Initial attempt at optimising day 23
[advent-of-code-23.git] / advent23 / Main.hs
index b8110822660813e39b2dc1ba552bf00e65e8a877..7a2488445514dca16baaecf91edf30a59250ffb9 100644 (file)
--- Writeup at https://work.njae.me.uk/2023/12/29/advent-of-code-2023-day-21/
+-- Writeup at https://work.njae.me.uk/2024/01/02/advent-of-code-2023-day-23/
+
+import qualified Debug.Trace as DT
 
 import AoC
-import Linear (V2(..), (^+^))
+import Linear -- (V2(..), (^+^))
 import qualified Data.Set as S
-import qualified Data.Map as M
+import qualified Data.Map.Strict as M
+import qualified Data.Sequence as Q
+import Data.Sequence (Seq( (:|>), (:<|) ) ) 
+import Control.Lens
+import Data.List (foldl')
+import Control.Monad.Reader
+import qualified Data.PQueue.Prio.Max as P
+import Data.Foldable
+import Data.Maybe 
 
 data Slide = SlideLeft | SlideRight | SlideUp | SlideDown
   deriving (Show, Eq)
 
 type Position = V2 Int -- r, c
+
+_r, _c :: Lens' (V2 Int) Int
+_r = _x
+_c = _y
+
 type Grid = S.Set Position
 type Slides = M.Map Position Slide
 
+data CompressedPath = CPath { _nextPos :: Position, _pathLen :: Int }
+  deriving (Show, Eq)
+makeLenses ''CompressedPath
+
+type CompressedMap = M.Map Position [CompressedPath]
+data Mountain = Mountain
+  { _paths :: CompressedMap
+  , _start :: Position
+  , _goal :: Position
+  } deriving (Eq, Show)
+makeLenses ''Mountain
+
+type MountainContext = Reader Mountain
+
+data Agendum = 
+    Agendum { _current :: Position
+            , _trail :: Q.Seq Position
+            , _trailCost :: Int
+            , _cost :: Int
+            } deriving (Show, Eq)
+makeLenses ''Agendum  
+
+type Agenda = P.MaxPQueue Int Agendum
+
+type ExploredStates = M.Map Position Int
+
+
 main :: IO ()
-main = 
+main =
   do  dataFileName <- getDataFileName
       text <- readFile dataFileName
       let (forest, slides, start, end) = mkGrid text
-      -- print forest
-      -- print slides
-      -- print start
-      -- print end
-      -- print $ searchStep slides forest [start ^+^ (V2 1 0), start]
-      -- let paths = search slides forest end [] [[start ^+^ (V2 1 0), start]]
-      -- print $ fmap length paths
+      -- print $ compress slides forest start end
       print $ part1 slides forest start end
+      print $ part2 slides forest start end
 
-part1 slides forest start end = (maximum $ fmap length paths) - 1
-  where paths = search slides forest end [] [[start ^+^ (V2 1 0), start]]
+part1, part2 :: Slides -> Grid -> Position -> Position -> Int
+part1 slides forest start end = searchCompressed $ Mountain cMap start end
+  where cMap = compress slides forest start end
+part2 slides forest start end = searchCompressed $ Mountain cMap start end
+  where cMap = compress M.empty forest start end
+-- part2 _ forest start end = maximum $ fmap (pathLength cMap) paths
+--   where cMap = compress M.empty forest start end
+--         paths = searchCompressed cMap start end
 
 adjacents :: Position -> Slides -> Grid -> [Position]
-adjacents here slides walls = filter (`S.notMember` walls) $ fmap (^+^ here) deltas
+adjacents here slides forest = filter (`S.notMember` forest) $ fmap (here ^+^) deltas
   where deltas = case M.lookup here slides of
                   Nothing ->  [ V2 0 1, V2 1 0, V2 0 (-1), V2 (-1) 0 ]
                   Just SlideLeft -> [ V2 0 (-1) ]
                   Just SlideRight -> [ V2 0 1 ]
                   Just SlideUp -> [ V2 (-1) 0 ]
                   Just SlideDown -> [ V2 1 0 ]
-  
+
 searchStep :: Slides -> Grid -> [Position] -> [[Position]]
 searchStep _ _ [] = []
 searchStep slides forest path@(here:rest) = fmap (:path) valids
   where nexts = adjacents here slides forest
         valids = filter (`notElem` rest) nexts
 
