[rubygems/rubygems] Use a constant empty tar header to avoid extra allocations
[ruby.git] / benchmark / so_meteor_contest.rb
blobd8c8e3ab9c4011c0d99d17bb59bf8816bb1147c7
1 #!/usr/bin/env ruby
3 # The Computer Language Shootout
4 #   http://shootout.alioth.debian.org
5 #   contributed by Kevin Barnes (Ruby novice)
7 # PROGRAM:  the main body is at the bottom.
8 #   1) read about the problem here: http://www-128.ibm.com/developerworks/java/library/j-javaopt/
9 #   2) see how I represent a board as a bitmask by reading the blank_board comments
10 #   3) read as your mental paths take you
12 def print *args
13 end
15 # class to represent all information about a particular rotation of a particular piece
16 class Rotation
17   # an array (by location) containing a bit mask for how the piece maps at the given location.
18   # if the rotation is invalid at that location the mask will contain false
19   attr_reader :start_masks
21   # maps a direction to a relative location.  these differ depending on whether it is an even or
22   # odd row being mapped from
23   @@rotation_even_adder = { :west => -1, :east => 1, :nw => -7, :ne => -6, :sw => 5, :se => 6 }
24   @@rotation_odd_adder = { :west => -1, :east => 1, :nw => -6, :ne => -5, :sw => 6, :se => 7 }
26   def initialize( directions )
27     @even_offsets, @odd_offsets = normalize_offsets( get_values( directions ))
29     @even_mask = mask_for_offsets( @even_offsets)
30     @odd_mask = mask_for_offsets( @odd_offsets)
32     @start_masks = Array.new(60)
34     # create the rotational masks by placing the base mask at the location and seeing if
35     # 1) it overlaps the boundaries and 2) it produces a prunable board.  if either of these
36     # is true the piece cannot be placed
37     0.upto(59) do | offset |
38       mask = is_even(offset) ? (@even_mask << offset) : (@odd_mask << offset)
39       if (blank_board & mask == 0 && !prunable(blank_board | mask, 0, true)) then
40         imask = compute_required( mask, offset)
41         @start_masks[offset] = [ mask, imask, imask | mask ]
42       else
43         @start_masks[offset] = false
44       end
45     end
46   end
48   def compute_required( mask, offset )
49     board = blank_board
50     0.upto(offset) { | i | board |= 1 << i }
51     board |= mask
52     return 0 if (!prunable(board | mask, offset))
53     board = flood_fill(board,58)
54     count = 0
55     imask = 0
56     0.upto(59) do | i |
57       if (board[i] == 0) then
58         imask |= (1 << i)
59         count += 1
60       end
61     end
62     (count > 0 && count < 5) ? imask : 0
63   end
65   def flood_fill( board, location)
66     return board if (board[location] == 1)
67     board |= 1 << location
68     row, col = location.divmod(6)
69     board = flood_fill( board, location - 1) if (col > 0)
70     board = flood_fill( board, location + 1) if (col < 4)
71     if (row % 2 == 0) then
72       board = flood_fill( board, location - 7) if (col > 0 && row > 0)
73       board = flood_fill( board, location - 6) if (row > 0)
74       board = flood_fill( board, location + 6) if (row < 9)
75       board = flood_fill( board, location + 5) if (col > 0 && row < 9)
76     else
77       board = flood_fill( board, location - 5) if (col < 4 && row > 0)
78       board = flood_fill( board, location - 6) if (row > 0)
79       board = flood_fill( board, location + 6) if (row < 9)
80       board = flood_fill( board, location + 7) if (col < 4 && row < 9)
81     end
82     board
83   end
85   # given a location, produces a list of relative locations covered by the piece at this rotation
86   def offsets( location)
87     if is_even( location) then
88       @even_offsets.collect { | value | value + location }
89     else
90       @odd_offsets.collect { | value | value + location }
91     end
92   end
94   # returns a set of offsets relative to the top-left most piece of the rotation (by even or odd rows)
95   # this is hard to explain. imagine we have this partial board:
96   #   0 0 0 0 0 x        [positions 0-5]
97   #    0 0 1 1 0 x       [positions 6-11]
98   #   0 0 1 0 0 x        [positions 12-17]
99   #    0 1 0 0 0 x       [positions 18-23]
100   #   0 1 0 0 0 x        [positions 24-29]
101   #    0 0 0 0 0 x       [positions 30-35]
102   #       ...
