New puzzle! Or rather, new-ish, because this one has been lying around
[sgt/puzzles] / loopgen.c
diff --git a/loopgen.c b/loopgen.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..0b69904
--- /dev/null
+++ b/loopgen.c
@@ -0,0 +1,536 @@
+/*
+ * loopgen.c: loop generation functions for grid.[ch].
+ */
+
+#include <stdio.h>
+#include <stdlib.h>
+#include <stddef.h>
+#include <string.h>
+#include <assert.h>
+#include <ctype.h>
+#include <math.h>
+
+#include "puzzles.h"
+#include "tree234.h"
+#include "grid.h"
+#include "loopgen.h"
+
+
+/* We're going to store lists of current candidate faces for colouring black
+ * or white.
+ * Each face gets a 'score', which tells us how adding that face right
+ * now would affect the curliness of the solution loop.  We're trying to
+ * maximise that quantity so will bias our random selection of faces to
+ * colour those with high scores */
+struct face_score {
+    int white_score;
+    int black_score;
+    unsigned long random;
+    /* No need to store a grid_face* here.  The 'face_scores' array will
+     * be a list of 'face_score' objects, one for each face of the grid, so
+     * the position (index) within the 'face_scores' array will determine
+     * which face corresponds to a particular face_score.
+     * Having a single 'face_scores' array for all faces simplifies memory
+     * management, and probably improves performance, because we don't have to 
+     * malloc/free each individual face_score, and we don't have to maintain
+     * a mapping from grid_face* pointers to face_score* pointers.
+     */
+};
+
+static int generic_sort_cmpfn(void *v1, void *v2, size_t offset)
+{
+    struct face_score *f1 = v1;
+    struct face_score *f2 = v2;
+    int r;
+
+    r = *(int *)((char *)f2 + offset) - *(int *)((char *)f1 + offset);
+    if (r) {
+        return r;
+    }
+
+    if (f1->random < f2->random)
+        return -1;
+    else if (f1->random > f2->random)
+        return 1;
+
+    /*
+     * It's _just_ possible that two faces might have been given
+     * the same random value. In that situation, fall back to
+     * comparing based on the positions within the face_scores list.
+     * This introduces a tiny directional bias, but not a significant one.
+     */
+    return f1 - f2;
+}
+
+static int white_sort_cmpfn(void *v1, void *v2)
+{
+    return generic_sort_cmpfn(v1, v2, offsetof(struct face_score,white_score));
+}
+
+static int black_sort_cmpfn(void *v1, void *v2)
+{
+    return generic_sort_cmpfn(v1, v2, offsetof(struct face_score,black_score));
+}
+
+/* 'board' is an array of enum face_colour, indicating which faces are
+ * currently black/white/grey.  'colour' is FACE_WHITE or FACE_BLACK.
+ * Returns whether it's legal to colour the given face with this colour. */
+static int can_colour_face(grid *g, char* board, int face_index,
+                           enum face_colour colour)
+{
+    int i, j;
+    grid_face *test_face = g->faces + face_index;
+    grid_face *starting_face, *current_face;
+    grid_dot *starting_dot;
+    int transitions;
+    int current_state, s; /* booleans: equal or not-equal to 'colour' */
+    int found_same_coloured_neighbour = FALSE;
+    assert(board[face_index] != colour);
+
+    /* Can only consider a face for colouring if it's adjacent to a face
+     * with the same colour. */
+    for (i = 0; i < test_face->order; i++) {
+        grid_edge *e = test_face->edges[i];
+        grid_face *f = (e->face1 == test_face) ? e->face2 : e->face1;
+        if (FACE_COLOUR(f) == colour) {
+            found_same_coloured_neighbour = TRUE;
+            break;
+        }
+    }
+    if (!found_same_coloured_neighbour)
+        return FALSE;
+
+    /* Need to avoid creating a loop of faces of this colour around some
+     * differently-coloured faces.
+     * Also need to avoid meeting a same-coloured face at a corner, with
+     * other-coloured faces in between.  Here's a simple test that (I believe)
+     * takes care of both these conditions:
+     *
+     * Take the circular path formed by this face's edges, and inflate it
+     * slightly outwards.  Imagine walking around this path and consider
+     * the faces that you visit in sequence.  This will include all faces
+     * touching the given face, either along an edge or just at a corner.
