The Boys (versão 2024/2)

Este projeto foi inicialmente concebido pelos profs. Fabiano Silva, Luis Bona e Marcos Castilho para as disciplinas CI1001 e CI067, levemente inspirada na série de TV The Boys. Esta página descreve uma versão modificada do projeto original.

O problema

Este projeto consiste em simular um mundo com heróis, bases e missões. Cada herói possui um conjunto de habilidades (vôo, invisibilidade, visão de raios X, superaudição, etc.), um nível de experiência e outros atributos.

As bases estão espalhadas pelo mundo e os heróis se deslocam periodicamente entre elas. Cada base possui uma lotação máxima e uma fila de espera; ao chegar na base, o herói pode decidir entre esperar na fila ou desistir, viajando para outra base. Cada base possui um porteiro que gerencia a entrada/saída dos heróis e a fila de espera.

Esporadicamente surgem missões em locais aleatórios desse mundo; cada missão exige um conjunto de habilidades específicas. A missão pode ser atendida por uma equipe de heróis que se encontre em uma base, desde que os heróis da equipe tenham, em conjunto, as habilidades requeridas. Ao ser escolhido para participar de uma missão, cada herói recebe pontos de experiência.

Este projeto consiste em simular a dinâmica desse mundo durante um ano (525.600 minutos). Ao final, a simulação deve apresentar o número de missões cumpridas (pontos ganhos) por cada herói e outras estatísticas.

Simulação a eventos discretos

Simular é construir e executar um modelo computacional que imita de forma aproximada a realidade e sua evolução ao longo do tempo. A simulação é uma ferramenta muito usada no estudo de fenômenos naturais, como técnica de ensino (oferecendo para os alunos um ambiente onde é possı́vel experimentar e errar sem as consequências do ambiente real) e também em muitos jogos eletrônicos. A simulação de eventos discretos (SED) é uma forma de simulação que modela a dinâmica de um sistema como uma sequência de eventos ocorrendo ao longo do tempo.

O modelo de simulação possui uma estrutura estática e uma estrutura dinâmica:

Um simulador é um programa que executa os eventos em sequência e evolui o modelo de simulação no tempo. Para isso, ele mantém um relógio global, representando o tempo atual no modelo, e uma Lista de Eventos Futuros (LEF), que é basicamente uma fila de prioridades ordenada por datas de ocorrência crescentes, como em uma agenda:

10:00 ir ao dentista
 : (aqui está no dentista)
11:45 voltar do dentista
12:00 almoçar
 : (aqui está almoçando)
13:00 ir à UFPR
13:30 ir à aula de Cálculo
 : (aqui está na aula)
15:20 sair da aula de Cálculo
15:30 ir à aula de Programação
 : (aqui está na aula)
17:30 sair da aula de Programação
18:00 voltar para casa
 : (aqui está voltando para casa)
...

O relógio do simulador geralmente é um número inteiro que representa o tempo no sistema simulado e não tem relação direta com o tempo físico. Dependendo do modelo, cada unidade de tempo simulado pode representar microssegundos (em uma simulação de circuitos lógicos), minutos (simulação de tráfego) ou mesmo milhares de anos (simulação geológica).

Executar a simulação consiste basicamente em processar os eventos em sequência. O processamento de um evento pode alterar o estado do sistema e criar novos eventos no futuro. O estado do sistema não é alterado entre dois eventos, por isso o relógio do simulador pode saltar diretamente de um evento para o próximo. Dessa forma, o ciclo básico de funcionamento do simulador é bem simples:

  1. retirar o primeiro evento da lista de eventos
  2. atualizar o relógio com o instante do evento
  3. processar o evento:
    1. atualizar o estado do sistema
    2. agendar novos eventos porventura criados
  4. repetir até concluir a simulação

Dessa forma, uma simulação pode ser traduzida no seguinte pseudocódigo:

iniciar as entidades e atributos do mundo
criar a fila de eventos futuros
criar os eventos iniciais
  
relógio = 0
repetir
    ev = 1º evento da lista de eventos futuros
    relógio = tempo (ev)
    caso tipo (ev) seja:
        EV1: executa evento 1
        EV2: executa evento 2
        EV3: executa evento 3
        ...
    fim
até o fim da simulação
  
apresentar resultados

Entidades

Nosso mundo simulado é composto de diversos tipos de entidades, cada uma com seus próprios atributos:

Herói (H): representa cada herói:

Base (B): Representa cada local frequentado pelos heróis para formar equipes; cada base tem uma localização em um plano cartesiano, tem uma lotação, pode estar cheia e possui uma fila de espera:

Missão (M): representa cada missão:

Mundo (W): O mundo é definido pelas entidades acima e algumas informações gerais:

Eventos

Os eventos implementam as mudanças de estado que fazem evoluir a simulação. Cada evento tem um instante de ocorrência, pode consultar e alterar variáveis (atributos das entidades) e pode criar outros eventos no presente ou no futuro.

