Ｎクイーン問題（４９）第七章 マルチスレッド Python編

#
# スレッドフラグ True:する False:しない
THREAD=True
# THREAD=False
#

  #
  # 初期化
  def __init__(self,size,w,count,THREAD): # pylint:disable=R0913
    super(nQueens,self).__init__()
    self.size=size
    # self.COUNTER=[0]*3
    self.count=count
    self.pres_a=[0]*930
    self.pres_b=[0]*930
    self.B=Board(size)
    self.w=w      # マルチスレッド版ビルドチェーン外側の`for` の w
    self.child=None
    self.THREAD=THREAD      # スレッドフラグ 
    # マルチスレッド
    #for w in range( (self.size//2)*(self.size-3) +1):
    self.range=(self.size//2)*(self.size-3) +1
    if THREAD:  # THREAD フラグがTrueのときはマルチスレッド
      if w<self.range: 
        self.child=nQueens(size,w+1,count,THREAD)
        self.carryChain()
        self.child.start()
        # self.child.join()   # run()の末尾へ移動
    else:       # THREAD フラグがFalseのときはシングルスレッド
      self.child=None

  #
  # スレッド
  def run(self):
    if self.child is None:
    # シングルスレッド
      self.buildChain()  # チェーンのビルド
    else:
    # マルチスレッド
      self.buildChain_multiThread(self.w)
      self.child.join()

#
# カウンタークラス　ロック付き
class Count:
  def __init__(self,lock):
    self.COUNTER=[0]*3
    self.lock=lock
  #
  # ユニーク数の集計
  def getUnique(self):
    return self.COUNTER[0]+self.COUNTER[1]+self.COUNTER[2]
  #
  # 合計解の集計
  def getTotal(self):
    return self.COUNTER[0]*2+self.COUNTER[1]*4+self.COUNTER[2]*8
  #
  # カウンター セッター
  def setCount(self,sym,count):
    with self.lock:
      self.COUNTER[sym]+=count
      # print(str("sym:" + str(sym) + "count:" +str(count)))

    lock=threading.Lock()
    count=Count(lock)
    nq=nQueens(size,w,count,THREAD)
    nq.carryChain()
    nq.start()
    nq.join()
    time_elapsed = datetime.now() - start_time

#
# カウンタークラス　ロック付き
class Count:
  def __init__(self,lock):
    self.COUNTER=[0]*3
    self.lock=lock
  #

  #
  # カウンター セッター
  def setCount(self,sym,count):
    with self.lock:
      self.COUNTER[sym]+=count
      # print(str("sym:" + str(sym) + "count:" +str(count)))

#!/usr/bin/env python3

# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import copy
from datetime import datetime
import logging
import threading
from threading import Thread

"""
マルチスレッド対応版 Ｎクイーン



詳細はこちら。
【参考リンク】Ｎクイーン問題 過去記事一覧はこちらから
https://suzukiiichiro.github.io/search/?keyword=Ｎクイーン問題

エイト・クイーンのプログラムアーカイブ
Bash、Lua、C、Java、Python、CUDAまで！
https://github.com/suzukiiichiro/N-Queens

# 実行 
$ python <filename.py>

# 実行結果
bash-3.2$ python 12Python_multiThread.py
キャリーチェーン シングルスレッド
 N:        Total       Unique        hh:mm:ss.ms
 5:           10            2         0:00:00.002
 6:            4            1         0:00:00.010
 7:           40            6         0:00:00.046
 8:           92           12         0:00:00.205
 9:          352           46         0:00:00.910
10:          724           92         0:00:03.542
11:         2680          341         0:00:12.184
12:        14200         1788         0:00:36.986