+     * Count the number of 'colour'/not-'colour' transitions you encounter, as
+     * you walk along the complete loop.  This will obviously turn out to be
+     * an even number.
+     * If 0, we're either in the middle of an "island" of this colour (should
+     * be impossible as we're not supposed to create black or white loops),
+     * or we're about to start a new island - also not allowed.
+     * If 4 or greater, there are too many separate coloured regions touching
+     * this face, and colouring it would create a loop or a corner-violation.
+     * The only allowed case is when the count is exactly 2. */
+
+    /* i points to a dot around the test face.
+     * j points to a face around the i^th dot.
+     * The current face will always be:
+     *     test_face->dots[i]->faces[j]
+     * We assume dots go clockwise around the test face,
+     * and faces go clockwise around dots. */
+
+    /*
+     * The end condition is slightly fiddly. In sufficiently strange
+     * degenerate grids, our test face may be adjacent to the same
+     * other face multiple times (typically if it's the exterior
+     * face). Consider this, in particular:
+     * 
+     *   +--+
+     *   |  |
+     *   +--+--+
+     *   |  |  |
+     *   +--+--+
+     * 
+     * The bottom left face there is adjacent to the exterior face
+     * twice, so we can't just terminate our iteration when we reach
+     * the same _face_ we started at. Furthermore, we can't
+     * condition on having the same (i,j) pair either, because
+     * several (i,j) pairs identify the bottom left contiguity with
+     * the exterior face! We canonicalise the (i,j) pair by taking
+     * one step around before we set the termination tracking.
+     */
+
+    i = j = 0;
+    current_face = test_face->dots[0]->faces[0];
+    if (current_face == test_face) {
+        j = 1;
+        current_face = test_face->dots[0]->faces[1];
+    }
+    transitions = 0;
+    current_state = (FACE_COLOUR(current_face) == colour);
+    starting_dot = NULL;
+    starting_face = NULL;
+    while (TRUE) {
+        /* Advance to next face.
+         * Need to loop here because it might take several goes to
+         * find it. */
+        while (TRUE) {
+            j++;
+            if (j == test_face->dots[i]->order)
+                j = 0;
+
+            if (test_face->dots[i]->faces[j] == test_face) {
+                /* Advance to next dot round test_face, then
+                 * find current_face around new dot
+                 * and advance to the next face clockwise */
+                i++;
+                if (i == test_face->order)
+                    i = 0;
+                for (j = 0; j < test_face->dots[i]->order; j++) {
+                    if (test_face->dots[i]->faces[j] == current_face)
+                        break;
+                }
+                /* Must actually find current_face around new dot,
+                 * or else something's wrong with the grid. */
+                assert(j != test_face->dots[i]->order);
+                /* Found, so advance to next face and try again */
+            } else {
+                break;
+            }
+        }
+        /* (i,j) are now advanced to next face */
+        current_face = test_face->dots[i]->faces[j];
+        s = (FACE_COLOUR(current_face) == colour);
+       if (!starting_dot) {
+           starting_dot = test_face->dots[i];
+           starting_face = current_face;
+           current_state = s;
+       } else {
+           if (s != current_state) {
+               ++transitions;
+               current_state = s;
+               if (transitions > 2)
+                   break;
+           }
+           if (test_face->dots[i] == starting_dot &&
+               current_face == starting_face)
+               break;
+        }
+    }
+
+    return (transitions == 2) ? TRUE : FALSE;
+}
+
+/* Count the number of neighbours of 'face', having colour 'colour' */
+static int face_num_neighbours(grid *g, char *board, grid_face *face,
+                               enum face_colour colour)
+{
+    int colour_count = 0;
+    int i;
+    grid_face *f;
+    grid_edge *e;
+    for (i = 0; i < face->order; i++) {
+        e = face->edges[i];
+        f = (e->face1 == face) ? e->face2 : e->face1;
+        if (FACE_COLOUR(f) == colour)
+            ++colour_count;
+    }
+    return colour_count;
+}
+
+/* The 'score' of a face reflects its current desirability for selection
+ * as the next face to colour white or black.  We want to encourage moving
+ * into grey areas and increasing loopiness, so we give scores according to
+ * how many of the face's neighbours are currently coloured the same as the
+ * proposed colour. */
+static int face_score(grid *g, char *board, grid_face *face,
+                      enum face_colour colour)
+{
+    /* Simple formula: score = 0 - num. same-coloured neighbours,
+     * so a higher score means fewer same-coloured neighbours. */
+    return -face_num_neighbours(g, board, face, colour);
+}
+
+/*
+ * Generate a new complete random closed loop for the given grid.