Evento CHEGA

Representa um herói H chegando em uma base B no instante T. Ao chegar, o herói analisa o tamanho da fila e decide se espera para entrar ou desiste:

CHEGA (T, H, B):

atualiza base de H

se há vagas em B e a fila de espera em B está vazia:
    espera = true
senão:
    espera = (paciência de H) > (10 * tamanho da fila em B)

se espera:
    cria e insere na LEF o evento ESPERA (agora, H, B)
senão:
    cria e insere na LEF o evento DESISTE (agora, H, B)
A Lista de Eventos Futuros (LEF) pode ser implementada usando o TAD “fila de prioridades” previamente implementado.

Evento ESPERA

O herói H entra na fila de espera da base B. Assim que H entrar na fila, o porteiro da base B deve ser avisado para verificar a fila:

ESPERA (T, H, B):

adiciona H ao fim da fila de espera de B
cria e insere na LEF o evento AVISA (agora, B)
A fila de espera de cada base pode ser implementada usando o TAD “lista de inteiros” previamente implementado.

Evento DESISTE

O herói H desiste de entrar na base B, escolhe uma base aleatória D e viaja para lá:

DESISTE (T, H, B):

escolhe uma base destino D aleatória
cria e insere na LEF o evento VIAJA (agora, H, D)

Evento AVISA

O porteiro da base B trata a fila de espera:

AVISA (T, B):

enquanto houver vaga em B e houver heróis esperando na fila:
    retira primeiro herói (H') da fila de B
    adiciona H' ao conjunto de heróis presentes em B
    cria e insere na LEF o evento ENTRA (agora, H', B)

Evento ENTRA

O herói H entra na base B. Ao entrar, o herói decide quanto tempo vai ficar e agenda sua saída da base:

ENTRA (T, H, B):

calcula TPB = tempo de permanência na base:
    TPB = 15 + paciência de H * aleatório [1...20]
cria e insere na LEF o evento SAI (agora + TPB, H, B)

Evento SAI

O herói H sai da base B. Ao sair, escolhe uma base de destino para viajar; o porteiro de B é avisado, pois uma vaga foi liberada:

SAI (T, H, B):

retira H do conjunto de heróis presentes em B
escolhe uma base destino D aleatória
cria e insere na LEF o evento VIAJA (agora, H, D)
cria e insere na LEF o evento AVISA (agora, B)

Evento VIAJA

O herói H se desloca para uma base D (que pode ser a mesma onde já está):

VIAJA (T, H, D):

calcula duração da viagem:
    distância = distância cartesiana entre a base atual de H e a base D 
    duração = distância / velocidade de H
cria e insere na LEF o evento CHEGA (agora + duração, H, D)

Evento MORRE

O herói H morre no instante T. :NEW:

MORRE (T, H, B):

retira H do conjunto de heróis presentes em B
muda o status de H para morto 
cria e insere na LEF o evento AVISA (agora, B)

Evento MISSAO

Uma missão M é disparada no instante T. São características de uma missão:

Para simplificar o modelo, as missões são consideradas instantâneas e sem tempo de deslocamento. Por isso, neste modelo o herói nem sai da base. Um modelo mais completo deveria considerar as saídas para missões e os retornos, com suas respectivas durações.
MISSAO (T, M):

calcula a distância de cada base ao local da missão M
encontra BMP = base mais próxima da missão cujos heróis possam cumpri-la 
se houver uma BMP:
    marca a missão M como cumprida
    para cada herói H presente na BMP:
        risco = perigo (M) / (paciência (H) + experiência (H) + 1.0)
        se risco > aleatório (0, 30):
            cria e insere na LEF o evento MORRE (agora, H)
        senão:
            incrementa a experiência de H
senão:
    cria e insere na LEF o evento MISSAO (T + 24*60, M) para o dia seguinte

