【ortools 源码系列10】模型求解cp-sat solve源码分析

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已于 2023-12-14 00:11:18 修改 · 1.3k 阅读

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#算法 #数学建模

于 2023-12-14 00:09:36 首次发布

本文详细分析了ortools库中Model类的功能和用法，包括添加约束、获取对象等方法，以及SolveCpModel函数的实现步骤，如参数设置、模型验证和求解过程。通过对源码的解读，有助于理解如何构建和求解CP模型。

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ortools整数规划模型求解cp-sat solve源码分析

求解模型入口代码

CpSolverResponse Solve(const CpModelProto& model_proto) {
   
   
  Model model;
  return SolveCpModel(model_proto, &model);
}

1.class Model

功能

该源码为OR-Tools库中的Model类，用于拥有和管理一个优化模型。Model类提供了一些功能，包括：

可以给模型命名，方便调试和记录。
可以通过Add函数向模型添加约束，并支持返回约束对象的模板函数。
可以通过GetOrCreate函数获取模型中的单例对象，并支持返回对象的可变和不可变版本。
可以通过TakeOwnership函数将指针的所有权交给模型，由模型负责在销毁时释放内存。
可以通过Create函数创建一个非单例对象，并自动将其所有权交给模型。
可以通过Register函数注册一个非拥有的类作为模型中的单例对象。

总之，Model类为优化模型提供了管理和维护的功能，使得构建和操作优化模型更加方便和灵活。

用法

Model(): 默认构造函数，创建一个空的Model对象。用于初始化一个新的模型。
~Model(): 析构函数，释放Model对象及其所有拥有的资源。在销毁Model对象时调用，确保释放所有的资源。
Model(std::string name): 带名称的构造函数，创建一个具有指定名称的Model对象。可用于给模型命名，方便调试和记录。
template <typename T> T Add(std::function<T(Model*)> f): 向模型中添加约束或其他元素的方法。接受一个函数对象作为参数，该函数使用模型作为参数，并返回所添加的约束或元素。可以通过lambda表达式或其他函数对象来创建并添加约束。
template <typename T> T Get(std::function<T(const Model&)> f) const: 获取模型中特定类型的对象的方法。接受一个函数对象作为参数，该函数使用模型的常量引用作为参数，并返回所需的对象。可以通过lambda表达式或其他函数对象来获取对象。
template <typename T> T* GetOrCreate(): 获取模型中唯一的对象，如果对象不存在则创建一个新对象。根据对象的类型，在模型中查找是否已经存在该类型的对象实例，如果存在则返回该实例，否则创建一个新对象，并将其添加到模型中。
template <typename T> const T* Get() const: 获取模型中特定类型的不可变对象的方法。根据对象的类型，在模型中查找是否存在该类型的对象实例，如果存在则返回该实例，否则返回空指针。
template <typename T> T* Mutable() const: 获取模型中特定类型的可变对象的方法。根据对象的类型，在模型中查找是否存在该类型的对象实例，如果存在则返回该实例，否则返回空指针。可以用于修改模型中对象的状态或属性。
template <typename T> T* TakeOwnership(T* t): 将指针的所有权交给模型，由模型在销毁时释放内存。将指定的指针添加到模型的资源管理列表中，以确保在模型销毁时正确释放内存。
template <typename T> T* Create(): 创建一个非单例对象，并将其所有权交给模型。通过调用T类的构造函数来创建一个新对象，并将其添加到模型的资源管理列表中，以确保在模型销毁时正确释放内存。
template <typename T> void Register(T* non_owned_class): 注册一个非拥有的类作为模型中的单例对象。将指定的非拥有类添加到模型的单例对象映射中，以便在需要时可以获取到该对象的唯一实例。

这些方法提供了对模型的管理和操作的功能。可以使用Add方法向模型中添加约束或其他元素，使用Get方法获取模型中特定类型的对象，使用GetOrCreate方法获取或创建模型中的唯一对象，使用Mutable方法获取模型中特定类型的可变对象，使用TakeOwnership方法将指针的所有权交给模型，使用Create方法创建一个非单例对象并将其所有权交给模型，使用Register方法注册一个非拥有的类作为模型中的单例对象。这些方法提供了方便和灵活的方式来构建、操作和管理优化模型。

中文源码


namespace operations_research {
   
   
namespace sat {
   
   