-
-search :: Slides -> Grid -> Position -> [[Position]] -> [[Position]] -> [[Position]]
+search :: Slides -> Grid -> [Position] -> CompressedMap -> [[Position]] -> CompressedMap
 search _ _ _ foundPaths [] = foundPaths
-search slides forest goal foundPaths (current:agenda)
-  | head current == goal = search slides forest goal (current:foundPaths) agenda
-  | otherwise = search slides forest goal foundPaths (agenda ++ extendeds) 
+search slides forest goals foundPaths (current:agenda)
+  | head current `elem` goals = search slides forest goals foundPaths' agenda
+  | otherwise = search slides forest goals foundPaths (agenda ++ extendeds)
   where extendeds = searchStep slides forest current
+        origin = last current
+        foundPaths' = if origin == head current then foundPaths
+                        else M.adjust (cp :) origin foundPaths
+        cp = CPath (head current) (length current - 1)
+
+-- collapsing the map
+
+interestingPoints :: Slides -> Grid -> Position -> Position -> CompressedMap
+interestingPoints slides forest start end = M.fromList [(p, []) | p <- pointsSE]
+  where Just minR = minimumOf (folded . _r) forest
+        Just maxR = maximumOf (folded . _r) forest
+        Just minC = minimumOf (folded . _c) forest
+        Just maxC = maximumOf (folded . _c) forest
+        points = [ V2 r c | r <- [(minR + 2)..(maxR - 2)]
+                 , c <- [(minC + 1)..(maxC - 1)]
+                 , (V2 r c) `S.notMember` forest
+                 , (length $ adjacents (V2 r c) slides forest) > 2
+                 ]
+        pointsSE = start : end : points
+
+compress :: Slides -> Grid -> Position -> Position -> CompressedMap
+compress slides forest start end = foldl' go compressed0 iPoints
+  where compressed0 = interestingPoints slides forest start end
+        iPoints = M.keys compressed0
+        go com here = search slides forest iPoints com $ fmap (: [here]) $ adjacents here slides forest
+
+
+-- searchCompressed :: CompressedMap -> Position -> [[Position]] -> [[Position]] -> [[Position]]
+-- -- searchCompressed _ _ _ (c:_) _ | DT.trace (show c) False = undefined
+-- searchCompressed _ _ found [] = found
+-- searchCompressed map goal found (current:agenda) 
+--   | head current == goal = searchCompressed map goal (current:found) agenda
+--   | otherwise = searchCompressed map goal found (nextPositions ++ agenda)
+--   where neighbours0 = map M.! (head current)
+--         neighbours = neighbours0 ^.. folded . filtered ((`notElem` current) . _nextPos)
+--         nextPositions = fmap ((: current) . _nextPos) neighbours
+
+searchCompressed :: Mountain -> Int
+searchCompressed mountain = maybe 0 _trailCost result
+  where result = runReader searchMountain mountain
+
+searchMountain :: MountainContext (Maybe Agendum)
+searchMountain = 
+  do agenda <- initAgenda
+     aStar agenda Nothing
+
+initAgenda :: MountainContext Agenda
+initAgenda = 
+   do s <- asks _start
+      c <- estimateCost Q.Empty s
+      let agendum = Agendum { _current = s, _trail = Q.empty, _trailCost = 0, _cost = c}
+      let agenda = P.singleton c agendum
+      return agenda
+
+aStar ::  Agenda -> (Maybe Agendum) -> MountainContext (Maybe Agendum)
+aStar agenda best 
+    -- | trace ("Peeping " ++ (show $ fst $ P.findMin agenda) ++ ": " ++ (show reached) ++ " <- " ++ (show $ toList $ Q.take 1 $ _trail $ currentAgendum) ++ " :: " ++ (show newAgenda)) False = undefined
+    -- | DT.trace ("Peeping " ++ (show $ _current $ snd $ P.findMax agenda) ) False = undefined
+    -- | DT.trace ("Peeping " ++ (show $ snd $ P.findMax agenda) ) False = undefined
+    -- | DT.trace ("Peeping " ++ (show agenda) ) False = undefined
+    | P.null agenda = return best
+    | (fst $ P.findMax agenda) < maybe 0 _trailCost best = return best
+    | otherwise = 
+        do  let (_, currentAgendum) = P.findMax agenda
+            let reached = currentAgendum ^. current
+            nexts <- candidates currentAgendum 
+            let newAgenda = foldl' (\q a -> P.insert (_cost a) a q) (P.deleteMax agenda) nexts
+            reachedGoal <- isGoal reached
+            let best' = updateBest reachedGoal best currentAgendum
+            -- let closed' = M.insert reached (currentAgendum ^. trailCost) closed
+            if reachedGoal -- || (reached `S.member` closed)
+                then aStar (P.deleteMax agenda) best' -- closed'
+                else aStar newAgenda best' -- closed'
+
+updateBest :: Bool -> Maybe Agendum -> Agendum -> Maybe Agendum
+updateBest False current _ = current
+updateBest True Nothing best 
+ -- | DT.trace ("Nothing " ++ show best) False = undefined 
+ | otherwise = Just best
+updateBest True (Just current) best 
+  -- | DT.trace (show current ++ " " ++ show best) False = undefined 
+  | (current ^. trailCost) > (best ^. trailCost) = Just current
+  | otherwise = Just best
+
+
+
+
+candidates :: Agendum -> MountainContext (Q.Seq Agendum)
+candidates agendum = 
+  do  let here = agendum ^. current
+      let previous = agendum ^. trail
+      let prevCost = agendum ^. trailCost
+      ts <- asks _paths
+      let succs = Q.fromList $ ts M.! here
+      -- succs <- successors candidate
+      let nonloops = Q.filter (\s -> (s ^. nextPos) `notElem` previous) succs
+      mapM (makeAgendum previous prevCost here) nonloops
+
+
+makeAgendum :: (Q.Seq Position) -> Int -> Position -> CompressedPath -> MountainContext Agendum
+makeAgendum previous prevCost here step = 
+   do let newTrail = previous :|> here
+      predicted <- estimateCost newTrail $ step ^. nextPos
+      -- ts <- asks _trails
+      let incurred = prevCost + step ^. pathLen
+      return Agendum { _current = step ^. nextPos
+                     , _trail = newTrail
+                     , _trailCost = incurred
+                     , _cost = incurred + predicted
+                     }
+
+
+isGoal :: Position -> MountainContext Bool
+isGoal here = 
+  do goal <- asks _goal
+     return $ here == goal
+
+estimateCost :: Q.Seq Position -> Position -> MountainContext Int
+estimateCost r e = 
+  do ts <- asks _paths
+     let endCost = fromMaybe 0 $ maximumOf (folded . filtered ((`notElem` r) . _nextPos) . pathLen) $ ts M.! e
+     let res = S.fromList $ toList (r :|> e)
+     let otherPaths = concat $ M.elems $ ts `M.withoutKeys` res
+     let restCost = sumOf (folded . filtered ((`notElem` r) . _nextPos) . pathLen) otherPaths
+     return $ (restCost `div` 2) + endCost
 
