基本遗传算法的C++语言实现.doc
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/********************************************************************/ /* 基于基本遗传算法的函数最优化 SGA.C */ /* A Function Optimizer using Simple Genetic Algorithm */ /* developed from the Pascal SGA code presented by David E.Goldberg */ /********************************************************************/ #include <stdio.h> #include <math.h> /* 全局变量 */ struct individual /* 个体*/ { unsigned *chrom; /* 染色体 */ double fitness; /* 个体适应度*/ double varible; /* 个体对应的变量值*/ int xsite; /* 交叉位置 */ int parent[2]; /* 父个体 */ int *utility; /* 特定数据指针变量 */ }; struct bestever /* 最佳个体*/ { unsigned *chrom; /* 最佳个体染色体*/ double fitness; /* 最佳个体适应度 */ double varible; /* 最佳个体对应的变量值 */ int generation; /* 最佳个体生成代 */ }; struct individual *oldpop; /* 当前代种群 */ struct individual *newpop; /* 新一代种群 */ struct bestever bestfit; /* 最佳个体 */ double sumfitness; /* 种群中个体适应度累计 */ double max; /* 种群中个体最大适应度 */ double avg; /* 种群中个体平均适应度 */ double min; /* 种群中个体最小适应度 */ float pcross; /* 交叉概率 */ float pmutation; /* 变异概率 */ int popsize; /* 种群大小 */ int lchrom; /* 染色体长度*/ int chromsize; /* 存储一染色体所需字节数 */ int gen; /* 当前世代数 */ int maxgen; /* 最大世代数 */ int run; /* 当前运行次数 */ int maxruns; /* 总运行次数 */ int printstrings; /* 输出染色体编码的判断,0 -- 不输出, 1 -- 输出 */ int nmutation; /* 当前代变异发生次数 */ int ncross; /* 当前代交叉发生次数 */ /* 随机数发生器使用的静态变量 */ static double oldrand[55]; static int jrand; static double rndx2; static int rndcalcflag; /* 输出文件指针 */ FILE *outfp ; /* 函数定义 */ void advance_random(); int flip(float);rnd(int, int); void randomize(); double randomnormaldeviate(); float randomperc(),rndreal(float,float); void warmup_random(float); void initialize(),initdata(),initpop(); void initreport(),generation(),initmalloc(); void freeall(),nomemory(char *),report(); void writepop(),writechrom(unsigned *); void preselect(); void statistics(struct individual *); void title(),repchar (FILE *,char *,int); void skip(FILE *,int); int select(); void objfunc(struct individual *); int crossover (unsigned *, unsigned *, unsigned *, unsigned *); void mutation(unsigned *); void initialize() /* 遗传算法初始化 */ { /* 键盘输入遗传算法参数 */ initdata(); /* 确定染色体的字节长度 */ chromsize = (lchrom/(8*sizeof(unsigned))); if(lchrom%(8*sizeof(unsigned))) chromsize++; /*分配给全局数据结构空间 */ initmalloc(); /* 初始化随机数发生器 */ randomize(); /* 初始化全局计数变量和一些数值*/ nmutation = 0; ncross = 0; bestfit.fitness = 0.0; bestfit.generation = 0; /* 初始化种群,并统计计算结果 */ initpop(); statistics(oldpop); initreport(); } void initdata() /* 遗传算法参数输入 */ { char answer[2]; popsize=30; if((popsize%2) != 0) { fprintf(outfp, "种群大小已设置为偶数\n"); popsize++; }; lchrom=22; printstrings=1; maxgen=150; pcross=0.8; pmutation=0.005; } void initpop() /* 随机初始化种群 */ { int j, j1, k, stop; unsigned mask = 1; for(j = 0; j < popsize; j++) { for(k = 0; k < chromsize; k++) { oldpop[j].chrom[k] = 0; if(k == (chromsize-1)) stop = lchrom - (k*(8*sizeof(unsigned))); else stop =8*sizeof(unsigned); for(j1 = 1; j1 <= stop; j1++) { oldpop[j].chrom[k] = oldpop[j].chrom[k]<<1; if(flip(0.5)) oldpop[j].chrom[k] = oldpop[j].chrom[k]|mask; } } oldpop[j].parent[0] = 0; /* 初始父个体信息 */ oldpop[j].parent[1] = 0; oldpop[j].xsite = 0; objfunc(&(oldpop[j])); /* 计算初始适应度*/ } } void initreport() /* 初始参数输出 */ { void skip(); skip(outfp,1); fprintf(outfp," 基本遗传算法参数\n"); fprintf(outfp," -------------------------------------------------\n"); fprintf(outfp," 种群大小(popsize) = %d\n",popsize); fprintf(outfp," 染色体长度(lchrom) = %d\n",lchrom); fprintf(outfp," 最大进化代数(maxgen) = %d\n",maxgen); fprintf(outfp," 交叉概率(pcross) = %f\n",pcross); fprintf(outfp," 变异概率(pmutation) = %f\n",pmutation); fprintf(outfp," -------------------------------------------------\n"); skip(outfp,1); fflush(outfp); } void generation() { int mate1, mate2, jcross, j = 0; /* 每代运算前进行预选 */ preselect(); /* 选择, 交叉, 变异 */ do { /* 挑选交叉配对 */ mate1 = select(); mate2 = select(); /* 交叉和变异 */ jcross = crossover(oldpop[mate1].chrom, oldpop[mate2].chrom, newpop[j].chrom, newpop[j+1].chrom); mutation(newpop[j].chrom); mutation(newpop[j+1].chrom); /* 解码, 计算适应度 */ objfunc(&(newpop[j])); /*记录亲子关系和交叉位置 */ newpop[j].parent[0] = mate1+1; newpop[j].xsite = jcross; newpop[j].parent[1] = mate2+1; objfunc(&(newpop[j+1])); newpop[j+1].parent[0] = mate1+1; newpop[j+1].xsite = jcross; newpop[j+1].parent[1] = mate2+1; j = j + 2; } while(j < (popsize-1)); } void initmalloc() /*为全局数据变量分配空间 */ { unsigned nbytes; char *malloc(); int j; /* 分配给当前代和新一代种群内存空间 */ nbytes = popsize*sizeof(struct individual); if((oldpop = (struct individual *) malloc(nbytes)) == NULL) nomemory("oldpop"); if((newpop = (struct individual *) malloc(nbytes)) == NULL) nomemory("newpop"); /* 分配给染色体内存空间 */ nbytes = chromsize*sizeof(unsigned); for(j = 0; j < popsize; j++) { if((oldpop[j].chrom = (unsigned *) malloc(nbytes)) == NULL) nomemory("oldpop chromosomes"); if((newpop[j].chrom = (unsigned *) malloc(nbytes)) == NULL) nomemory("newpop chromosomes"); } if((bestfit.chrom = (unsigned *) malloc(nbytes)) == NULL) nomemory("bestfit chromosome"); } void freeall() /* 释放内存空间 */ { int i; for(i = 0; i < popsize; i++) { free(oldpop[i].chrom); free(newpop[i].chrom); } free(oldpop); free(newpop); free(bestfit.chrom); } void nomemory(string) /* 内存不足,退出*/ char *string; { fprintf(outfp,"malloc: out of memory making %s!!