octave/nlopt_optimize-mex.c

   1 /* Copyright (c) 2007-2010 Massachusetts Institute of Technology
   2  *
   3  * Permission is hereby granted, free of charge, to any person obtaining
   4  * a copy of this software and associated documentation files (the
   5  * "Software"), to deal in the Software without restriction, including
   6  * without limitation the rights to use, copy, modify, merge, publish,
   7  * distribute, sublicense, and/or sell copies of the Software, and to
   8  * permit persons to whom the Software is furnished to do so, subject to
   9  * the following conditions:
  10  *
  11  * The above copyright notice and this permission notice shall be
  12  * included in all copies or substantial portions of the Software.
  13  *
  14  * THE SOFTWARE IS PROVIDED "AS IS", WITHOUT WARRANTY OF ANY KIND,
  15  * EXPRESS OR IMPLIED, INCLUDING BUT NOT LIMITED TO THE WARRANTIES OF
  16  * MERCHANTABILITY, FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE AND
  17  * NONINFRINGEMENT. IN NO EVENT SHALL THE AUTHORS OR COPYRIGHT HOLDERS BE
  18  * LIABLE FOR ANY CLAIM, DAMAGES OR OTHER LIABILITY, WHETHER IN AN ACTION
  19  * OF CONTRACT, TORT OR OTHERWISE, ARISING FROM, OUT OF OR IN CONNECTION
  20  * WITH THE SOFTWARE OR THE USE OR OTHER DEALINGS IN THE SOFTWARE.
  21  */
  22
  23 /* Matlab MEX interface to NLopt, and in particular to nlopt_optimize */
  24
  25 #include <stdio.h>
  26 #include <stdlib.h>
  27 #include <string.h>
  28 #include <math.h>
  29 #include <mex.h>
  30
  31 #include "nlopt.h"
  32
  33 #define CHECK0(cond, msg) if (!(cond)) mexErrMsgTxt(msg);
  34
  35 static double struct_val_default(const mxArray *s, const char *name, double dflt)
  36 {
  37      mxArray *val = mxGetField(s, 0, name);
  38      if (val) {
  39           CHECK0(mxIsNumeric(val) && !mxIsComplex(val)
  40                 && mxGetM(val) * mxGetN(val) == 1,
  41                 "opt fields, other than xtol_abs, must be real scalars");
  42           return mxGetScalar(val);
  43      }
  44      return dflt;
  45 }
  46
  47 static double *struct_arrval(const mxArray *s, const char *name, unsigned n,
  48                              double *dflt)
  49 {
  50      mxArray *val = mxGetField(s, 0, name);
  51      if (val) {
  52           CHECK0(mxIsNumeric(val) && !mxIsComplex(val)
  53                 && mxGetM(val) * mxGetN(val) == n,
  54                 "opt vector field is not of length n");
  55           return mxGetPr(val);
  56      }
  57      return dflt;
  58 }
  59
  60 static mxArray *struct_funcval(const mxArray *s, const char *name)
  61 {
  62      mxArray *val = mxGetField(s, 0, name);
  63      if (val) {
  64           CHECK0(mxIsChar(val) || mxIsFunctionHandle(val),
  65                  "opt function field is not a function handle/name");
  66           return val;
  67      }
  68      return NULL;
  69 }
  70
  71 static double *fill(double *arr, unsigned n, double val)
  72 {
  73      unsigned i;
  74      for (i = 0; i < n; ++i) arr[i] = val;
  75      return arr;
  76 }
  77
  78 #define FLEN 128 /* max length of user function name */
  79 #define MAXRHS 2 /* max nrhs for user function */