+-- pathLength :: CompressedMap -> [Position] -> Int
+-- pathLength map ps = sum $ zipWith (stepLength map) ps $ tail ps
 
--- showGrid :: Grid -> (Position, Position) -> Grid -> String
--- showGrid rocks bounds cells = unlines $ intercalate [" "] $ chunksOf 7 $ fmap (showRow rocks bounds cells) [-28..34]
---   where showRow rocks bounds cells r = intercalate " " $ chunksOf 7 $ fmap ((showCell rocks bounds cells) . V2 r) [-28..34]
---         showCell rocks bounds cells here
---           | not $ notAtRock rocks bounds here = '#'
---           | here `S.member` cells = 'O'
---           | otherwise = '.'
+-- stepLength :: CompressedMap -> Position -> Position -> Int
+-- stepLength map here there = 
+--   -- head $ (map M.! there) ^.. folded . filtered ((== here) . _nextPos) . pathLen
+--   head $ (map M.! there) ^.. folded . filteredBy (nextPos . only here) . pathLen
 
 -- reading the map
 
 mkGrid :: String -> (Grid, Slides, Position, Position)
-mkGrid text = (forest, slides, start, end)
+mkGrid text = ((S.union forest caps), slides, start, end)
   where rows = lines text
         maxR = length rows - 1
         maxC = (length $ head rows) - 1
         forest = S.fromList [ V2 r c | r <- [0..maxR], c <- [0..maxC]
                             , rows !! r !! c == '#'
                             ]
-        slides = M.fromList [ (V2 r c, readSlide (rows !! r !! c)) 
+        slides = M.fromList [ (V2 r c, readSlide (rows !! r !! c))
                             | r <- [0..maxR], c <- [0..maxC]
                             , elem (rows !! r !! c) ("<>^v" :: String)
                             ]
@@ -81,6 +247,7 @@ mkGrid text = (forest, slides, start, end)
         end = head $ [ V2 maxR c | c <- [0..maxC]
                      , rows !! maxR !! c == '.'
                      ]
+        caps = S.fromList [start ^+^ (V2 -1 0), end ^+^ (V2 1 0)]
 
 readSlide :: Char -> Slide
 readSlide '<' = SlideLeft