TravelingSalesmanProjekt

Aus Physik
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Motivation

Mit diesem Projekt will ich zeigen:

  • Wie C++ Programme/Funktionen aus Matlab heraus gestartet werden können
  • Wie ein einfaches makefile funktioniert
  • Wie die GSL GNU_Scientific_Library verwendet wird
  • Wie man die C++ Funktion debugt (und das ist vielleicht der wichtigste Punkt)

Ein ganz einfacher Traveling Salesman Algorithmus

Das Traveling Salesman Problem ist ein recht alltägliches Problem der Theoretischen Informatik. Es modelliert die Frage, wie man möglichst schnell oder billig mehrere Orte hintereinander besuchen kann und wieder zum Ausgangsort zurückkehrt.
Als Beispiel habe ich einen ganz einfachen Algorithmus gewählt: Es werden einfach alle möglichen Wege berechnet. Dazu werden die Stadtkoordinaten einfach durchpermutiert, und jeweils die Weglänge berechnet. Das kann normalerweise nur in einer for Schleife gemacht werden, und ist somit in C/C++ wesentlich schneller als in Matlab zu berechnen.
Den nicht zeitkritischen Programmteil lässt sich oft besser in Matlab programmieren, weil es einfach bequemer ist.

Projektaufbau

M c projekt.png
Wie in der Grafik angedeutet besteht das projekt aus mehreren Dateien. Es gibt einen Matlab Teil und einen umfangreichen C++ Teil. Die eigentliche Berechnung der kürzesten Route wird in berechnung.cc durchgeführt. Die Funktion rechnen() in berechnung.cc kann entweder von Matlab aus mit hilfe von m_c_interface.cc aufgerufen werden, oder von main() in c_c_interface.cc.
Das klingt etwas umständlich. Warum nicht direkt von Matlab aus die Funktion rechnen() in berechnung.cc aufrufen? Wozu die anderen Dateien? Auch das wäre eine Möglichkeit. (Man müsste dann berechnung.cc ein wenig umschreiben.) Man würde dann nur die zwei Dateien brauchen. Es würde aber zwei grosse Nachteile geben:

  • Die Funktion rechnen() könnte dann nur von Matlab aus gestartet werden.
  • Das Debuggen der C++ Funktion ist dann wesentlich schwieriger.

Wie die Funktion von Matlab aus verwendet wird

  • In Matlab wird eine (n * 2) Matrix generiert. n ist die Anzahl der Städte, in der Matrix stehen die Stadtkoordianten.
  • Es wird vom Matlab m_c_interface.cc als externe Funktion aufgerufen, die Städtematrix wird als Argument übergeben.
  • Im m_c_interface.cc werden die Matlab- Argumente 'abgeholt', die Städtematrix wir in ein C++ Array kopiert, es wird Speicher für die Rückgabewerte reserviert. Dann wird die externe C++ Funktion rechnen() Aufgerufen.
  • In der Funktion rechnen() wird die Stadtreihenfolge durchpermutiert. Dazu wird die GSL Library verwendet.

Die Projektdateien

Die Projektdateien sind hier zu finden:
http://itp.tugraz.at/~golubk_a/download/matlab_c3/

  • traveling_salesman.m ist das Hauptprogramm das aus Matlab heraus gesttartet wird. Es wird hier die Stadtliste erstellt, die Stadtkoordinaten werden zufällig gewählt. Es wird die in C++ geschriebene Unterfunktion aufgerufen. In der Funktion wird der beste und der schlechteste Weg berechnet. Die Ergebnisse werden wiederum in Matlab visualisiert.
  • m_c_interface.cc beinhaltet die Funktion, die von Matlab aus gestartet wird. Die von Matlab übergebenen Parameter werden ein wenig umstrukturiert, speicher wird für die Rückgabeparameter an Matlab reserviert. Dann wird die Funktion rechnen in der Datei berecnung.cc aufgerufen. Diese Funktion sucht den optimalen weg.
  • berechnung.cc Die Funktion rechnen befindet sich in dieser Datei. Die Funktion bekommt die Städteliste und berechnet die Reisedauer für alle möglichen Reiserouten. Die Beste und die schlechteste werden zurückgegeben. Es wird hier die GSL GNU_Scientific_Library verwendet um alle Permutationen der Stadtliste zu finden.
  • c_c_interface.cc hier ist das Program main zu finden. Es wird gestartet, indem in der Konsole
$ ./c_c_interface

eingegeben wird. Das Program macht das gleiche wie traveling_salesman.m, nur ohne die Visualisierung. Es ist ein reines C++ Programm und benötigt Matlab nicht. Es ruft ebenfalls die Funktion rechnen auf, und gibt dann die gefundene reiseroute als Text aus.

$ make

wird das makefile ausgewertet, und die C++ Programme, wenn nötig, neu kompiliert. Nach jeder Änderung einer der C++ Dateien sollte man make ausführen.