/**
 * 拥有与特定优化模型相关的所有内容的类。
 *
 * 实际上，这个类是一个完全通用的包装器，可以持有任何类型的约束、监视器、求解器，
 * 并提供将它们连接在一起的机制。
 */
class Model {
   
   
 public:
  Model() {
   
   }

  ~Model() {
   
   
    // 删除的顺序似乎依赖于平台。
    // 我们强制清理向量的顺序是相反的。
    for (int i = cleanup_list_.size() - 1; i >= 0; --i) {
   
   
      cleanup_list_[i].reset();
    }
  }

  /**
   * 当应用程序中有多个模型时，为了调试或记录，给它们命名是有意义的。
   */
  explicit Model(std::string name) : name_(name) {
   
   }

  /**
   * 这使得在客户端上有一个更好的API，并且允许两种形式：
   *   - ConstraintCreationFunction(constraint_args, &model);
   *   - model.Add(ConstraintCreationFunction(constraint_args));
   *
   * 第二种形式对客户端来说更好，而且还可以存储约束并以后添加它们。然而，创建约束的函数稍微复杂一些。
   *
   * \code
   std::function<void(Model*)> ConstraintCreationFunction(constraint_args) {
     return [=] (Model* model) {
        ... 相同的代码 ...
     };
   }
   \endcode
   *
   * 对于需要的函数，我们还有一个带模板返回值的版本，例如
   * \code
   const BooleanVariable b = model.Add(NewBooleanVariable());
   const IntegerVariable i = model.Add(NewWeightedSum(weights, variables));
   \endcode
   */
  template <typename T>
  T Add(std::function<T(Model*)> f) {
   
   
    return f(this);
  }

  /// 类似于Add()，但是这个是const的。
  template <typename T>
  T Get(std::function<T(const Model&)> f) const {
   
   
    return f(*this);
  }

  /**
   * 返回一个类型为T的对象，该对象对该模型是唯一的（类似于“本地”单例）。
   * 如果需要，使用T(Model* model)构造函数创建一个已经存在的实例，
   * 否则使用T()构造函数创建一个新实例。
   *
   * 这在依赖注入框架中的工作方式上有点像，并且可以非常容易地将组成求解器的所有类连接在一起。
   * 例如，一个约束可以依赖于LiteralTrail或IntegerTrail或两者，
   * 它可以依赖于Watcher类来注册自己以便在需要时调用等等。
   *
   * 重要提示：Model*构造函数之间不应形成循环，否则这将导致程序崩溃。
   */
  template <typename T>
  T* GetOrCreate() {
   
   
    const size_t type_id = gtl::FastTypeId<T>();
    auto find = singletons_.find(type_id);
    if (find != singletons_.end()) {
   
   
      return static_cast<T*>(find->second);
    }

    // 新元素。
    // 计划（user）：直接在singletons_中存储std::unique_ptr<>？
    T* new_t = MyNew<T>(0);
    singletons_[type_id] = new_t;
    TakeOwnership(new_t);
    return new_t;
  }

  /**
   * 类似于GetOrCreate()，但是如果对象不存在，则不创建该对象。
   *
   * 返回对象的const版本。
   */
  template <typename T>
  const T* Get() const {
   
   
    const auto& it = singletons_.find(gtl::FastTypeId<T>());
    return it != singletons_.end() ? static_cast<const T*>(it->second)
                                   : nullptr;
  }

  /**
   * 与Get()相同，但返回对象的可变版本。
   */
  template <typename T>
  T* Mutable() const {
   
   
    const auto& it = singletons_.find(gtl::FastTypeId<T>());
    return it != singletons_.end() ? static_cast<T*>(it->second) : nullptr;
  }

  /**
   * 将指针所有权交给此模型。
   *
   * 当模型销毁时，它将被销毁。
   */
  template <typename T>
  T* TakeOwnership(T* t) {
   
   
    cleanup_list_.emplace_back(new Delete<T>(t));
    return t;
  }

  /**
   * 这返回一个由模型拥有且使用T(Model* model)构造函数创建的非单例对象，
   * 如果不存在则使用T()构造函数。这只是new + TakeOwnership()的快捷方式。
   */
  template <typename T>
  T* Create() {
   
