minimise.c

   1 /*
   2  * use of GSL
   3  */
   4
   5   /* We want to do multidimensional minimisation.
   6    *
   7    * We don't think there are any local minima.  Or at least, if there
   8    * are, the local minimum which will be found from the starting
   9    * state is the one we want.
  10    *
  11    * We don't want to try to provide a derivative of the cost
  12    * function.  That's too tedious (and anyway the polynomial
  13    * approximation to our our cost function sometimes has high degree
  14    * in the inputs which means the quadratic model implied by most of
  15    * the gradient descent minimisers is not ideal).
  16    *
  17    * This eliminates most of the algorithms.  Nelder and Mead's
  18    * simplex algorithm is still available and we will try that.
  19    *
  20    * In our application we are searching for the optimal locations of
  21    * N actualvertices in D3 (3) dimensions - ie, we are searching for
  22    * the optimal metapoint in an N*D3-dimensional space.
  23    *
  24    * So eg with X=Y=100, the simplex will contain 300 metavertices
  25    * each of which is an array of 300 doubles for the actualvertex
  26    * coordinates.  Hopefully this won't be too slow ...
  27    */
  28
  29 #include "common.h"
  30
  31 #include <gsl/gsl_errno.h>
  32 #include <gsl/gsl_multimin.h>
  33
  34 #include <signal.h>
  35 #include <sys/time.h>
  36
  37 #include "half.h"
  38 #include "minimise.h"
  39
  40 const char *input_file, *best_file;
  41 char *best_file_tmp;
  42 long long evaluations;
  43 double stop_epsilon= 1e-20;
  44
  45 static void printing_init(void);
  46
  47 static gsl_multimin_fminimizer *minimiser;
  48 static const char *final_file;
  49 static char *final_file_tmp;
  50
  51 static double minfunc_f(const gsl_vector *x, void *params) {
  52   struct Vertices vs;
  53
  54   assert(x->size == DIM);
  55   assert(x->stride == 1);
  56   map_dimensions(x->data, vs.a);
  57   return compute_energy(&vs);
  58 }
  59
  60 static void badusage(void) {
  61   fputs("usage: minimise <input> [-i<intermediate>] -o<output\n",stderr);
  62   exit(8);
  63 }
  64
  65 int main(int argc, const char *const *argv) {
  66   gsl_multimin_function multimin_function;
  67   double size;
  68   struct Vertices initial_full;
  69   double initial_half[DIM], step_size[DIM];
  70   FILE *initial_f;
  71   gsl_vector initial_gsl, step_size_gsl;
  72   int r, i;
  73
  74   if (argc==3) {
  75     input_file= argv[1];
  76     if (strncmp(argv[2],"-o",2)) badusage();   best_file= argv[2]+2;
  77     final_file= 0;
  78   } else if (argc==4) {
  79     input_file= argv[1];
  80     if (strncmp(argv[2],"-i",2)) badusage();   best_file= argv[2]+2;
  81     if (strncmp(argv[3],"-o",2)) badusage();   final_file= argv[3]+2;
  82   } else {
  83     badusage();
  84   }
  85   if (argv[1][0]=='-') badusage();
  86
  87   if (asprintf(&best_file_tmp,"%s.new",best_file) <= 0) diee("asprintf");
  88   if (final_file)
  89     if (asprintf(&final_file_tmp,"%s.new",final_file) <= 0) diee("asprintf");
  90
  91   graph_layout_prepare();
  92   printing_init();
  93   energy_init();
  94
  95   printf("X=%d=0x%x  Y=%d=0x%x  DIM=%d\n",X,X,Y,Y,DIM);
  96
  97   minimiser= gsl_multimin_fminimizer_alloc
  98     (gsl_multimin_fminimizer_nmsimplex, DIM);
  99   if (!minimiser) { perror("alloc minimiser"); exit(-1); }
 100
 101   multimin_function.f= minfunc_f;
 102   multimin_function.n= DIM;
 103   multimin_function.params= 0;
 104
 105   initial_f= fopen(input_file,"rb");  if (!initial_f) diee("fopen initial");
 106   errno= 0; r= fread(&initial_full,sizeof(initial_full),1,initial_f);
 107   if (r!=1) diee("fread");
 108   fclose(initial_f);
 109
 110   pmap_dimensions(&initial_full);
 111   unmap_dimensions(initial_half,&initial_full);
 112   for (i=0; i<DIM; i++) step_size[i]= 0.03;
 113
 114   initial_gsl.size= DIM;
 115   initial_gsl.stride= 1;
 116   initial_gsl.block= 0;
 117   initial_gsl.owner= 0;
 118   step_size_gsl= initial_gsl;
 119
 120   initial_gsl.data= initial_half;
 121   step_size_gsl.data= step_size;
 122
 123   GA( gsl_multimin_fminimizer_set(minimiser, &multimin_function,
 124                                   &initial_gsl, &step_size_gsl) );
 125
 126   for (;;) {
 127     GA( gsl_multimin_fminimizer_iterate(minimiser) );
 128
 129     size= gsl_multimin_fminimizer_size(minimiser);
 130     r= gsl_multimin_test_size(size, stop_epsilon);
 131
 132     if (printing_check(pr_size,215))
 133       printf("r=%2d, size %# e\n", r, size);
 134     flushoutput();
 135
 136     if (r==GSL_SUCCESS) break;
 137     assert(r==GSL_CONTINUE);
 138   }
 139
 140   if (final_file) {
 141     if (unlink(final_file_tmp) && errno != ENOENT) diee("unlink final .tmp");
 142     if (link(best_file,final_file_tmp)) diee("link final .tmp");
 143     if (rename(final_file_tmp,final_file)) diee("install final");
 144   }
 145   printf("FINISHED (%lld evaluations)\n",evaluations);
 146
 147   return 0;
 148 }
 149
 150 /*---------- printing rate limit ----------*/
 151
 152 static volatile unsigned print_todo;
 153 static sigset_t print_alarmset;
 154
 155 int printing_check(enum printing_instance which, int indent) {
 156   static int skipped[pr__max];
 157
 158   unsigned bits= 1u << which;
 159   int sk;
 160
 161   if (!(print_todo & bits)) {
 162     skipped[which]++;
 163     return 0;;
 164   }
 165
 166   sigprocmask(SIG_BLOCK,&print_alarmset,0);
 167   print_todo &= ~bits;
 168   sigprocmask(SIG_UNBLOCK,&print_alarmset,0);
 169
 170   printf("%*s",indent,"");
 171   sk= skipped[which];
 172   if (sk) printf("[%4d] ",sk);
 173   else printf("      ");
 174   skipped[which]= 0;
 175
 176   return 1;
 177 }
 178
 179 static void alarmhandler(int ignored) {
 180   print_todo= ~0u;
 181 }
 182
 183 static void printing_init(void) {
 184   struct sigaction sa;
 185   struct itimerval itv;
 186
 187   sigemptyset(&print_alarmset);
 188   sigaddset(&print_alarmset,SIGALRM);
 189
 190   sa.sa_handler= alarmhandler;
 191   sa.sa_mask= print_alarmset;
 192   sa.sa_flags= SA_RESTART;
 193   if (sigaction(SIGALRM,&sa,0)) diee("sigaction ALRM");
 194
 195   itv.it_interval.tv_sec= 0;
 196   itv.it_interval.tv_usec= 200000;
 197   itv.it_value= itv.it_interval;
 198
 199   if (setitimer(ITIMER_REAL,&itv,0)) diee("setitimer REAL");
 200
 201   raise(SIGALRM);
 202 }