+ *
+ * The method is to generate a WHITE/BLACK colouring of all the faces,
+ * such that the WHITE faces will define the inside of the path, and the
+ * BLACK faces define the outside.
+ * To do this, we initially colour all faces GREY.  The infinite space outside
+ * the grid is coloured BLACK, and we choose a random face to colour WHITE.
+ * Then we gradually grow the BLACK and the WHITE regions, eliminating GREY
+ * faces, until the grid is filled with BLACK/WHITE.  As we grow the regions,
+ * we avoid creating loops of a single colour, to preserve the topological
+ * shape of the WHITE and BLACK regions.
+ * We also try to make the boundary as loopy and twisty as possible, to avoid
+ * generating paths that are uninteresting.
+ * The algorithm works by choosing a BLACK/WHITE colour, then choosing a GREY
+ * face that can be coloured with that colour (without violating the
+ * topological shape of that region).  It's not obvious, but I think this
+ * algorithm is guaranteed to terminate without leaving any GREY faces behind.
+ * Indeed, if there are any GREY faces at all, both the WHITE and BLACK
+ * regions can be grown.
+ * This is checked using assert()ions, and I haven't seen any failures yet.
+ *
+ * Hand-wavy proof: imagine what can go wrong...
+ *
+ * Could the white faces get completely cut off by the black faces, and still
+ * leave some grey faces remaining?
+ * No, because then the black faces would form a loop around both the white
+ * faces and the grey faces, which is disallowed because we continually
+ * maintain the correct topological shape of the black region.
+ * Similarly, the black faces can never get cut off by the white faces.  That
+ * means both the WHITE and BLACK regions always have some room to grow into
+ * the GREY regions.
+ * Could it be that we can't colour some GREY face, because there are too many
+ * WHITE/BLACK transitions as we walk round the face? (see the
+ * can_colour_face() function for details)
+ * No.  Imagine otherwise, and we see WHITE/BLACK/WHITE/BLACK as we walk
+ * around the face.  The two WHITE faces would be connected by a WHITE path,
+ * and the BLACK faces would be connected by a BLACK path.  These paths would
+ * have to cross, which is impossible.
+ * Another thing that could go wrong: perhaps we can't find any GREY face to
+ * colour WHITE, because it would create a loop-violation or a corner-violation
+ * with the other WHITE faces?
+ * This is a little bit tricky to prove impossible.  Imagine you have such a
+ * GREY face (that is, if you coloured it WHITE, you would create a WHITE loop
+ * or corner violation).
+ * That would cut all the non-white area into two blobs.  One of those blobs
+ * must be free of BLACK faces (because the BLACK stuff is a connected blob).
+ * So we have a connected GREY area, completely surrounded by WHITE
+ * (including the GREY face we've tentatively coloured WHITE).
+ * A well-known result in graph theory says that you can always find a GREY
+ * face whose removal leaves the remaining GREY area connected.  And it says
+ * there are at least two such faces, so we can always choose the one that
+ * isn't the "tentative" GREY face.  Colouring that face WHITE leaves
+ * everything nice and connected, including that "tentative" GREY face which
+ * acts as a gateway to the rest of the non-WHITE grid.
+ */
+void generate_loop(grid *g, char *board, random_state *rs,
+                   loopgen_bias_fn_t bias, void *biasctx)
+{
+    int i, j;
+    int num_faces = g->num_faces;
+    struct face_score *face_scores; /* Array of face_score objects */
+    struct face_score *fs; /* Points somewhere in the above list */
+    struct grid_face *cur_face;
+    tree234 *lightable_faces_sorted;
+    tree234 *darkable_faces_sorted;
+    int *face_list;
+    int do_random_pass;
+
+    /* Make a board */
+    memset(board, FACE_GREY, num_faces);
+    
+    /* Create and initialise the list of face_scores */
+    face_scores = snewn(num_faces, struct face_score);
+    for (i = 0; i < num_faces; i++) {
+        face_scores[i].random = random_bits(rs, 31);
+        face_scores[i].black_score = face_scores[i].white_score = 0;
+    }
+    
+    /* Colour a random, finite face white.  The infinite face is implicitly
+     * coloured black.  Together, they will seed the random growth process
+     * for the black and white areas. */
+    i = random_upto(rs, num_faces);
+    board[i] = FACE_WHITE;
+
+    /* We need a way of favouring faces that will increase our loopiness.
