Wprowadzenie

To wyzwanie jest podobne do problemów z Project Euler . Wymyśliłem to, ponieważ grałem w zwodniczo prostą grę planszową i nie mogłem znaleźć skutecznego rozwiązania, aby odpowiedzieć na proste pytanie dotyczące jej mechaniki.

Quarto to zabawny wariant 4 z rzędu. Gra się na planszy 4 na 4 z 16 unikalnymi elementami (żadne elementy nie są powielane). W każdej turze każdy gracz kładzie 1 pionek na planszy. Każdy element ma 4 cechy binarne (krótki / wysoki, czarny / biały, kwadratowy / okrągły, pusty / pełny). Celem jest wykonanie czterech z rzędu, poziomo, pionowo lub wzdłuż 2 przekątnych, dla dowolnej z czterech cech! Więc 4 czarne kawałki, 4 białe kawałki, 4 wysokie kawałki, 4 krótkie kawałki, 4 kwadratowe kawałki, 4 okrągłe kawałki, 4 puste kawałki lub 4 solidne kawałki.

Zdjęcie powyżej pokazuje ukończoną grę, cztery z rzędu z powodu 4 kwadratowych elementów.

Wyzwanie

W Quarto niektóre gry mogą zakończyć się remisem.

Całkowita liczba możliwych pozycji końcowych wynosi 16!około 20 trylionów.

Ile z tych pozycji końcowych to remisy?

Zasady

1. Rozwiązaniem musi być program, który oblicza i generuje całkowitą liczbę losowanych pozycji końcowych. Poprawna odpowiedź to414298141056

2. Możesz używać wyłącznie informacji o regułach gry, które zostały wydedukowane ręcznie (bez dowodu wspomaganego komputerowo).

3. Matematyczne uproszczenia problemu są dozwolone, ale należy je wyjaśnić i udowodnić (ręcznie) w swoim rozwiązaniu.

4. Zwycięzca jest tym, który ma najbardziej optymalne rozwiązanie pod względem czasu działania procesora.

5. Aby wyłonić zwycięzcę, uruchomię każde rozwiązanie ze zgłoszonym czasem pracy poniżej 30 m na MacBooku Pro 2,5 GHz Intel Core i7 z 16 GB pamięci RAM .

6. Brak punktów bonusowych za wymyślenie rozwiązania, które działa również z innymi rozmiarami plansz. Mimo że byłoby miło.

7. W stosownych przypadkach program musi się skompilować w ciągu 1 minuty na sprzęcie wymienionym powyżej (aby uniknąć nadużyć związanych z optymalizacją kompilatora)

8. Domyślne luki są niedozwolone

Zgłoszenia

Proszę pisać:

1. Kod lub link github / bitbucket do kodu.
2. Dane wyjściowe kodu.
3. Twój lokalnie mierzony czas działania
4. Wyjaśnienie twojego podejścia.

Ostateczny termin

Termin nadsyłania zgłoszeń upływa 1 marca, więc wciąż jest dużo czasu.

C: 414298141056 losuje w około 5 2,5 minuty.

Proste wyszukiwanie z głębokością z tabelą transpozycji uwzględniającą symetrię. Używamy symetrii atrybutów w permutacji i 8-krotnej symetrii dwuściennej płytki.

#include <stdint.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <string.h>

typedef uint16_t u8;
typedef uint16_t u16;
typedef uint64_t u64;

#define P(i, j) (1 << (4 * (i) + (j)))

#define DIAG0 (P(0, 0) | P(1, 1) | P(2, 2) | P(3, 3))
#define DIAG1 (P(3, 0) | P(2, 1) | P(1, 2) | P(0, 3))

u64 rand_state;

u64 mix(u64 x) {
    u64 a = x >> 32;
    u64 b = x >> 60;
    x ^= (a >> b);
    return x * 7993060983890856527ULL;
}

u64 rand_u64() {
    u64 x = rand_state;
    rand_state = x * 6364136223846793005ULL + 1442695040888963407ULL;
    return mix(x);
}

u64 ZOBRIST_TABLE[(1 << 16)][8];

u16 transpose(u16 x) {
    u16 t = 0;
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        for (int j = 0; j < 4; j++) {
            if (x & P(j, i)) {
                t |= P(i, j);
            }
        }
    }
    return t;
}

u16 rotate(u16 x) {
   u16 r = 0;
   for (int i = 0; i < 4; i++) {
       for (int j = 0; j < 4; j++) {
           if (x & P(3 - j, i)) {
                r |= P(i, j);
            }
       }
   } 
   return r;
}