Evento FIM

Encerra a simulação no instante T:

FIM (T):
  encerra a simulação
  apresenta estatísticas dos heróis
  apresenta estatísticas das bases
  apresenta estatísticas das missões

Estado inicial

Inicialização do mundo virtual:

Tempo inicial:         T_INICIO        = 0
Tempo final (minutos): T_FIM_DO_MUNDO  = 525600
Tamanho do mundo:      N_TAMANHO_MUNDO = 20000
Número de habilidades: N_HABILIDADES   = 10
Número de heróis:      N_HEROIS        = N_HABILIDADES * 5
Número de bases:       N_BASES         = N_HEROIS / 5
Número de missões:     N_MISSOES       = T_FIM_DO_MUNDO / 100

Inicialização de cada herói:

id          = número sequencial [0...N_HEROIS-1]
experiência = 0
paciência   = número aleatório [0...100]
velocidade  = número aleatório [50...5000]  // em metros/minuto = 3 Km/h a 300 Km/h
habilidades = conjunto com tamanho aleatório [1...3] de habilidades aleatórias

Observe que cada herói possui entre 1 e 3 habilidades distintas, escolhidas aleatoriamente entre as habilidades possíveis.

Inicialização de cada base:

id        = número sequencial [0...N_BASES-1]
local     = par de números aleatórios [0...N_TAMANHO_MUNDO-1]
lotação   = número aleatório [3...10]
presentes = conjunto vazio (com capacidade para armazenar IDs de heróis até a lotação da base)
espera    = fila vazia

Inicialização de cada missão:

id          = número sequencial [0...N_MISSOES-1]
local       = par de números aleatórios [0...N_TAMANHO_MUNDO-1]
habilidades = conjunto com tamanho aleatório [6...10] de habilidades aleatórias
perigo      = número aleatório [0...100] 

Eventos iniciais

Antes de iniciar a simulação, é necessário criar e inserir na LEF alguns eventos iniciais. Esses eventos serão em seguida processados e poderão gerar novos eventos, o que fará avançar a simulação.

Cada herói chegará em uma base aleatória em algum momento dos três primeiros dias de simulação:

para cada herói H:
    base  = número aleatório [0...N_BASES-1]
    tempo = número aleatório [0...4320]  // 4320 = 60*24*3 = 3 dias
    criar e inserir na LEF o evento CHEGA (tempo, H, base)

Cada missão deve ser agendada para ocorrer em algum momento da simulação:

para cada missão M:
    tempo = número aleatório [0...T_FIM_DO_MUNDO]
    criar e inserir na LEF o evento MISSÃO (tempo, M) 

O evento FIM deve ser agendado para o instante final da simulação:

tempo = T_FIM_DO_MUNDO
criar e inserir na LEF o evento FIM (tempo)

Mensagens de Saída

Nenhuma divindade virtual se sente realizada sem conhecimento do que as pessoas de seu mundo estão fazendo. Por isso, nossa simulação deve imprimir algumas informações durante o processamento dos eventos. Essas mensagens também podem ser úteis no processo de depuração do código.

As seguintes mensagens devem ser geradas durante a execução dos eventos, com os formatos de impressão especificados:

Evento CHEGA

 45844: CHEGA  HEROI  0 BASE 2 ( 7/ 9) ESPERA
ou
 45844: CHEGA  HEROI  0 BASE 2 ( 7/ 9) DESISTE

%6d: CHEGA  HEROI %2d BASE %d (%2d/%2d) ESPERA
%6d: CHEGA  HEROI %2d BASE %d (%2d/%2d) DESISTE

Significado: no instante 45844 o herói 0 chega à entrada da base 2, que já tem 7 heróis presentes (sem contar ele) e lotação de 9 heróis. A mensagem informa também se o herói decidiu esperar para entrar ou desistiu.

Evento ESPERA

 45844: ESPERA HEROI  0 BASE 2 ( 4)

%6d: ESPERA HEROI %2d BASE %d (%2d)

Significado: no instante 45844 o herói 0 entra na fila de espera da base 2, que já tem 4 heróis aguardando na fila (sem contar ele).

Evento DESISTE

 45844: DESIST HEROI  0 BASE 2

%6d: DESIST HEROI %2d BASE %d

Significado: no instante 45844 o herói 0 desiste de entrar na base 2.