103   # The top-left of the piece is at position 8, the
104   # board would be passed as a set of positions (values array) containing [8,9,14,19,25] not necessarily in that
105   # sorted order.  Since that array starts on an odd row, the offsets for an odd row are: [0,1,6,11,17] obtained
106   # by subtracting 8 from everything.  Now imagine the piece shifted up and to the right so it's on an even row:
107   #   0 0 0 1 1 x        [positions 0-5]
108   #    0 0 1 0 0 x       [positions 6-11]
109   #   0 0 1 0 0 x        [positions 12-17]
110   #    0 1 0 0 0 x       [positions 18-23]
111   #   0 0 0 0 0 x        [positions 24-29]
112   #    0 0 0 0 0 x       [positions 30-35]
113   #       ...
114   # Now the positions are [3,4,8,14,19] which after subtracting the lowest value (3) gives [0,1,5,11,16] thus, the
115   # offsets for this particular piece are (in even, odd order) [0,1,5,11,16],[0,1,6,11,17] which is what
116   # this function would return
117   def normalize_offsets( values)
118     min = values.min
119     even_min = is_even(min)
120     other_min = even_min ? min + 6 : min + 7
121     other_values = values.collect do | value |
122       if is_even(value) then
123         value + 6 - other_min
124       else
125         value + 7 - other_min
126       end
127     end
128     values.collect! { | value | value - min }
130     if even_min then
131       [values, other_values]
132     else
133       [other_values, values]
134     end
135   end
137   # produce a bitmask representation of an array of offset locations
138   def mask_for_offsets( offsets )
139     mask = 0
140     offsets.each { | value | mask = mask + ( 1 << value ) }
141     mask
142   end
144   # finds a "safe" position that a position as described by a list of directions can be placed
145   # without falling off any edge of the board.  the values returned a location to place the first piece
146   # at so it will fit after making the described moves
147   def start_adjust( directions )
148     south = east = 0;
149     directions.each do | direction |
150       east += 1 if ( direction == :sw || direction == :nw || direction == :west )
151       south += 1 if ( direction == :nw || direction == :ne )
152     end
153     south * 6 + east
154   end
156   # given a set of directions places the piece (as defined by a set of directions) on the board at
157   # a location that will not take it off the edge
158   def get_values( directions )
159     start = start_adjust(directions)
160     values = [ start ]
161     directions.each do | direction |
162       if (start % 12 >= 6) then
163         start += @@rotation_odd_adder[direction]
164       else
165         start += @@rotation_even_adder[direction]
166       end
167       values += [ start ]
168     end
170     # some moves take you back to an existing location, we'll strip duplicates
171     values.uniq
172   end
175 # describes a piece and caches information about its rotations to as to be efficient for iteration
176 # ATTRIBUTES:
177 #   rotations -- all the rotations of the piece
178 #   type -- a numeic "name" of the piece
179 #   masks -- an array by location of all legal rotational masks (a n inner array) for that location
180 #   placed -- the mask that this piece was last placed at (not a location, but the actual mask used)
181 class Piece
182   attr_reader :rotations, :type, :masks
183   attr_accessor :placed
185   # transform hashes that change one direction into another when you either flip or rotate a set of directions
186   @@flip_converter = { :west => :west, :east => :east, :nw => :sw, :ne => :se, :sw => :nw, :se => :ne }
187   @@rotate_converter = { :west => :nw, :east => :se, :nw => :ne, :ne => :east, :sw => :west, :se => :sw }
189   def initialize( directions, type )
190     @type = type
191     @rotations = Array.new();
192     @map = {}
194     generate_rotations( directions )
195     directions.collect! { | value | @@flip_converter[value] }
196     generate_rotations( directions )
198     # creates the masks AND a map that returns [location, rotation] for any given mask
199     # this is used when a board is found and we want to draw it, otherwise the map is unused
200     @masks = Array.new();
201     0.upto(59) do | i |
202       even = true
203       @masks[i] = @rotations.collect do | rotation |
204         mask = rotation.start_masks[i]
205         @map[mask[0]] = [ i, rotation ] if (mask)
206         mask || nil
207       end
208       @masks[i].compact!