bash-3.2$ python 12Python_multiThread.py
キャリーチェーン マルチスレッド
 N:        Total       Unique        hh:mm:ss.ms
 5:           10            2         0:00:00.003
 6:            4            1         0:00:00.013
 7:           40            6         0:00:00.049
 8:           92           12         0:00:00.215
 9:          352           46         0:00:00.934
10:          724           92         0:00:03.690
11:         2680          341         0:00:12.708
12:        14200         1788         0:00:40.294
"""
#
# Board ボードクラス
class Board:
  def __init__(self,size):
    self.size=size
    self.row=0
    self.left=0
    self.down=0
    self.right=0
    self.X=[-1 for i in range(size)]
#
# カウンタークラス　ロック付き
class Count:
  def __init__(self,lock):
    self.COUNTER=[0]*3
    self.lock=lock
  #
  # ユニーク数の集計
  def getUnique(self):
    return self.COUNTER[0]+self.COUNTER[1]+self.COUNTER[2]
  #
  # 合計解の集計
  def getTotal(self):
    return self.COUNTER[0]*2+self.COUNTER[1]*4+self.COUNTER[2]*8
  #
  # カウンター セッター
  def setCount(self,sym,count):
    with self.lock:
      self.COUNTER[sym]+=count
      # print(str("sym:" + str(sym) + "count:" +str(count)))
#
# nQueens メインスレッドクラス
class nQueens(Thread): # pylint:disable=RO902
  # ボード外側２列を除く内側のクイーン配置処理
  def solve(self,row,left,down,right):
    total=0
    if not down+1:
      return 1
    while row&1:
      row>>=1
      left<<=1
      right>>=1
    row>>=1           # １行下に移動する
    bitmap=~(left|down|right)
    while bitmap!=0:
      bit=-bitmap&bitmap
      total+=self.solve(row,(left|bit)<<1,down|bit,(right|bit)>>1)
      bitmap^=bit
    return total
  #
  # キャリーチェーン　solve()を呼び出して再起を開始する
  def process(self,sym):
    self.count.setCount(sym,self.solve(self.B.row>>2,self.B.left>>4,((((self.B.down>>2)|(~0<<(self.size-4)))+1)<<(self.size-5))-1,(self.B.right>>4)<<(self.size-5)))
  #
  # キャリーチェーン　対象解除
  def carryChainSymmetry(self,n,w,s,e):
    # n,e,s=(N-2)*(N-1)-1-w の場合は最小値を確認する。
    ww=(self.size-2)*(self.size-1)-1-w
    w2=(self.size-2)*(self.size-1)-1
    # 対角線上の反転が小さいかどうか確認する
    if s==ww and n<(w2-e): return 
    # 垂直方向の中心に対する反転が小さいかを確認
    if e==ww and n>(w2-n): return
    # 斜め下方向への反転が小さいかをチェックする
    if n==ww and e>(w2-s): return
    # 【枝刈り】１行目が角の場合
    # １．回転対称チェックせずにCOUNT8にする
    if not self.B.X[0]:
      self.process(2) # COUNT8
      return
    # n,e,s==w の場合は最小値を確認する。
    # : '右回転で同じ場合は、
    # w=n=e=sでなければ値が小さいのでskip
    # w=n=e=sであれば90度回転で同じ可能性 ';
    if s==w:
      if n!=w or e!=w: return
      self.process(0) # COUNT2
      return
    # : 'e==wは180度回転して同じ
    # 180度回転して同じ時n>=sの時はsmaller?  ';
    if e==w and n>=s:
      if n>s: return
      self.process(1) # COUNT4
      return
    self.process(2)   # COUNT8
    return
  #
  # キャリーチェーン 効きのチェック dimxは行 dimyは列
  def placement(self,dimx,dimy):
    if self.B.X[dimx]==dimy:
      return 1
    if self.B.X[0]:
      if self.B.X[0]!=-1:
        if((dimx<self.B.X[0] or dimx>=self.size-self.B.X[0]) and 
          (dimy==0 or dimy==self.size-1)): return 0
        if((dimx==self.size-1) and 
          (dimy<=self.B.X[0] or dimy>=self.size-self.B.X[0])):return 0
    else:
      if self.B.X[1]!=-1:
        if self.B.X[1]>=dimx and dimy==1: return 0
    if( (self.B.row & 1<<dimx) or 
        (self.B.left & 1<<(self.size-1-dimx+dimy)) or
        (self.B.down & 1<<dimy) or
        (self.B.right & 1<<(dimx+dimy))): return 0
    self.B.row|=1<<dimx
    self.B.left|=1<<(self.size-1-dimx+dimy)
    self.B.down|=1<<dimy
    self.B.right|=1<<(dimx+dimy)
    self.B.X[dimx]=dimy
    return 1
  #
  # チェーンのビルド
  def buildChain(self):
    wB=copy.deepcopy(self.B)
    for w in range( (self.size//2)*(self.size-3) +1):
      self.B=copy.deepcopy(wB)
      # １．０行目と１行目にクイーンを配置
      if self.placement(0,self.pres_a[w])==0:
        continue
      if self.placement(1,self.pres_b[w])==0:
        continue
      # ２．９０度回転
      nB=copy.deepcopy(self.B)
      mirror=(self.size-2)*(self.size-1)-w
      for n in range(w,mirror,1):
        self.B=copy.deepcopy(nB)
        if self.placement(self.pres_a[n],self.size-1)==0:
          continue
        if self.placement(self.pres_b[n],self.size-2)==0:
          continue
        # ３．９０度回転
        eB=copy.deepcopy(self.B)
        for e in range(w,mirror,1):
          self.B=copy.deepcopy(eB)
          if self.placement(self.size-1,self.size-1-self.pres_a[e])==0:
            continue
          if self.placement(self.size-2,self.size-1-self.pres_b[e])==0:
            continue
          # ４．９０度回転
          sB=copy.deepcopy(self.B)
          for s in range(w,mirror,1):
            self.B=copy.deepcopy(sB)
            if self.placement(self.size-1-self.pres_a[s],0)==0:
              continue
            if self.placement(self.size-1-self.pres_b[s],1)==0:
              continue
            # 対象解除法
            self.carryChainSymmetry(n,w,s,e)
  # マルチスレッド版 チェーンのビルド
  def buildChain_multiThread(self,w):
    wB=copy.deepcopy(self.B)
    # for w in range( (self.size//2)*(self.size-3) +1):
    self.B=copy.deepcopy(wB)
    # １．０行目と１行目にクイーンを配置
    if self.placement(0,self.pres_a[w])==0:
      # continue
      return 
    if self.placement(1,self.pres_b[w])==0:
      # continue
      return 
    # ２．９０度回転
    nB=copy.deepcopy(self.B)
    mirror=(self.size-2)*(self.size-1)-w
    for n in range(w,mirror,1):
      self.B=copy.deepcopy(nB)
      if self.placement(self.pres_a[n],self.size-1)==0:
        continue
      if self.placement(self.pres_b[n],self.size-2)==0:
        continue
      # ３．９０度回転
      eB=copy.deepcopy(self.B)
      for e in range(w,mirror,1):
        self.B=copy.deepcopy(eB)
        if self.placement(self.size-1,self.size-1-self.pres_a[e])==0:
          continue
        if self.placement(self.size-2,self.size-1-self.pres_b[e])==0:
          continue
        # ４．９０度回転
        sB=copy.deepcopy(self.B)
        for s in range(w,mirror,1):
          self.B=copy.deepcopy(sB)
          if self.placement(self.size-1-self.pres_a[s],0)==0:
            continue
          if self.placement(self.size-1-self.pres_b[s],1)==0:
            continue
          # 対象解除法
          self.carryChainSymmetry(n,w,s,e)
  #
  # チェーンの初期化
  def initChain(self):
    idx=0
    for a in range(self.size):
      for b in range(self.size):
        if (a>=b and (a-b)<=1) or (b>a and (b-a<=1)):
          continue
        self.pres_a[idx]=a
        self.pres_b[idx]=b
        idx+=1
  #
  # キャリーチェーン
  def carryChain(self):
    self.initChain()     # チェーンの初期化
  #
  # スレッド
  def run(self):
    if self.child is None:
    # シングルスレッド
      self.buildChain()  # チェーンのビルド
    else:
    # マルチスレッド
      self.buildChain_multiThread(self.w)
      self.child.join()
  #
  # 初期化
  def __init__(self,size,w,count,THREAD): # pylint:disable=R0913
    super(nQueens,self).__init__()
    self.size=size
    # self.COUNTER=[0]*3
    self.count=count
    self.pres_a=[0]*930
    self.pres_b=[0]*930
    self.B=Board(size)
    self.w=w      # マルチスレッド版ビルドチェーン外側の`for` の w
    self.child=None
    self.THREAD=THREAD      # スレッドフラグ 
    # マルチスレッド
    #for w in range( (self.size//2)*(self.size-3) +1):
    self.range=(self.size//2)*(self.size-3) +1
    if THREAD:  # THREAD フラグがTrueのときはマルチスレッド
      if w<self.range: 
        self.child=nQueens(size,w+1,count,THREAD)
        self.carryChain()
        self.child.start()
        # self.child.join()   # run()の末尾へ移動
    else:       # THREAD フラグがFalseのときはシングルスレッド
      self.child=None
#
# スレッドフラグ True:する False:しない
THREAD=True
# THREAD=False
#
# メイン
def main():
  nmin = 5
  nmax = 21
  if THREAD:
    print("キャリーチェーン マルチスレッド")
  else:
    print("キャリーチェーン シングルスレッド")
  print(" N:        Total       Unique        hh:mm:ss.ms")
  for size in range(nmin, nmax,1):
    start_time = datetime.now()
    w=0   # マルチスレッド用キャリーチェーンのbuildChain()内の一番外側のforのw
    lock=threading.Lock()
    count=Count(lock)
    nq=nQueens(size,w,count,THREAD)
    nq.carryChain()
    nq.start()
    nq.join()
    time_elapsed = datetime.now() - start_time
    _text = '{}'.format(time_elapsed)
    text = _text[:-3]
    print("%2d:%13d%13d%20s" % (size, count.getTotal(),count.getUnique(),text))  # 出力
#
main()
#