void initialize_zobrist_table(void) {
    for (int i = 0; i < 1 << 16; i++) {
        ZOBRIST_TABLE[i][0] = rand_u64();
    }
    for (int i = 0; i < 1 << 16; i++) {
        int j = i;
        for (int r = 1; r < 8; r++) {
            j = rotate(j);
            if (r == 4) {
                j = transpose(i);
            }
            ZOBRIST_TABLE[i][r] = ZOBRIST_TABLE[j][0];
        }
    }
}

u64 hash_board(u16* x) {
    u64 hash = 0;
    for (int r = 0; r < 8; r++) {
        u64 h = 0;
        for (int i = 0; i < 8; i++) {
            h += ZOBRIST_TABLE[x[i]][r];
        }
        hash ^= mix(h);
    }
    return mix(hash);
}

u8 IS_WON[(1 << 16) / 8];

void initialize_is_won(void) {
    for (int x = 0; x < 1 << 16; x++) {
        bool is_won = false;
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            u16 stride = 0xF << (4 * i);
            if ((x & stride) == stride) {
                is_won = true;
                break;
            }
            stride = 0x1111 << i;
            if ((x & stride) == stride) {
                is_won = true;
                break;
            }
        }
        if (is_won == false) {
            if (((x & DIAG0) == DIAG0) || ((x & DIAG1) == DIAG1)) {
                is_won = true;
            }
        }
        if (is_won) {
            IS_WON[x / 8] |= (1 << (x % 8));
        }
    }
}

bool is_won(u16 x) {
    return (IS_WON[x / 8] >> (x % 8)) & 1;
}

bool make_move(u16* board, u8 piece, u8 position) {
    u16 p = 1 << position;
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        bool a = (piece >> i) & 1;
        int j = 2 * i + a;
        u16 x = board[j] | p;
        if (is_won(x)) {
            return false;
        }
        board[j] = x;
    }
    return true;
}

typedef struct {
    u64 hash;
    u64 count;
} Entry;

typedef struct {
    u64 mask;
    Entry* entries;
} TTable;

Entry* lookup(TTable* table, u64 hash, u64 count) {
    Entry* to_replace;
    u64 min_count = count + 1;
    for (int d = 0; d < 8; d++) {
        u64 i = (hash + d) & table->mask;
        Entry* entry = &table->entries[i];
        if (entry->hash == 0 || entry->hash == hash) {
            return entry;
        }
        if (entry->count < min_count) {
            min_count = entry->count;
            to_replace = entry;
        }
    }
    if (to_replace) {
        to_replace->hash = 0;
        to_replace->count = 0;
        return to_replace;
    }
    return NULL;
}

u64 count_solutions(TTable* ttable, u16* board, u8* pieces, u8 position) {
    u64 hash = 0;
    if (position <= 10) {
        hash = hash_board(board);
        Entry* entry = lookup(ttable, hash, 0);
        if (entry && entry->hash) {
            return entry->count;        
        }
    }
    u64 n = 0;
    for (int i = position; i < 16; i++) {
        u8 piece = pieces[i];
        u16 board1[8];
        memcpy(board1, board, sizeof(board1));
        u8 variable_ordering[16] = {0, 1, 2, 3, 4, 8, 12, 6, 9, 5, 7, 13, 10, 11, 15, 14};
        if (!make_move(board1, piece, variable_ordering[position])) {
            continue;
        }
        if (position == 15) {
            n += 1;
        } else {
            pieces[i] = pieces[position];
            n += count_solutions(ttable, board1, pieces, position + 1); 
            pieces[i] = piece;
        }
    }
    if (hash) {
        Entry* entry = lookup(ttable, hash, n);
        if (entry) {
            entry->hash = hash;
            entry->count = n;
        }
    }
    return n;
}

int main(void) {
    TTable ttable;
    int ttable_size = 1 << 28;
    ttable.mask = ttable_size - 1;
    ttable.entries = calloc(ttable_size, sizeof(Entry));
    initialize_zobrist_table();
    initialize_is_won();
    u8 pieces[16];
    for (int i = 0; i < 16; i++) {pieces[i] = i;}
    u16 board[8] = {0};
    printf("count: %lu\n", count_solutions(&ttable, board, pieces, 0));
}

Zmierzony wynik (@wvdz):

$ clang -O3 -march=native quarto_user1502040.c
$ time ./a.out
count: 414298141056

real    1m37.299s
user    1m32.797s
sys     0m2.930s

Wynik (użytkownik + sys): 1m35,727s

Java, 414298141056 losuje, 23m42.272s

Mam nadzieję, że opublikowanie rozwiązania własnego wyzwania nie jest dla niego niezadowolone, ale powodem, dla którego opublikowałem to wyzwanie, było to, że doprowadziłem mnie do szału, że sam nie mogłem znaleźć skutecznego rozwiązania. Wykonanie mojej najlepszej próby zajęłoby kilka dni.