+     * We do this by maintaining a list of all candidate faces sorted by
+     * their score and choose randomly from that with appropriate skew.
+     * In order to avoid consistently biasing towards particular faces, we
+     * need the sort order _within_ each group of scores to be completely
+     * random.  But it would be abusing the hospitality of the tree234 data
+     * structure if our comparison function were nondeterministic :-).  So with
+     * each face we associate a random number that does not change during a
+     * particular run of the generator, and use that as a secondary sort key.
+     * Yes, this means we will be biased towards particular random faces in
+     * any one run but that doesn't actually matter. */
+
+    lightable_faces_sorted = newtree234(white_sort_cmpfn);
+    darkable_faces_sorted = newtree234(black_sort_cmpfn);
+
+    /* Initialise the lists of lightable and darkable faces.  This is
+     * slightly different from the code inside the while-loop, because we need
+     * to check every face of the board (the grid structure does not keep a
+     * list of the infinite face's neighbours). */
+    for (i = 0; i < num_faces; i++) {
+        grid_face *f = g->faces + i;
+        struct face_score *fs = face_scores + i;
+        if (board[i] != FACE_GREY) continue;
+        /* We need the full colourability check here, it's not enough simply
+         * to check neighbourhood.  On some grids, a neighbour of the infinite
+         * face is not necessarily darkable. */
+        if (can_colour_face(g, board, i, FACE_BLACK)) {
+            fs->black_score = face_score(g, board, f, FACE_BLACK);
+            add234(darkable_faces_sorted, fs);
+        }
+        if (can_colour_face(g, board, i, FACE_WHITE)) {
+            fs->white_score = face_score(g, board, f, FACE_WHITE);
+            add234(lightable_faces_sorted, fs);
+        }
+    }
+
+    /* Colour faces one at a time until no more faces are colourable. */
+    while (TRUE)
+    {
+        enum face_colour colour;
+        tree234 *faces_to_pick;
+        int c_lightable = count234(lightable_faces_sorted);
+        int c_darkable = count234(darkable_faces_sorted);
+        if (c_lightable == 0 && c_darkable == 0) {
+            /* No more faces we can use at all. */
+            break;
+        }
+       assert(c_lightable != 0 && c_darkable != 0);
+
+        /* Choose a colour, and colour the best available face
+         * with that colour. */
+        colour = random_upto(rs, 2) ? FACE_WHITE : FACE_BLACK;
+
+        if (colour == FACE_WHITE)
+            faces_to_pick = lightable_faces_sorted;
+        else
+            faces_to_pick = darkable_faces_sorted;
+        if (bias) {
+            /*
+             * Go through all the candidate faces and pick the one the
+             * bias function likes best, breaking ties using the
+             * ordering in our tree234 (which is why we replace only
+             * if score > bestscore, not >=).