   
    T* new_t = MyNew<T>(0);
    TakeOwnership(new_t);
    return new_t;
  }

  /**
   * 注册一个模型中将是“单例”的非拥有类。
   *
   * 在已经注册的类上调用此方法是错误的。
   */
  template <typename T>
  void Register(T* non_owned_class) {
   
   
    const size_t type_id = gtl::FastTypeId<T>();
    CHECK(!singletons_.contains(type_id));
    singletons_[type_id] = non_owned_class;
  }

  const std::string& Name() const {
   
    return name_; }

 private:
  // 如果在decltype()中的类型存在，则只定义第一个MyNew()。
  // 第二个MyNew()将始终被定义，但由于省略号的原因，它的优先级低于第一个MyNew()。
  template <typename T>
  decltype(T(static_cast<Model*>(nullptr)))* MyNew(int) {
   
   
    return new T(this);
  }
  template <typename T>
  T* MyNew(...) {
   
   
    return new T();
  }

  const std::string name_;

  // FastTypeId<T>到类型为T的“单例”的映射。
  absl::flat_hash_map</*typeid*/ size_t, void*> singletons_;

  struct DeleteInterface {
   
   
    virtual ~DeleteInterface() = default;
  };
  template <typename T>
  class Delete : public DeleteInterface {
   
   
   public:
    explicit Delete(T* t) : to_delete_(t) {
   
   }
    ~Delete() override = default;

   private:
    std::unique_ptr<T> to_delete_;
  };

  // 要删除的项目列表。
  //
  // 计划（user）：我认为我们不需要两层unique_ptr，但是我们对效率并不太在意，
  // 并且这更容易工作。
  std::vector<std::unique_ptr<DeleteInterface>> cleanup_list_;

  DISALLOW_COPY_AND_ASSIGN(Model);
};

}  // namespace sat
}  // namespace operations_research

#endif  // OR_TOOLS_SAT_MODEL_H_

2.SolveCpModel函数

功能

这段代码是一个求解CP模型的函数。首先，它初始化了一些计时器，并检查是否需要输出初始模型和覆盖参数。

接下来，它启用了日志记录组件，并根据参数设置是否将日志记录到标准输出和响应中。

然后，它创建了一个共享的响应管理器，并设置了响应的转储前缀。

之后，它添加了一些后处理器和响应后处理器，用于在求解完成后执行一些操作，如转储响应到文件和记录时间信息。

接着，它验证了参数的有效性，如果参数无效，则返回一个包含错误信息的响应。

然后，它从参数中初始化了时间限制。

接下来，它注册了SIGINT信号处理程序，以便在收到SIGINT信号时停止求解。

然后，它输出一些求解器的信息和参数。

接着，它更新了参数中的工作线程数。

然后，它检查是否需要打印随机数生成器的salt。

接下来，它验证了模型的有效性，如果模型无效，则返回一个包含错误信息的响应。

最后，如果模型是纯SAT问题，则调用了另一个函数来求解纯SAT模型并返回结果。

整体来说，这段代码主要是对CP模型进行求解的一系列准备工作，包括参数设置、验证、日志记录等，最后调用函数求解模型并返回结果。

步骤

SolveCpModel函数是用于求解Constraint Programming模型的主要函数。它执行以下步骤：

检查是否需要将预处理后的模型转储为文本文件，并进行转储。
检查是否需要在预处理之后停止求解，或者已达到时间限制。如果是，则返回当前状态作为最终响应。
加载模型并初始化目标域和主积分。
如果指定了完整解提示，测试其可行性并加载。
根据参数设置，检测并添加对称性约束。
根据平台选择多线程求解或顺序求解。
- 如果是多线程求解，调用SolveCpModelParallel函数进行并行求解。
- 否则，使用顺序求解：
  - 创建一个局部模型，并将时间限制、SatParameters、统计信息和响应管理器注册到该模型中。
  - 加载模型和调试解。
  - 进行快速求解或最小化L1距离（根据参数设置）。
  - 调用SolveLoadedCpModel函数进行求解。
  - 填充响应中的统计信息。
  - 如果启用日志记录，顺序记录线性规划约束的统计信息。
如果启用日志记录，记录共享统计信息。
返回最终响应。

中文源码分析

CpSolverResponse SolveCpModel(const CpModelProto& model_proto, Model* model) {
   
   
  auto* wall_timer = model->GetOrCreate<WallTimer>();
  auto* user_timer = model->GetOrCreate<UserTimer>();
  wall_timer->Start();
  user_timer->Start();

#if !defined(__PORTABLE_PLATFORM__)
#endif  // __PORTABLE_PLATFORM__

#if !defined(__PORTABLE_PLATFORM__)
  // 是否输出初始模型？
  if (absl::GetFlag(FLAGS_cp_model_dump_models)) {
   
   
    const std::string file =
        absl::StrCat(absl::GetFlag(FLAGS_cp_model_dump_prefix), "model.pb.txt");
    LOG(INFO) << "将cp模型proto