  80 typedef struct {
  81      char f[FLEN];
  82      mxArray *plhs[2];
  83      mxArray *prhs[MAXRHS];
  84      int xrhs, nrhs;
  85      int verbose, neval;
  86 } user_function_data;
  87
  88 static double user_function(unsigned n, const double *x,
  89                             double *gradient, /* NULL if not needed */
  90                             void *d_)
  91 {
  92   user_function_data *d = (user_function_data *) d_;
  93   double f;
  94
  95   d->plhs[0] = d->plhs[1] = NULL;
  96   memcpy(mxGetPr(d->prhs[d->xrhs]), x, n * sizeof(double));
  97
  98   CHECK0(0 == mexCallMATLAB(gradient ? 2 : 1, d->plhs,
  99                            d->nrhs, d->prhs, d->f),
 100         "error calling user function");
 101
 102   CHECK0(mxIsNumeric(d->plhs[0]) && !mxIsComplex(d->plhs[0])
 103         && mxGetM(d->plhs[0]) * mxGetN(d->plhs[0]) == 1,
 104         "user function must return real scalar");
 105   f = mxGetScalar(d->plhs[0]);
 106   mxDestroyArray(d->plhs[0]);
 107   if (gradient) {
 108      CHECK0(mxIsDouble(d->plhs[1]) && !mxIsComplex(d->plhs[1])
 109            && (mxGetM(d->plhs[1]) == 1 || mxGetN(d->plhs[1]) == 1)
 110            && mxGetM(d->plhs[1]) * mxGetN(d->plhs[1]) == n,
 111            "gradient vector from user function is the wrong size");
 112      memcpy(gradient, mxGetPr(d->plhs[1]), n * sizeof(double));
 113      mxDestroyArray(d->plhs[1]);
 114   }
 115   d->neval++;
 116   if (d->verbose) mexPrintf("nlopt_optimize eval #%d: %g\n", d->neval, f);
 117   return f;
 118 }
 119
 120 #define CHECK1(cond, msg) if (!(cond)) { mxFree(tmp); nlopt_destroy(opt); nlopt_destroy(local_opt); mexWarnMsgTxt(msg); return NULL; };
 121
 122 nlopt_opt make_opt(const mxArray *opts, unsigned n)
 123 {
 124      nlopt_opt opt = NULL, local_opt = NULL;
 125      nlopt_algorithm algorithm;
 126      double *tmp = NULL;
 127      unsigned i;
 128
 129      algorithm = (nlopt_algorithm)
 130           struct_val_default(opts, "algorithm", NLOPT_NUM_ALGORITHMS);
 131      CHECK1(((int)algorithm) >= 0 && algorithm < NLOPT_NUM_ALGORITHMS,
 132             "invalid opt.algorithm");
 133
 134      tmp = (double *) mxCalloc(n, sizeof(double));
 135      opt = nlopt_create(algorithm, n);
 136      CHECK1(opt, "nlopt: out of memory");
 137
 138      nlopt_set_lower_bounds(opt, struct_arrval(opts, "lower_bounds", n,
 139                                                fill(tmp, n, -HUGE_VAL)));
 140      nlopt_set_upper_bounds(opt, struct_arrval(opts, "upper_bounds", n,
 141                                                fill(tmp, n, +HUGE_VAL)));
 142
 143      nlopt_set_stopval(opt, struct_val_default(opts, "stopval", -HUGE_VAL));
 144      nlopt_set_ftol_rel(opt, struct_val_default(opts, "ftol_rel", 0.0));
 145      nlopt_set_ftol_abs(opt, struct_val_default(opts, "ftol_abs", 0.0));
 146      nlopt_set_xtol_rel(opt, struct_val_default(opts, "xtol_rel", 0.0));
 147      nlopt_set_xtol_abs(opt, struct_arrval(opts, "xtol_abs", n,
 148                                            fill(tmp, n, 0.0)));
 149      nlopt_set_maxeval(opt, struct_val_default(opts, "maxeval", 0.0) < 0 ?