Po przestudiowaniu odpowiedzi użytkownika 1502040 udało mi się zmodyfikować kod, aby działał w dość rozsądnym czasie. Moje rozwiązanie jest wciąż zupełnie inne, ale ukradłem kilka pomysłów:

• Zamiast skupiać się na pozycjach końcowych, skupiam się na graniu, umieszczając jeden kawałek po drugim na planszy. To pozwala mi zbudować tabelę semantycznie identycznych pozycji z prawidłową liczbą.
• Istotna jest kolejność umieszczania elementów: należy je umieścić tak, aby zmaksymalizować szansę na wczesne zwycięstwo.

Główną różnicą między tym rozwiązaniem a użytkownikiem 1502040 jest to, że nie używam tabeli Zobrist, ale kanoniczną reprezentację tablicy, gdzie uważam, że każda tablica ma 48 możliwych transpozycji względem cech (2 * 4!). Nie obracam ani nie transponuję całej planszy, a jedynie cechy poszczególnych elementów.

To najlepsze, co mogłem wymyślić. Najbardziej pożądane są pomysły na oczywiste lub mniej oczywiste optymalizacje!

public class Q {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(countDraws(getStartBoard(), 0));
    }

    /** Order of squares being filled, chosen to maximize the chance of an early win */
    private static int[] indexShuffle = {0, 5, 10, 15, 14, 13, 12, 9, 1, 6, 3, 2, 7, 11, 4, 8};

    /** Highest depth for using the lookup */
    private static final int MAX_LOOKUP_INDEX = 10;

    public static long countDraws(long board, int turn) {
        long signature = 0;
        if (turn < MAX_LOOKUP_INDEX) {
            signature = getSignature(board, turn);
            if (cache.get(turn).containsKey(signature))
                return cache.get(turn).get(signature);
        }
        int indexShuffled = indexShuffle[turn];
        long count = 0;
        for (int n = turn; n < 16; n++) {
            long newBoard = swap(board, indexShuffled, indexShuffle[n]);
            if (partialEvaluate(newBoard, indexShuffled))
                continue;
            if (turn == 15)
                count++;
            else
                count += countDraws(newBoard, turn + 1);
        }
        if (turn < MAX_LOOKUP_INDEX)
            cache.get(turn).put(signature, count);
        return count;
    }

    /** Get the canonical representation for this board and turn */
    private static long getSignature(long board, int turn) {
        int firstPiece = getPiece(board, indexShuffle[0]);
        long signature = minTranspositionValues[firstPiece];
        List<Integer> ts = minTranspositions.get(firstPiece);
        for (int n = 1; n < turn; n++) {
            int min = 16;
            List<Integer> ts2 = new ArrayList<>();
            for (int t : ts) {
                int piece = getPiece(board, indexShuffle[n]);
                int posId = transpositions[piece][t];
                if (posId == min) {
                    ts2.add(t);
                } else if (posId < min) {
                    min = posId;
                    ts2.clear();
                    ts2.add(t);
                }
            }
            ts = ts2;
            signature = signature << 4 | min;
        }
        return signature;
    }

    private static int getPiece(long board, int position) {
        return (int) (board >>> (position << 2)) & 0xf;
    }

