(d));
+       y = y_in_dir(y, rev_dir(d));
+    }
+
+    assert(x == sx && y == sy);
+    if (len >= bufsz)
+       bufrotate(buf, bufsz, i);
+    else {
+       assert(i + len < bufsz);
+       memmove(buf, buf + i, len + 1);
+    }
+    return len;
+}
+
+/*
+ * Rotate BUF[BUFSZ] to put BUF[I] into BUF[0], and zero-terminate.
+ */
+static char *
+bufrotate(char *buf, size_t bufsz, size_t i)
+{
+    char tmp[64];
+    size_t n;
+
+    while (i) {
+       n = MIN(i, sizeof(tmp));
+       memcpy(tmp, buf, n);
+       memcpy(buf, buf + n, bufsz - n);
+       memcpy(buf + bufsz - n, tmp, n);
+       i -= n;
+    }
+    buf[bufsz - 1] = 0;
+    return buf;
+}
+
+
+/*
+ * Empire interface glue
+ */
+
+static double
+cost_land(natid actor, int uid, int mobtype)
+{
+    struct sctstr *sp = (void *)empfile[EF_SECTOR].cache;
+
+    if (sp[uid].sct_own != actor)
+       return -1.0;
+    return sector_mcost(&sp[uid], mobtype);
+}
+
+static double
+cost_move(natid actor, int uid)
+{
+    return cost_land(actor, uid, MOB_MOVE);
+}
+
+static double
+cost_march(natid actor, int uid)
+{
+    return cost_land(actor, uid, MOB_MARCH);
+}
+
+static double
+cost_rail(natid actor, int uid)
+{
+    return cost_land(actor, uid, MOB_RAIL);
+}
+
+static double (*cost_tab[])(natid, int) = {
+    cost_move, cost_march, cost_rail
+};
+
+/*
+ * Start finding paths from SX,SY.
+ * Use mobility costs for ACTOR and MOBTYPE.
+ */
+void
+path_find_from(coord sx, coord sy, natid actor, int mobtype)
+{
+    pf_set_source(sx, sy, actor, cost_tab[mobtype]);
+}
+
+/*
+ * Find cheapest path from SX,SY to DX,DY, return its mobility cost.
+ * Use mobility costs for ACTOR and MOBTYPE.
+ */
+double
+path_find(coord sx, coord sy, coord dx, coord dy, natid actor, int mobtype)
+{
+    pf_set_source(sx, sy, actor, cost_tab[mobtype]);
+    return path_find_to(dx, dy);
+}