\n",string); exit(-1); } void report() /* 输出种群统计结果 */ { void repchar(), skip(); void writepop(), writestats(); repchar(outfp,"-",80); skip(outfp,1); if(printstrings == 1) { repchar(outfp," ",((80-17)/2)); fprintf(outfp,"模拟计算统计报告 \n"); fprintf(outfp, "世代数 %3d", gen); repchar(outfp," ",(80-28)); fprintf(outfp, "世代数 %3d\n", (gen+1)); fprintf(outfp,"个体 染色体编码"); repchar(outfp," ",lchrom-5); fprintf(outfp,"适应度 父个体 交叉位置 "); fprintf(outfp,"染色体编码 "); repchar(outfp," ",lchrom-5); fprintf(outfp,"适应度\n"); repchar(outfp,"-",80); skip(outfp,1); writepop(outfp); repchar(outfp,"-",80); skip(outfp,1); } fprintf(outfp,"第 %d 代统计: \n",gen); fprintf(outfp,"总交叉操作次数 = %d, 总变异操作数 = %d\n",ncross,nmutation); fprintf(outfp," 最小适应度:%f 最大适应度:%f 平均适应度 %f\n", min,max,avg); fprintf(outfp," 迄今发现最佳个体 => 所在代数: %d ", bestfit.generation); fprintf(outfp," 适应度:%f 染色体:", bestfit.fitness); writechrom((&bestfit)->chrom); fprintf(outfp," 对应的变量值: %f", bestfit.varible); skip(outfp,1); repchar(outfp,"-",80); skip(outfp,1); } void writepop() { struct individual *pind; int j; for(j=0; j<popsize; j++) { fprintf(outfp,"%3d) ",j+1); /* 当前代个体 */ pind = &(oldpop[j]); writechrom(pind->chrom); fprintf(outfp," %8f | ", pind->fitness); /* 新一代个体 */ pind = &(newpop[j]); fprintf(outfp,"(%2d,%2d) %2d ", pind->parent[0], pind->parent[1], pind->xsite); writechrom(pind->chrom); fprintf(outfp," %8f\n", pind->fitness); } } void writechrom(chrom) /* 输出染色体编码 */ unsigned *chrom; { int j, k, stop; unsigned mask = 1, tmp; for(k = 0; k < chromsize; k++) { tmp = chrom[k]; if(k == (chromsize-1)) stop = lchrom - (k*(8*sizeof(unsigned))); else stop =8*sizeof(unsigned); for(j = 0; j < stop; j++) { if(tmp&mask) fprintf(outfp,"1"); else fprintf(outfp,"0"); tmp = tmp>>1; } } } void preselect() { int j; sumfitness = 0; for(j = 0; j < popsize; j++) sumfitness += oldpop[j].fitness; } int select() /* 轮盘赌选择*/ { extern float randomperc(); float sum, pick; int i; pick = randomperc(); sum = 0; if(sumfitness != 0) { for(i = 0; (sum < pick) && (i < popsize); i++) sum += oldpop[i].fitness/sumfitness; } else i = rnd(1,popsize); return(i-1); } void statistics(pop) /* 计算种群统计数据 */ struct individual *pop; { int i, j; sumfitness = 0.0; min = pop[0].fitness; max = pop[0].fitness; /* 计算最大、最小和累计适应度 */ for(j = 0; j < popsize; j++) { sumfitness = sumfitness + pop[j].fitness; if(pop[j].fitness > max) max = pop[j].fitness; if(pop[j].fitness < min) min = pop[j].fitness; /* new global best-fit individual */ if(pop[j].fitness > bestfit.fitness) { for(i = 0; i < chromsize; i++) bestfit.chrom[i] = pop[j].chrom[i]; bestfit.fitness = pop[j].fitness; bestfit.varible = pop[j].varible; bestfit.generation = gen; } } /* 计算平均适应度 */ avg = sumfitness/popsize; } void title() { printf("SGA Optimizer Jean.Timex\n"); } void repchar (outfp,ch,repcount) FILE *outfp; char *ch; int repcount; { int j; for (j = 1; j <= repcount; j++) fprintf(outfp,"%s", ch); } void skip(outfp,skipcount) FILE *outfp; int skipcount; { int j; for (j = 1; j <= skipcount; j++) fprintf(outfp,"\n"); } void objfunc(critter) /* 计算适应度函数值 */ struct individual *critter; { unsigned mask=1; unsigned bitpos; unsigned tp; double pow(), bitpow ; int j, k, stop; critter->varible = 0.0; for(k = 0; k < chromsize; k++) { if(k == (chromsize-1)) stop = lchrom-(k*(8*sizeof(unsigned))); else stop =8*sizeof(unsigned); tp = critter->chrom[k]; for(j = 0; j < stop; j++) { bitpos = j + (8*sizeof(unsigned))*k; if((tp&mask) == 1) { bitpow = pow(2.0,(double) bitpos); critter->varible = critter->varible + bitpow; } tp = tp>>1; } } critter->varible =-1+critter->varible*3/(pow(2.0,(double)lchrom)-1); critter->fitness =critter->varible*sin(critter->varible*10*atan(1)*4)+2.0; } void mutation(unsigned *child) /*变异操作*/ { int j, k, stop; unsigned mask, temp = 1; for(k = 0; k < chromsize; k++) { mask = 0; if(k == (chromsize-1)) stop = lchrom - (k*(8*sizeof(unsigned))); else stop = 8*sizeof(unsigned); for(j = 0; j < stop; j++) { if(flip(pmutation)) { mask = mask|(temp<<j); nmutation++; } } child[k] = child[k]^mask; } } int crossover (unsigned *parent1, unsigned *parent2, unsigned *child1, unsigned *child2) /* 由两个父个体交叉产生两个子个体 */ { int j, jcross, k; unsigned mask, temp; if(flip(pcross)) { jcross = rnd(1 ,(lchrom - 1));/* Cross between 1 and l-1 */ ncross++; for(k = 1; k <= chromsize; k++) { if(jcross >= (k*(8*sizeof(unsigned)))) { child1[k-1] = parent1[k-1]; child2[k-1] = parent2[k-1]; } else if((jcross < (k*(8*sizeof(unsigned)))) && (jcross > ((k-1)*(8*sizeof(unsigned))))) { mask = 1; for(j = 1; j <= (jcross-1-((k-1)*(8*sizeof(unsigned)))); j++) { temp = 1; mask = mask<<1; mask = mask|temp; } child1[k-1] = (parent1[k-1]&mask)|(parent2[k-1]&(~mask)); child2[k-1] = (parent1[k-1]&(~mask))|(parent2[k-1]&mask); } else { child1[k-1] = parent2[k-1]; child2[k-1] = parent1[k-1]; } } } else { for(k = 0; k < chromsize; k++) { child1[k] = parent1[k]; child2[k] = parent2[k]; } jcross = 0; } return(jcross); } void advance_random() /* 产生55个随机数 */ { int j1; double new_random; for(j1 = 0; j1 < 24; j1++) { new_random = oldrand[j1] - oldrand[j1+31]; if(new_random < 0.0) new_random = new_random + 1.0; oldrand[j1] = new_random; } for(j1 = 24; j1 < 55; j1++) { new_random = oldrand [j1] - oldrand [j1-24]; if(new_random < 0.0) new_random = new_random + 1.0; oldrand[j1] = new_random; } } int flip(float prob) /* 以一定概率产生0或1 */ { float randomperc(); if(randomperc() <= prob) return(1); else return(0); } void randomize() /* 设定随机数种子并初始化随机数发生器 */ { float randomseed; int j1; for(j1=0; j1<=54; j1++) oldrand[j1] = 0.0; jrand=0; randomseed=0.5; warmup_random(randomseed); } double randomnormaldeviate() /* 产生随机标准差 */ { double sqrt(), log(), sin(), cos(); float randomperc(); double t, rndx1; if(rndcalcflag) { rndx1 = sqrt(- 2.0*log((double) randomperc())); t = 6.2831853072 * (double) randomperc(); rndx2 = rndx1 * sin(t); rndcalcflag = 0; r- 配套讲稿:
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- 关 键 词:
- 基本 遗传 算法 C+ 语言 实现
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