    /** Only evaluate the relevant winning possibilities for a certain turn */
    private static boolean partialEvaluate(long board, int turn) {
        switch (turn) {
            case 15:
                return evaluate(board, masks[8]);
            case 12:
                return evaluate(board, masks[3]);
            case 1:
                return evaluate(board, masks[5]);
            case 3:
                return evaluate(board, masks[9]);
            case 2:
                return evaluate(board, masks[0]) || evaluate(board, masks[6]);
            case 11:
                return evaluate(board, masks[7]);
            case 4:
                return evaluate(board, masks[1]);
            case 8:
                return evaluate(board, masks[4]) || evaluate(board, masks[2]);
        }
        return false;
    }

    private static List<Map<Long, Long>> cache = new ArrayList<>();
    static {
        for (int i = 0; i < 16; i++)
            cache.add(new HashMap<>());
    }

    private static boolean evaluate(long board, long[] masks) {
        return _evaluate(board, masks) || _evaluate(~board, masks);
    }

    private static boolean _evaluate(long board, long[] masks) {
        for (long mask : masks)
            if ((board & mask) == mask)
                return true;
        return false;
    }

    private static long swap(long board, int x, int y) {
        if (x == y)
            return board;
        if (x > y)
            return swap(board, y, x);
        long xValue = (board & swapMasks[1][x]) << ((y - x) * 4);
        long yValue = (board & swapMasks[1][y]) >>> ((y - x) * 4);
        return board & swapMasks[0][x] & swapMasks[0][y] | xValue | yValue;
    }

    private static long getStartBoard() {
        long board = 0;
        for (long n = 0; n < 16; n++)
            board |= n << (n * 4);
        return board;
    }

    private static List<Integer> allPermutations(int input, int size, int idx, List<Integer> permutations) {
        for (int n = idx; n < size; n++) {
            if (idx == 3)
                permutations.add(input);
            allPermutations(swapBit(input, idx, n), size, idx + 1, permutations);
        }
        return permutations;
    }

    private static int swapBit(int in, int x, int y) {
        if (x == y)
            return in;
        int xMask = 1 << x;
        int yMask = 1 << y;
        int xValue = (in & xMask) << (y - x);
        int yValue = (in & yMask) >>> (y - x);
        return in & ~xMask & ~yMask | xValue | yValue;
    }

    private static int[][] transpositions = new int[16][48];
    static {
        for (int piece = 0; piece < 16; piece++) {
            transpositions[piece][0] = piece;
            List<Integer> permutations = allPermutations(piece, 4, 0, new ArrayList<>());
            for (int n = 1; n < 24; n++)
                transpositions[piece][n] = permutations.get(n);
            permutations = allPermutations(~piece & 0xf, 4, 0, new ArrayList<>());
            for (int n = 24; n < 48; n++)
                transpositions[piece][n] = permutations.get(n - 24);
        }
    }

    private static int[] minTranspositionValues = new int[16];
    private static List<List<Integer>> minTranspositions = new ArrayList<>();
    static {
        for (int n = 0; n < 16; n++) {
            int min = 16;
            List<Integer> elems = new ArrayList<>();
            for (int t = 0; t < 48; t++) {
                int elem = transpositions[n][t];
                if (elem < min) {
                    min = elem;
                    elems.clear();
                    elems.add(t);
                } else if (elem == min)
                    elems.add(t);
            }
            minTranspositionValues[n] = min;
            minTranspositions.add(elems);
        }
    }

    private static final long ROW_MASK = 1L | 1L << 4 | 1L << 8 | 1L << 12;
    private static final long COL_MASK = 1L | 1L << 16 | 1L << 32 | 1L << 48;
    private static final long FIRST_DIAG_MASK = 1L | 1L << 20 | 1L << 40 | 1L << 60;
    private static final long SECOND_DIAG_MASK = 1L << 12 | 1L << 24 | 1L << 36 | 1L << 48;

    private static long[][] masks = new long[10][4];
    static {
        for (int m = 0; m < 4; m++) {
            long row = ROW_MASK << (16 * m);
            for (int n = 0; n < 4; n++)
                masks[m][n] = row << n;
        }
        for (int m = 0; m < 4; m++) {
            long row = COL_MASK << (4 * m);
            for (int n = 0; n < 4; n++)
                masks[m + 4][n] = row << n;
        }
        for (int n = 0; n < 4; n++)
            masks[8][n] = FIRST_DIAG_MASK << n;
        for (int n = 0; n < 4; n++)
            masks[9][n] = SECOND_DIAG_MASK << n;
    }

    private static long[][] swapMasks;
    static {
        swapMasks = new long[2][16];
        for (int n = 0; n < 16; n++)
            swapMasks[1][n] = 0xfL << (n * 4);
        for (int n = 0; n < 16; n++)
            swapMasks[0][n] = ~swapMasks[1][n];
    }
}

Zmierzony wynik:

$ time java -jar quarto.jar 
414298141056

real    20m51.492s
user    23m32.289s
sys     0m9.983s

Wynik (użytkownik + sys): 23m42.272s