209     end
210   end
212   # rotates a set of directions through all six angles and adds a Rotation to the list for each one
213   def generate_rotations( directions )
214     6.times do
215       rotations.push( Rotation.new(directions))
216       directions.collect! { | value | @@rotate_converter[value] }
217     end
218   end
220   # given a board string, adds this piece to the board at whatever location/rotation
221   # important: the outbound board string is 5 wide, the normal location notation is six wide (padded)
222   def fill_string( board_string)
223     location, rotation = @map[@placed]
224     rotation.offsets(location).each do | offset |
225       row, col = offset.divmod(6)
226       board_string[ row*5 + col, 1 ] = @type.to_s
227     end
228   end
231 # a blank bit board having this form:
233 #    0 0 0 0 0 1
234 #     0 0 0 0 0 1
235 #    0 0 0 0 0 1
236 #     0 0 0 0 0 1
237 #    0 0 0 0 0 1
238 #     0 0 0 0 0 1
239 #    0 0 0 0 0 1
240 #     0 0 0 0 0 1
241 #    0 0 0 0 0 1
242 #     0 0 0 0 0 1
243 #    1 1 1 1 1 1
245 # where left lest significant bit is the top left and the most significant is the lower right
246 # the actual board only consists of the 0 places, the 1 places are blockers to keep things from running
247 # off the edges or bottom
248 def blank_board
249   0b111111100000100000100000100000100000100000100000100000100000100000
252 def full_board
253   0b111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111
256 # determines if a location (bit position) is in an even row
257 def is_even( location)
258   (location % 12) < 6
261 # support function that create three utility maps:
262 #  $converter -- for each row an array that maps a five bit row (via array mapping)
263 #                to the a five bit representation of the bits below it
264 #  $bit_count -- maps a five bit row (via array mapping) to the number of 1s in the row
265 #  @@new_regions -- maps a five bit row (via array mapping) to an array of "region" arrays
266 #                   a region array has three values the first is a mask of bits in the region,
267 #                   the second is the count of those bits and the third is identical to the first
268 #                   examples:
269 #                           0b10010 => [ 0b01100, 2, 0b01100 ], [ 0b00001, 1, 0b00001]
270 #                           0b01010 => [ 0b10000, 1, 0b10000 ], [ 0b00100, 1, 0b00100 ], [ 0b00001, 1, 0b00001]
271 #                           0b10001 => [ 0b01110, 3, 0b01110 ]
272 def create_collector_support
273   odd_map = [0b11, 0b110, 0b1100, 0b11000, 0b10000]
274   even_map = [0b1, 0b11, 0b110, 0b1100, 0b11000]
276   all_odds = Array.new(0b100000)
277   all_evens = Array.new(0b100000)
278   bit_counts = Array.new(0b100000)
279   new_regions = Array.new(0b100000)
280   0.upto(0b11111) do | i |
281     bit_count = odd = even = 0
282     0.upto(4) do | bit |
283       if (i[bit] == 1) then
284         bit_count += 1
285         odd |= odd_map[bit]
286         even |= even_map[bit]
287       end
288     end
289     all_odds[i] = odd
290     all_evens[i] = even
291     bit_counts[i] = bit_count
292     new_regions[i] = create_regions( i)
293   end
295   $converter = []
296   10.times { | row | $converter.push((row % 2 == 0) ? all_evens : all_odds) }
297   $bit_counts = bit_counts
298   $regions = new_regions.collect { | set | set.collect { | value | [ value, bit_counts[value], value] } }
301 # determines if a board is punable, meaning that there is no possibility that it
302 # can be filled up with pieces.  A board is prunable if there is a grouping of unfilled spaces
303 # that are not a multiple of five.  The following board is an example of a prunable board:
304 #    0 0 1 0 0
305 #     0 1 0 0 0
306 #    1 1 0 0 0
307 #     0 1 0 0 0
308 #    0 0 0 0 0
309 #       ...
311 # This board is prunable because the top left corner is only 3 bits in area, no piece will ever fit it
312 # parameters:
313 #   board -- an initial bit board (6 bit padded rows, see blank_board for format)
314 #   location -- starting location, everything above and to the left is already full
315 #   slotting -- set to true only when testing initial pieces, when filling normally
316 #               additional assumptions are possible
318 # Algorithm:
319 #    The algorithm starts at the top row (as determined by location) and iterates a row at a time
320 #    maintainng counts of active open areas (kept in the collector array) each collector contains
321 #    three values at the start of an iteration:
322 #          0: mask of bits that would be adjacent to the collector in this row
323 #          1: the number of bits collected so far
324 #          2: a scratch space starting as zero, but used during the computation to represent
325 #             the empty bits in the new row that are adjacent (position 0)
326 #  The exact procedure is described in-code
327 def prunable( board, location, slotting = false)
328   collectors = []
329   # loop across the rows
330   (location / 6).to_i.upto(9) do | row_on |
331     # obtain a set of regions representing the bits of the current row.