Evento AVISA

 45844: AVISA  PORTEIRO BASE 2 ( 7/ 9) FILA [ 30 17 04 23  0 ]
 45844: AVISA  PORTEIRO BASE 2 ADMITE 30
 45844: AVISA  PORTEIRO BASE 2 ADMITE 17

%6d: AVISA  PORTEIRO BASE %d (%2d/%2d) FILA [ %2d %2d ... ]
%6d: AVISA  PORTEIRO BASE %d ADMITE %2d

Significado:

Evento ENTRA

45844: ENTRA  HEROI 30 BASE 2 ( 8/ 9) SAI 46101

%6d: ENTRA  HEROI %2d BASE %d (%2d/%2d) SAI %d

Significado: no instante 45844 o herói 30 entra na base 2, que passa a ter 8 presentes e lotação de 9; sua saída da base está agendada para o instante 46101.

Evento SAI

46101: SAI    HEROI 30 BASE 2 ( 7/9)

%6d: SAI    HEROI %2d BASE %d (%2d/%2d)

Significado: no instante 46101 o herói 30 sai da base 2, que passa a ter 7 heróis presentes e lotação de 9.

Evento VIAJA

46101: VIAJA  HEROI 30 BASE 2 BASE 6 DIST 6922 VEL 4763 CHEGA 46102

%6d: VIAJA  HEROI %2d BASE %d BASE %d DIST %d VEL %d CHEGA %d

Significado: no instante 46101 o herói 30 inicia uma viagem da base 2 à base 6, com distância 6922 m, velocidade 4763 m/min e chegada prevista no instante 46102.

Evento MORRE

:NEW:

46101: MORRE  HEROI 27 MISSAO 3186

%6d: MORRE  HEROI %2d MISSAO %d

Significado: no instante 46101 o herói 27 morre, após participar da missão 3186.

Evento MISSÃO

Cada evento MISSÃO deve gerar ao menos estas mensagens:

120037: MISSAO 4150 TENT 1 HAB REQ: [ 0 2 3 4 6 7 8 9 ]
... (msgs de depuração, vide abaixo)
120037: MISSAO 4150 CUMPRIDA BASE 7 HABS: [ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ]
ou, caso não exista base com equipe apta:
120037: MISSAO 4150 IMPOSSIVEL

%6d: MISSAO %d TENT %d HAB REQ: [ %d %d ... ]
%6d: MISSAO %d CUMPRIDA BASE %d HABS: [ %d %d ... ]
ou
%6d: MISSAO %d IMPOSSIVEL

Significado:

Além das mensagens acima, recomenda-se fortemente gerar mensagens de depuração, detalhando como as bases são analisadas para encontrar a base mais próxima capaz de atender a missão:

120037: MISSAO 4150 BASE 1 DIST 6461 HEROIS [ 2 6 25 47 48 ]
120037: MISSAO 4150 HAB HEROI  2: [ 0 9 ]
120037: MISSAO 4150 HAB HEROI  6: [ 8 ]
120037: MISSAO 4150 HAB HEROI 25: [ 3 7 ]
120037: MISSAO 4150 HAB HEROI 47: [ 0 1 ]
120037: MISSAO 4150 HAB HEROI 48: [ 6 ]
120037: MISSAO 4150 UNIAO HAB BASE 1: [ 0 1 3 6 7 8 9 ]
...
120037: MISSAO 4150 BASE 7 DIST 9867 HEROIS [ 16 21 22 23 24 31 33 46 ]
120037: MISSAO 4150 HAB HEROI 16: [ 3 4 8 ]
...
120037: MISSAO 4150 HAB HEROI 46: [ 2 ]
120037: MISSAO 4150 UNIAO HAB BASE 7: [ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ]
120037: MISSAO 4150 CUMPRIDA BASE 7

%6d: MISSAO %d BASE %d DIST %d HEROIS [ %d %d ... ]
%6d: MISSAO %d HAB HEROI %2d: [ %d ... ]
%6d: MISSAO %d UNIAO HAB BASE %d: [ %d %d ... ]

Significado:

Evento FIM

O evento FIM encerra a simulação, gerando um relatório com informações sobre heróis, bases e missões:

525600: FIM

HEROI  0 VIVO  PAC  32 VEL 3879 EXP  441 HABS [ 2 9 ]
... (repete para todos os heróis)

BASE  0 LOT  7 FILA MAX  3 MISSOES 434
... (repete para todas as bases)

EVENTOS TRATADOS: 285540
MISSOES CUMPRIDAS: 4925/5256 (93.7%)
TENTATIVAS/MISSAO: MIN 1, MAX 313, MEDIA 26.0
TAXA MORTALIDADE: 52.0%

HEROI %2d VIVO  PAC %3d VEL %4d EXP %4d HABS [ %d %d ... ]
HEROI %2d MORTO PAC %3d VEL %4d EXP %4d HABS [ %d %d ... ]
BASE %2d LOT %2d FILA MAX %2d MISSOES %d
EVENTOS TRATADOS: %d
MISSOES CUMPRIDAS: %d/%d (%.1f%%)
TENTATIVAS/MISSAO: MIN %d, MAX %d, MEDIA %.1f
TAXA MORTALIDADE: %.1f%%

Significado:

Arquivos iniciais

O arquivo theboys.tgz contém os arquivos necessários para iniciar o desenvolvimento do projeto:

Requisitos

São requisitos para atribuição de notas a este trabalho:

Sobre o arquivo de entrega:

    make clean
    cd ..
    tar zcvf theboys.tgz theboys 

Dicas

Organize seu desenvolvimento da seguinte forma:

Pode ser complexo depurar erros de lógica no projeto usando suas dimensões completas; por isso, sugere-se trabalhar com números pequenos de heróis, bases, missões e tempo, para gerar menos eventos, até conseguir entender e resolver os erros.

O arquivo makefile, além dos alvos usuais, contém o alvo make tgz, que constrói o arquivo final para entregar o projeto.

Uma simulação pode processar um grande número de eventos e gerar uma saída enorme. Este arquivo contém um exemplo simplificado de saída, com as primeiras 5.000 linhas e as últimas 5.000 linhas de uma execução cuja saída completa tem 6,3 milhões de linhas.

Devido ao seu tamanho, a análise manual de uma saída de simulação completa pode ser inviável. Por isso, aconselha-se o uso de ferramentas do shell UNIX para filtrar as linhas de interesse na saída. O comando grep permite filtrar linhas que contenham uma determinada sequência de caracteres (string).

Por exemplo, para filtrar as linhas da saída que mostrem eventos relacionados ao herói 37, pode-se usar este comando:

$ ./theboys | grep "HEROI 37" | more
  1303: CHEGA  HEROI 37 BASE 7 (10/16) ESPERA
  1303: ESPERA HEROI 37 BASE 7 (10)
  1303: ENTRA  HEROI 37 BASE 7 (11/16) SAI 1928
  1928: SAI    HEROI 37 BASE 7 ( 8/16)
  1928: VIAJA  HEROI 37 BASE 7 BASE 1 DIST 6536 VEL 3082 CHEGA 1930
  1930: CHEGA  HEROI 37 BASE 1 ( 6/25) ESPERA
...

Para filtrar as linhas relativas ao evento CHEGA na base 3:

$ ./theboys | grep ": CHEGA" | grep "BASE 3" | more
     8: CHEGA  HEROI 36 BASE 3 ( 0/29) ESPERA
   174: CHEGA  HEROI 34 BASE 3 ( 1/29) ESPERA
   275: CHEGA  HEROI  9 BASE 3 ( 1/29) ESPERA
   529: CHEGA  HEROI 34 BASE 3 ( 1/29) ESPERA
   593: CHEGA  HEROI 34 BASE 3 ( 1/29) ESPERA
   597: CHEGA  HEROI 44 BASE 3 ( 2/29) ESPERA
...

Resultados esperados

Por ser uma simulação e usar muitos números aleatórios, os resultados finais podem variam muito entre as implementações. A tabela abaixo traz valores estatísticos obtidos de 5.000 execuções do programa, com várias sementes aleatórias. Ela fornece uma ideia dos resultados esperados:

Resultado Média Mínimo Máximo Coef variação
Eventos tratados 382.943 178.980 1.123.966 37,5%
Taxa de mortalidade 40% 18% 64% 17,6%
Missões cumpridas 85,9% 5,3% 99,5% 17,0%
Média de tentativas por missão 37,7 4,0 171,6 74,1%