81
правка
Изменения
Нет описания правки
<tex dpi ="200"> 1 \mid prec,pmtn,r_i \mid f_{max}</tex> {{Задача|definition = Постановка задачи <wikitex>Дано $n$ работ, которые надо выполнить на одной машине, причем $i$-ая работа выполняется $p_i$ времени. Для каждой работы задана монотонно неубывающая функция $f_i$. Работы можно прерывать, у каждой работы есть время появления $r_{i}$. Также между работами заданы отношения в виде ориентированного графа без циклов: если существует ребро $a \to b$, то работа $a$ должна завершиться до начала выполнения работы $b$. Необходимо построить такое расписание, чтобы величина $f_{max} =\max\limits_{j=1..n}{f_j(C_j)}$, где $C_j$ {{---}} время окончания выполнения $j$-ой работы, была минимальна.</wikitex>}}
Задача <tex> 1 \mid prec, pmtn, r_i \mid f_{max} </tex> является обобщением [[Правило Лаулера|<tex>1 \mid prec \mid f_{max}</tex>]], но здесь у работ также есть времена появления, раньше которых их делать запрещено, и их можно прерывать.
== Алгоритм ==
Работу будем обозначать просто ее номером (<tex> (i )</tex>), при этом, номера работ могут меняться в зависимости от того, по какому параметру они отсортированы. Время появления работы — <tex> r_i r[i]</tex>, время, требуемое для ее выполнения — <tex> p_i p[i] </tex>. Множество ребер графа обозначается как <tex> E </tex>. ===Идея алгоритма===Будем решать задачу рекурсивно. Разобьем множество работ на подмножества (блоки), внутри которых не будет перерыва между выполнением работ. После этого для каждого из блоков найдем работу, которую выгоднее всего выполнить последней, удалим работу из соответствующего блока и повторим разбиение на подблоки для оставшихся работ. Пустые промежутки между подблоками, полученными из данного блока, заполним выбранной работой. Повторим рекурсивно для каждого из полученных подблоков. Как будет показано далее, данный алгоритм строит корректное и оптимальное расписание. Можно заметить, что если на каждом этапе будет получаться всего один блок, алгоритм выродится в [[Правило_Лаулера|алгоритм Лаулера]]. === Препроцессинг ===Для начала, модифицируем времена появления работ. Если работа <tex> j </tex> зависит от <tex> i </tex>, то, очевидно, она не может быть начата раньше, чем закончится выполнение <tex> i </tex>, поэтому нужно заменить <tex> r_j </tex> на <tex> \max(r_j, r_i + p_i) </tex>. Алгоритм, делающий это, представлен ниже (работы рассматриваются в порядке [[Использование_обхода_в_глубину_для_топологической_сортировки|топологической сортировки]]): '''int[]''' modify('''int''' jobs[n]): rm = copy(r) '''for''' u = 1 '''to''' n '''for''' (u, v) <tex> \in </tex> E rm[v] = max(rm[v], rm[u] + p[u]) '''return''' rm После выполнения этого алгоритма для любых двух работ <tex> i, j </tex>, таких, что <tex> j </tex> зависит от <tex> i </tex>, выполняется <tex> rm[j] > rm[i] </tex>, поэтому, при рассмотрении работ в порядке неубывания времен их появления, они также будут топологически отсортированы. === Разбиение на блоки ===Здесь и далее считается, что работы отсортированы в порядке неубывания модифицированных <tex> rm_i </tex>. Станок, выполняющий работы, выполняет работу в некоторые интервалы времени и простаивает в остальное время. Следующий алгоритм разбивает множество работ на блоки, внутри которых станок работает без простоя. '''Структура блока''' '''struct''' Block '''int''' start <font color = "darkgreen">// Время начала выполнения блока</font> '''int''' time <font color = "darkgreen">// Время, затрачиваемое на соответствующий блок</font> '''int''' end <font color = "darkgreen"> // Время конца выполнения блока </font> '''int[]''' jobs <font color = "darkgreen">// Номера работ</font> '''void''' add() <font color = "darkgreen">// Добавляет работу в конец jobs[] </font> Нетрудно заметить, что переменная <tex>\mathrm{end}</tex> получается из суммы <tex>\mathrm{start}</tex> и <tex>\mathrm{time}</tex>. Используется для читаемости и уменьшения кода <tex>\mathrm{Decompose}</tex>. Можно воспринимать как макроподстановку. '''Алгоритм разбиения''' '''Block[]''' blocks('''int''' p[n], '''int''' rm[n]): '''int''' j = 0 '''int''' t = 0 <font color="darkgreen">// Переменная t указывает на время завершения последней работы </font> '''Block''' b[n] '''for''' i = 1 '''to''' n '''if''' t < rm[i] <font color="darkgreen">// Время появления очередной работы больше, чем время завершения последней </font> t = rm[i] <font color="darkgreen">// работы в блоке, не можем начать её делать. Создаём новый блок </font> j = j + 1 b[j].start = rm[i] b[j].time = 0 b[j].add(i) <font color="darkgreen">// Добавляем к последнему блоку рассматриваемую