332     regions = $regions[(board >> (row_on * 6)) & 0b11111]
333     converter = $converter[row_on]
335     # track the number of collectors at the start of the cycle so that
336     # we don't compute against newly created collectors, only existing collectors
337     initial_collector_count = collectors.length
339     # loop against the regions.  For each region of the row
340     # we will see if it connects to one or more existing collectors.
341     # if it connects to 1 collector, the bits from the region are added to the
342     # bits of the collector and the mask is placed in collector[2]
343     # If the region overlaps more than one collector then all the collectors
344     # it overlaps with are merged into the first one (the others are set to nil in the array)
345     # if NO collectors are found then the region is copied as a new collector
346     regions.each do | region |
347       collector_found = nil
348       region_mask = region[2]
349       initial_collector_count.times do | collector_num |
350         collector = collectors[collector_num]
351         if (collector) then
352           collector_mask = collector[0]
353           if (collector_mask & region_mask != 0) then
354             if (collector_found) then
355               collector_found[0] |= collector_mask
356               collector_found[1] += collector[1]
357               collector_found[2] |= collector[2]
358               collectors[collector_num] = nil
359             else
360               collector_found = collector
361               collector[1] += region[1]
362               collector[2] |= region_mask
363             end
364           end
365         end
366       end
367       if (collector_found == nil) then
368         collectors.push(Array.new(region))
369       end
370     end
372     # check the existing collectors, if any collector overlapped no bits in the region its [2] value will
373     # be zero.  The size of any such reaason is tested if it is not a multiple of five true is returned since
374     # the board is prunable.  if it is a multiple of five it is removed.
375     # Collector that are still active have a new adjacent value [0] set based n the matched bits
376     # and have [2] cleared out for the next cycle.
377     collectors.length.times do | collector_num |
378       collector = collectors[collector_num]
379       if (collector) then
380         if (collector[2] == 0) then
381           return true if (collector[1] % 5 != 0)
382           collectors[collector_num] = nil
383         else
384           # if a collector matches all bits in the row then we can return unprunable early for the
385           # following reasons:
386           #    1) there can be no more unavailable bits bince we fill from the top left downward
387           #    2) all previous regions have been closed or joined so only this region can fail
388           #    3) this region must be good since there can never be only 1 region that is nuot
389           #       a multiple of five
390           # this rule only applies when filling normally, so we ignore the rule if we are "slotting"
391           # in pieces to see what configurations work for them (the only other time this algorithm is used).
392           return false if (collector[2] == 0b11111 && !slotting)
393           collector[0] = converter[collector[2]]
394           collector[2] = 0
395         end
396       end
397     end
399     # get rid of all the empty converters for the next round
400     collectors.compact!
401   end
402   return false if (collectors.length <= 1) # 1 collector or less and the region is fine
403   collectors.any? { | collector | (collector[1] % 5) != 0 } # more than 1 and we test them all for bad size
406 # creates a region given a row mask.  see prunable for what a "region" is
407 def create_regions( value )
408   regions = []
409   cur_region = 0
410   5.times do | bit |
411     if (value[bit] == 0) then
412       cur_region |= 1 << bit
413     else
414       if (cur_region != 0 ) then
415         regions.push( cur_region)
416         cur_region = 0;
417       end
418     end
419   end
420   regions.push(cur_region) if (cur_region != 0)
421   regions
424 # find up to the counted number of solutions (or all solutions) and prints the final result
425 def find_all
426   find_top( 1)
427   find_top( 0)
428   print_results
431 # show the board
432 def print_results
433   print "#{@boards_found} solutions found\n\n"
434   print_full_board( @min_board)
435   print "\n"
436   print_full_board( @max_board)
437   print "\n"
440 # finds solutions.  This special version of the main function is only used for the top level
441 # the reason for it is basically to force a particular ordering on how the rotations are tested for
442 # the first piece.  It is called twice, first looking for placements of the odd rotations and then
443 # looking for placements of the even locations.