 150                        0 : struct_val_default(opts, "maxeval", 0.0));
 151      nlopt_set_maxtime(opt, struct_val_default(opts, "maxtime", 0.0));
 152
 153      nlopt_set_population(opt, struct_val_default(opts, "population", 0));
 154      nlopt_set_vector_storage(opt, struct_val_default(opts, "vector_storage", 0));
 155
 156      if (struct_arrval(opts, "initial_step", n, NULL))
 157           nlopt_set_initial_step(opt,
 158                                  struct_arrval(opts, "initial_step", n, NULL));
 159
 160      if (mxGetField(opts, 0, "local_optimizer")) {
 161           const mxArray *local_opts = mxGetField(opts, 0, "local_optimizer");
 162           CHECK1(mxIsStruct(local_opts),
 163                  "opt.local_optimizer must be a structure");
 164           CHECK1(local_opt = make_opt(local_opts, n),
 165                  "error initializing local optimizer");
 166           nlopt_set_local_optimizer(opt, local_opt);
 167           nlopt_destroy(local_opt); local_opt = NULL;
 168      }
 169
 170      mxFree(tmp);
 171      return opt;
 172 }
 173
 174 #define CHECK(cond, msg) if (!(cond)) { mxFree(dh); mxFree(dfc); nlopt_destroy(opt); mexErrMsgTxt(msg); }
 175
 176 void mexFunction(int nlhs, mxArray *plhs[],
 177                  int nrhs, const mxArray *prhs[])
 178 {
 179      unsigned n;
 180      double *x, *x0, opt_f;
 181      nlopt_result ret;
 182      mxArray *x_mx, *mx;
 183      user_function_data d, *dfc = NULL, *dh = NULL;
 184      nlopt_opt opt = NULL;
 185
 186      CHECK(nrhs == 2 && nlhs <= 3, "wrong number of arguments");
 187
 188      /* options = prhs[0] */
 189      CHECK(mxIsStruct(prhs[0]), "opt must be a struct");
 190
 191      /* x0 = prhs[1] */
 192      CHECK(mxIsDouble(prhs[1]) && !mxIsComplex(prhs[1])
 193            && (mxGetM(prhs[1]) == 1 || mxGetN(prhs[1]) == 1),
 194            "x must be real row or column vector");
 195      n = mxGetM(prhs[1]) * mxGetN(prhs[1]),
 196      x0 = mxGetPr(prhs[1]);
 197
 198      CHECK(opt = make_opt(prhs[0], n), "error initializing nlopt options");
 199
 200      d.neval = 0;
 201      d.verbose = (int) struct_val_default(prhs[0], "verbose", 0);
 202
 203      /* function f = prhs[1] */
 204      mx = struct_funcval(prhs[0], "min_objective");
 205      if (!mx) mx = struct_funcval(prhs[0], "max_objective");
 206      CHECK(mx, "either opt.min_objective or opt.max_objective must exist");
 207      if (mxIsChar(mx)) {
 208           CHECK(mxGetString(mx, d.f, FLEN) == 0,
 209                 "error reading function name string (too long?)");
 210           d.nrhs = 1;
 211           d.xrhs = 0;
 212      }
 213      else {
 214           d.prhs[0] = mx;
 215           strcpy(d.f, "feval");
 216           d.nrhs = 2;
 217           d.xrhs = 1;
 218      }
 219      d.prhs[d.xrhs] = mxCreateDoubleMatrix(1, n, mxREAL);
 220      if (struct_funcval(prhs[0], "min_objective"))
 221           nlopt_set_min_objective(opt, user_function, &d);
 222      else
 223           nlopt_set_max_objective(opt, user_function, &d);
 224
 225
 226      if ((mx = mxGetField(prhs[0], 0, "fc"))) {
 227           int j, m;
 228           double *fc_tol;
 229
 230           CHECK(mxIsCell(mx), "fc must be a Cell array");
 231           m = mxGetM(mx) * mxGetN(mx);;
 232           dfc = (user_function_data *) mxCalloc(m, sizeof(user_function_data));
 233           fc_tol = struct_arrval(prhs[0], "fc_tol", m, NULL);
 234
 235           for (j = 0; j < m; ++j) {