работу, </font> b[j].time = b[j].time + p[i] <font color="darkgreen">// увеличиваем суммарное время внутри блока и текущее время</font> t = t + p[i] '''return''' b Если значение <tex>n</tex> равно нулю, то считаем, что алгоритм <tex>\mathrm{Blocks}</tex> возвращает пустое множество. Определим время начала блока <tex> B_j </tex> как <tex>s_j = \min\limits_{i \in B_j} rm_i </tex>, а время конца — как <tex> e_j = s_j + \sum\limits_{i \in B_j} p_i </tex>. {{Лемма|statement=Существует оптимальное расписание, такое, что все во все временные интервалы <tex> [s_j; e_j] </tex>, соответствующие блокам <tex> B_j </tex>, построенным алгоритмом <tex>\mathrm{Blocks}</tex>, станок работает без простоя.|proof=Возьмем произвольное оптимальное расписание <tex> S </tex>, в нем деление на блоки может также быть произвольным. Найдем первый такой временной интервал <tex> [s_j; e_j] </tex>, что в <tex> S </tex> есть период простоя внутри <tex> [s_j; e_j] </tex> (если таких периодов несколько, будем рассматривать первый из них). Обозначим его за <tex> [s; e] </tex>. Возьмем некоторую работу <tex> i </tex>, такую, что она начинается позже, чем в момент времени <tex> s </tex>, не имеет в графе зависимостей предков, завершаемых позже, чем в момент <tex> s </tex> и <tex> rm_i \leqslant s </tex>. Такая работа обязательно существует, иначе для множества работ, выполняемых позже, чем в момент <tex> s </tex>, было бы <tex> r = \min\limits_{k \in T} rm_k > s </tex>, и внутри блока <tex> B_j </tex> был бы простой <tex> [s_j; r] </tex>, что невозможно по построению алгоритма Blocks. Очевидно, мы можем начать выполнять ее в момент времени <tex> s </tex> и полностью, либо частично заполнить простой <tex> [s; e] </tex>; так как <tex> f_i </tex> — неубывающая функция, то ответ останется оптимальным. Повторяя этот процесс, мы за конечное число шагов придем к оптимальному расписанию с требуемым свойством.}}
=== Modify Декомпозиция ===Для началаДопустим, модифицируем времена появления у нас есть блок работ, который можно выполнить без прерываний. Если работа Общая идея алгоритма <tex> j \mathrm{Decompose}</tex> зависит от следующая: найдем работу <tex> i </tex>, то, очевиднокоторую выгоднее всего выполнить последней. Разобъем оставшееся множество работ на блоки, она не может быть начата раньше, чем закончится выполнение решим задачу для этих блоков рекурсивно и вставим </tex> i </tex>в промежутки между ними, до них и после них, поэтому нужно заменить начиная с <tex> r_j rm_i </tex> на . Псевдокод этого алгоритма представлен ниже. Алгоритм принимает множество блоков и изначально пустое расписание, при каждом вызове заполняет пробелы в расписании очередной работой и обновляет ответ. Возвращает оптимальное расписание и соответствующее значение <tex> \f_{max(r_j, r_i + p_i) }</tex>. Алгоритм, делающий это, представлен ниже (работы рассматриваются в порядке топологической сортировки):
=== Общий алгоритм ===
Выполним <tex>\mathrm{Modify()}</tex>, после чего разобъем все множество работ на блоки и для каждого блока запустим <tex>\mathrm{Decompose()}</tex>:
== Время работы ==
{{Теорема
|statement=
Время работы алгоритма MakeSchedule() — <tex> O(n^2) </tex> операций.
|proof=
Обозначим за <tex> P(n) </tex> время, необходимое для выполнения алгоритма MakeSchedule() на n работах. Очевидно, для корректно определенной функции P в силу структуры алгоритма должно выполняться неравенство:
<tex> P(n) \ge geqslant сn + \sum\limits_{i = 1}^{k} P(n_i) </tex>
Здесь <tex> n_i </tex> - размер блока с номером <tex> i </tex>, построенного алгоритмом Blocks(). Заметим, что <tex> \sum\limits_{i = 1}^{k} n_i = n - 1</tex>.
Если <tex> P(n) = an^2 </tex>, то имеем:
<tex> an^2 \ge geqslant cn + a \sum\limits_{i = 1}^{k} n_i^2 </tex>
Так как <tex> n^2 > (n - 1)^2 = \Big(\sum\limits_{i = 1}^{k} n_i\Big)^2 = \sum\limits_{i = 1}^{k} n_i^2 + 2\sum\limits_{\substack{i, j = 1\\ i \ne j}}^{k} n_i n_j </tex>, то можно переписать неравенство в следующем виде:
<tex> 2a \sum\limits_{\substack{i, j = 1\\ i \ne j}}^{k} n_i n_j \ge geqslant cn </tex>
Чтобы получить максимальную нижнюю оценку на <tex> a </tex>, оценим снизу <tex> \sum\limits_{i, j = 1}^{k} n_i n_j </tex>:
Значит, при <tex> a \ge geqslant \fracdfrac{ccn}{2} \fraccdot \dfrac{n4}{\frac{nk}{4}} = \fracdfrac{2c}{k} </tex> требуемое неравенство будет выполняться.
}}
==См. также==
*[[Правило_Лаулера|Правило Лаулера]]
==Источники информации==
* Peter Brucker. «Scheduling Algorithms» {{---}} «Springer», 2006 г. {{---}} 63-67 стр. {{---}} ISBN 978-3-540-69515-8
[[Категория: Алгоритмы и структуры данных]]
[[Категория: Теория расписаний]]