445 # WHY?
446 #   Since any found solution has an inverse we want to maximize finding solutions that are not already found
447 #   as an inverse.  The inverse will ALWAYS be 3 one of the piece configurations that is exactly 3 rotations away
448 #   (an odd number).  Checking even vs odd then produces a higher probability of finding more pieces earlier
449 #   in the cycle.  We still need to keep checking all the permutations, but our probability of finding one will
450 #   diminish over time.  Since we are TOLD how many to search for this lets us exit before checking all pieces
451 #   this bennifit is very great when seeking small numbers of solutions and is 0 when looking for more than the
452 #   maximum number
453 def find_top( rotation_skip)
454   board = blank_board
455   (@pieces.length-1).times do
456     piece = @pieces.shift
457     piece.masks[0].each do | mask, imask, cmask |
458       if ((rotation_skip += 1) % 2 == 0) then
459         piece.placed = mask
460         find( 1, 1, board | mask)
461       end
462     end
463     @pieces.push(piece)
464   end
465   piece = @pieces.shift
466   @pieces.push(piece)
469 # the normail find routine, iterates through the available pieces, checks all rotations at the current location
470 # and adds any boards found.  depth is achieved via recursion.  the overall approach is described
471 # here: http://www-128.ibm.com/developerworks/java/library/j-javaopt/
472 # parameters:
473 #  start_location -- where to start looking for place for the next piece at
474 #  placed -- number of pieces placed
475 #  board -- current state of the board
477 # see in-code comments
478 def find( start_location, placed, board)
479   # find the next location to place a piece by looking for an empty bit
480   while board[start_location] == 1
481     start_location += 1
482   end
484   @pieces.length.times do
485     piece = @pieces.shift
486     piece.masks[start_location].each do | mask, imask, cmask |
487       if ( board & cmask == imask) then
488         piece.placed = mask
489         if (placed == 9) then
490           add_board
491         else
492           find( start_location + 1, placed + 1, board | mask)
493         end
494       end
495     end
496     @pieces.push(piece)
497   end
500 # print the board
501 def print_full_board( board_string)
502   10.times do | row |
503     print " " if (row % 2 == 1)
504     5.times do | col |
505       print "#{board_string[row*5 + col,1]} "
506     end
507     print "\n"
508   end
511 # when a board is found we "draw it" into a string and then flip that string, adding both to
512 # the list (hash) of solutions if they are unique.
513 def add_board
514   board_string = "99999999999999999999999999999999999999999999999999"
515   @all_pieces.each {  | piece | piece.fill_string( board_string ) }
516   save( board_string)
517   save( board_string.reverse)
520 # adds a board string to the list (if new) and updates the current best/worst board
521 def save( board_string)
522   if (@all_boards[board_string] == nil) then
523     @min_board = board_string if (board_string < @min_board)
524     @max_board = board_string if (board_string > @max_board)
525     @all_boards.store(board_string,true)
526     @boards_found += 1
528     # the exit motif is a time saver.  Ideally the function should return, but those tests
529     # take noticeable time (performance).
530     if (@boards_found == @stop_count) then
531       print_results
532       exit(0)
533     end
534   end
539 ## MAIN BODY :)
541 create_collector_support
542 @pieces = [
543   Piece.new( [ :nw, :ne, :east, :east ], 2),
544   Piece.new( [ :ne, :se, :east, :ne ], 7),
545   Piece.new( [ :ne, :east, :ne, :nw ], 1),
546   Piece.new( [ :east, :sw, :sw, :se ], 6),
547   Piece.new( [ :east, :ne, :se, :ne ], 5),
548   Piece.new( [ :east, :east, :east, :se ], 0),
549   Piece.new( [ :ne, :nw, :se, :east, :se ], 4),
550   Piece.new( [ :se, :se, :se, :west ], 9),
551   Piece.new( [ :se, :se, :east, :se ], 8),
552   Piece.new( [ :east, :east, :sw, :se ], 3)
553   ];
555 @all_pieces = Array.new( @pieces)
557 @min_board = "99999999999999999999999999999999999999999999999999"
558 @max_board = "00000000000000000000000000000000000000000000000000"
559 @stop_count = ARGV[0].to_i || 2089
560 @all_boards = {}
561 @boards_found = 0
563 find_all ######## DO IT!!!