 236                mxArray *fc = mxGetCell(mx, j);
 237                CHECK(mxIsChar(fc) || mxIsFunctionHandle(fc),
 238                      "fc must contain function handles or function names");
 239                if (mxIsChar(fc)) {
 240                     CHECK(mxGetString(fc, dfc[j].f, FLEN) == 0,
 241                      "error reading function name string (too long?)");
 242                     dfc[j].nrhs = 1;
 243                     dfc[j].xrhs = 0;
 244                }
 245                else {
 246                     dfc[j].prhs[0] = fc;
 247                     strcpy(dfc[j].f, "feval");
 248                     dfc[j].nrhs = 2;
 249                     dfc[j].xrhs = 1;
 250                }
 251                dfc[j].verbose = d.verbose > 1;
 252                dfc[j].neval = 0;
 253                dfc[j].prhs[dfc[j].xrhs] = d.prhs[d.xrhs];
 254                CHECK(nlopt_add_inequality_constraint(opt, user_function,
 255                                                      dfc + j,
 256                                                      fc_tol ? fc_tol[j] : 0)
 257                      > 0, "nlopt error adding inequality constraint");
 258           }
 259      }
 260
 261
 262      if ((mx = mxGetField(prhs[0], 0, "h"))) {
 263           int j, m;
 264           double *h_tol;
 265
 266           CHECK(mxIsCell(mx), "h must be a Cell array");
 267           m = mxGetM(mx) * mxGetN(mx);;
 268           dh = (user_function_data *) mxCalloc(m, sizeof(user_function_data));
 269           h_tol = struct_arrval(prhs[0], "h_tol", m, NULL);
 270
 271           for (j = 0; j < m; ++j) {
 272                mxArray *h = mxGetCell(mx, j);
 273                CHECK(mxIsChar(h) || mxIsFunctionHandle(h),
 274                      "h must contain function handles or function names");
 275                if (mxIsChar(h)) {
 276                     CHECK(mxGetString(h, dh[j].f, FLEN) == 0,
 277                      "error reading function name string (too long?)");
 278                     dh[j].nrhs = 1;
 279                     dh[j].xrhs = 0;
 280                }
 281                else {
 282                     dh[j].prhs[0] = h;
 283                     strcpy(dh[j].f, "feval");
 284                     dh[j].nrhs = 2;
 285                     dh[j].xrhs = 1;
 286                }
 287                dh[j].verbose = d.verbose > 1;
 288                dh[j].neval = 0;
 289                dh[j].prhs[dh[j].xrhs] = d.prhs[d.xrhs];
 290                CHECK(nlopt_add_equality_constraint(opt, user_function,
 291                                                      dh + j,
 292                                                    h_tol ? h_tol[j] : 0)
 293                      > 0, "nlopt error adding equality constraint");
 294           }
 295      }
 296
 297
 298      x_mx = mxCreateDoubleMatrix(mxGetM(prhs[1]), mxGetN(prhs[1]), mxREAL);
 299      x = mxGetPr(x_mx);
 300      memcpy(x, x0, sizeof(double) * n);
 301
 302      ret = nlopt_optimize(opt, x, &opt_f);
 303
 304      mxFree(dh);
 305      mxFree(dfc);
 306      mxDestroyArray(d.prhs[d.xrhs]);
 307      nlopt_destroy(opt);
 308
 309      plhs[0] = x_mx;
 310      if (nlhs > 1) {
 311           plhs[1] = mxCreateDoubleMatrix(1, 1, mxREAL);
 312           *(mxGetPr(plhs[1])) = opt_f;
 313      }
 314      if (nlhs > 2) {
 315           plhs[2] = mxCreateDoubleMatrix(1, 1, mxREAL);
 316           *(mxGetPr(plhs[2])) = (int) ret;
 317      }
 318 }