+             */
+            int j, k;
+            struct face_score *best = NULL;
+            int score, bestscore = 0;
+
+            for (j = 0;
+                 (fs = (struct face_score *)index234(faces_to_pick, j))!=NULL;
+                 j++) {
+
+                assert(fs);
+                k = fs - face_scores;
+                assert(board[k] == FACE_GREY);
+                board[k] = colour;
+                score = bias(biasctx, board, k);
+                board[k] = FACE_GREY;
+                bias(biasctx, board, k); /* let bias know we put it back */
+
+                if (!best || score > bestscore) {
+                    bestscore = score;
+                    best = fs;
+                }
+            }
+            fs = best;
+        } else {
+            fs = (struct face_score *)index234(faces_to_pick, 0);
+        }
+        assert(fs);
+        i = fs - face_scores;
+        assert(board[i] == FACE_GREY);
+        board[i] = colour;
+        if (bias)
+            bias(biasctx, board, i); /* notify bias function of the change */
+
+        /* Remove this newly-coloured face from the lists.  These lists should
+         * only contain grey faces. */
+        del234(lightable_faces_sorted, fs);
+        del234(darkable_faces_sorted, fs);
+
+        /* Remember which face we've just coloured */
+        cur_face = g->faces + i;
+
+        /* The face we've just coloured potentially affects the colourability
+         * and the scores of any neighbouring faces (touching at a corner or
+         * edge).  So the search needs to be conducted around all faces
+         * touching the one we've just lit.  Iterate over its corners, then
+         * over each corner's faces.  For each such face, we remove it from
+         * the lists, recalculate any scores, then add it back to the lists
+         * (depending on whether it is lightable, darkable or both). */
+        for (i = 0; i < cur_face->order; i++) {
+            grid_dot *d = cur_face->dots[i];
+            for (j = 0; j < d->order; j++) {
+                grid_face *f = d->faces[j];
+                int fi; /* face index of f */
+
+                if (f == NULL)
+                    continue;
+                if (f == cur_face)
+                    continue;
+                
+                /* If the face is already coloured, it won't be on our
+                 * lightable/darkable lists anyway, so we can skip it without 
+                 * bothering with the removal step. */
+                if (FACE_COLOUR(f) != FACE_GREY) continue; 
+
+                /* Find the face index and face_score* corresponding to f */
+                fi = f - g->faces;                
+                fs = face_scores + fi;
+
+                /* Remove from lightable list if it's in there.  We do this,
+                 * even if it is still lightable, because the score might
+                 * be different, and we need to remove-then-add to maintain
+                 * correct sort order. */
+                del234(lightable_faces_sorted, fs);
+                if (can_colour_face(g, board, fi, FACE_WHITE)) {
+                    fs->white_score = face_score(g, board, f, FACE_WHITE);
+                    add234(lightable_faces_sorted, fs);
+                }
+                /* Do the same for darkable list. */
+                del234(darkable_faces_sorted, fs);
+                if (can_colour_face(g, board, fi, FACE_BLACK)) {
+                    fs->black_score = face_score(g, board, f, FACE_BLACK);
+                    add234(darkable_faces_sorted, fs);
+                }
+            }
+        }
+    }
+
+    /* Clean up */
+    freetree234(lightable_faces_sorted);
+    freetree234(darkable_faces_sorted);
+    sfree(face_scores);
+
+    /* The next step requires a shuffled list of all faces */
+    face_list = snewn(num_faces, int);
+    for (i = 0; i < num_faces; ++i) {
+        face_list[i] = i;
+    }
+    shuffle(face_list, num_faces, sizeof(int), rs);
+
+    /* The above loop-generation algorithm can often leave large clumps
+     * of faces of one colour.  In extreme cases, the resulting path can be 
+     * degenerate and not very satisfying to solve.
+     * This next step alleviates this problem:
+     * Go through the shuffled list, and flip the colour of any face we can
+     * legally flip, and which is adjacent to only one face of the opposite
+     * colour - this tends to grow 'tendrils' into any clumps.
+     * Repeat until we can find no more faces to flip.  This will
+     * eventually terminate, because each flip increases the loop's
+     * perimeter, which cannot increase for ever.
+     * The resulting path will have maximal loopiness (in the sense that it
+     * cannot be improved "locally".  Unfortunately, this allows a player to
+     * make some illicit deductions.  To combat this (and make the path more
+     * interesting), we do one final pass making random flips. */
+
+    /* Set to TRUE for final pass */
+    do_random_pass = FALSE;
+
+    while (TRUE) {
+        /* Remember whether a flip occurred during this pass */
+        int flipped = FALSE;
+
+        for (i = 0; i < num_faces; ++i) {
+            int j = face_list[i];
+            enum face_colour opp =
+                (board[j] == FACE_WHITE) ? FACE_BLACK : FACE_WHITE;
+            if (can_colour_face(g, board, j, opp)) {
+                grid_face *face = g->faces +j;
+                if (do_random_pass) {
+                    /* final random pass */
+                    if (!random_upto(rs, 10))
+                        board[j] = opp;
+                } else {
+                    /* normal pass - flip when neighbour count is 1 */
+                    if (face_num_neighbours(g, board, face, opp) == 1) {
+                        board[j] = opp;
+                        flipped = TRUE;
+                    }
+                }
+            }
+        }
+
+        if (do_random_pass) break;
+        if (!flipped) do_random_pass = TRUE;
+    }
+
+    sfree(face_list);
+}