利用遺傳演算法，完爆初級程序員

新智元報道

來源：arXiv

編譯：聞菲，常佩琦

【新智元導讀】讓AI自動編程是人工智慧領域長久以來的夢想之一。現在，來自彭博和英特爾實驗室的兩位研究人員，號稱實現了首個能夠自動生成完整軟體程序的AI系統「AI Programmer」，這個「AI程序員」利用遺傳演算法和圖靈完備語言，開發的程序理論上能夠完成任何類型的任務。AI自動編程的時代，大幕已開。

讓AI自動編程一直是計算機科學家的夢想。目前這個方面的成果還非常有限，比如讓AI自動補完編程語言，或者執行簡單的加法程序。今天我們要介紹的這項工作，號稱是第一個能夠全自動生成完整軟體程序的機器學習系統「AI Programmer」。

研究人員表示，他們用這個系統證明了長久以來的假設，那就是功能完備的程序確實能夠被自動生成。具體到這項工作，AI Programmer利用機器學習中的遺傳演算法，模擬複雜的指令。雖然現在AI Programmer生成的程序，複雜程度與人類新手程序員編寫的結果相當。但研究人員認為，AI Programmer編寫的程序完全可以超越傳統範疇，不受人類時間和智慧的局限。

AI編寫的程序只是在測試複雜度和計算資源之間找得到最適合的點。換句話說，可能性無限。

研究人員還表示，我們需要重新思考，設計新的、面向機器的編程語言，因為當前的編程語言是面向人類的，不適用於基於ML的編程。「在考慮ML驅動程序生成的未來時，我們需要放棄和重新考慮典型程序語言創建的方法。」

研究人員寫道，只有這樣做，我們才能開始設想一個由AI系統驅動，以人類創造力和設計為指導的計算機軟體開發的新未來。

AI Programmer的軟體架構。從圖中可見，由人類驅動的部分非常少，只需要在開始輸入指令，最後接收適用於某項任務的函數即可，剩下部分全部由機器完成。

AI Programmer：利用遺傳演算法自動生成程序，理論上能夠完成所有類型的任務

根據論文，研究人員選擇了無類型編程語言，只包括了8種指令來驅動AI Programmer生成軟體。

AI Programmer使用的編程語言是圖靈完備的，如表1所示。理論上，在時間和內存不限的情況下，圖靈完備編程語言能夠處理任何編程任務。本質上，任何一種具有這種特質的編程語言都能夠解決海量編程問題。同樣，AI Programmer生成的軟體能夠完成所有任務。

有了這個保障，再來看AI Programmer的核心——遺傳演算法。

要使用遺傳演算法生成軟體程序，必須首先創建一個基因組（genome）。基因組是一組被組合在一起作為單個單元的基因。AI Programmer的基因組編碼為浮點數組，每個唯一指令的固定值範圍在0和1之間，如上面表1的基因範圍列所示。

創建好基因組後，AI Programmer就將其轉換為相應的程序，執行，並根據程序的輸出為結果程序分配適合度。生成的程序越靠近解決提供的任務，適應度就越高，越有可能繼續進行下一代的進化。在每一代，AI Programmer利用隨機選擇以及交叉和變異來創建子程序，其中包含輕微的隨機擾動，並且可能比其父母更好的基因組來解決目標任務。

圖3展示了從浮點數組中構建基因組的實例。每個值範圍映射到編程語言中的特定指令。最初，這些值是隨機的，導致生成的程序無法正常運行。但是，其中必將有一兩個能夠運行並執行一些有效的指令。一個程序執行得越成功，就越有可能繼續使用代碼，實現更成功的後代。

為了創建後代，父母將其基因的一部分交給孩子，這個過程如圖4所示。除了繼承父母的編程指令外，每個孩子也可能會遇到突變，也就是對特定基因增加受控但隨機的擾動。這導致特定基因的值發生修改，使所得到的編程指令發生變化，進而改變整個程序。

可執行程序根據其執行情況進行排名，如圖5所示。其中，特定程序會被立即從基因組池中刪除，成功的方案則被推進以產生新的後代。

AI Programmer使用結果：輸出「Hello World」，反轉字元串，加減乘，輸出斐波那契數列……

AI Programmer由C#.NET設計的模塊化框架組成。包括運行遺傳演算法的引擎，基因組編碼器和解碼器，用於執行模擬程序的沙箱解讀器，以及將代碼轉換為二進位可執行文件的編譯程序。雖然最初設計AI Programmer的時候使用C#，但需要注意的是，設計原則並不限於使用C#。

研究人員指出，AI Programmer的適應性測試軟體框架具有延展性，並已被開發。用戶可以自己設計無數的定製化軟體，最終指導系統的遺傳演算法（GA）生成和軟體程序演變。

如果目標程序旨在生成一個字元串，如」Hello World」（見上圖），測試分數可能是字元串中的數字。但由於AI Programmer是在位元組級生成代碼，測試分數應將輸出字元的增量差考慮在內。

研究人員表示i，他們能用AI Programmer生成很多軟體程序。表2是所生成程序的名單。

一開始，研究人員讓AI Programmer生成了一個非常簡單的程序來輸出「hi」。經過5700代後，測試成功。生成代碼如圖9所示。

經過580,900代後，生成了「hello world」，如圖10所示。

經過6,057,200代後，AI Programmer成功生成了」I love all humans」，如圖11所示。

AI Programmer生成反轉字元串的程序。生成代碼如圖13所示。

AI Programmer能在92,400代之後生成加法程序；在177,900代之後生成減法程序，如圖15所示。

圖16所示的生成程序可以從兩個初始輸入值來輸出斐波納契序列。

論文：AI Programmer，使用遺傳演算法自動創建軟體程序

摘要

在本文中，我們介紹了首個能夠自動生成完整軟體程序的機器學習（ML）系統，全程只需最低限度的人類參與。這個系統名叫「AI Programmer」，以遺傳演算法（GA）為核心，加上緊密約束的編程語言，將其ML搜索空間的開銷降到最低。AI Programmer的新穎部分源於（i）獨特的系統設計，包括用於效率和安全性的嵌入式手工解釋器（hand-crafted interpreter），以及（ii）對遺傳演算法的增強，納入了指令基因（instruction-gene）隨機化綁定，以及編程語言特定的基因組構建及消除技術。我們詳細介紹了AI Programmer的系統設計，詳細介紹了系統的工作原理，以及使用主流CPU來演示其軟體生成功能和性能的實驗數據。

論文地址：https://arxiv.org/pdf/1709.05703.pdf

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