bd0bd7a3e4cf90241beb59e806eb9d2f5c56e7c5
[platform/upstream/isl.git] / isl_transitive_closure.c
1 /*
2  * Copyright 2010      INRIA Saclay
3  *
4  * Use of this software is governed by the GNU LGPLv2.1 license
5  *
6  * Written by Sven Verdoolaege, INRIA Saclay - Ile-de-France,
7  * Parc Club Orsay Universite, ZAC des vignes, 4 rue Jacques Monod,
8  * 91893 Orsay, France 
9  */
10
11 #include <isl_map_private.h>
12 #include <isl/map.h>
13 #include <isl/seq.h>
14 #include <isl_dim_private.h>
15 #include <isl/lp.h>
16 #include <isl/union_map.h>
17 #include <isl_mat_private.h>
18
19 int isl_map_is_transitively_closed(__isl_keep isl_map *map)
20 {
21         isl_map *map2;
22         int closed;
23
24         map2 = isl_map_apply_range(isl_map_copy(map), isl_map_copy(map));
25         closed = isl_map_is_subset(map2, map);
26         isl_map_free(map2);
27
28         return closed;
29 }
30
31 int isl_union_map_is_transitively_closed(__isl_keep isl_union_map *umap)
32 {
33         isl_union_map *umap2;
34         int closed;
35
36         umap2 = isl_union_map_apply_range(isl_union_map_copy(umap),
37                                           isl_union_map_copy(umap));
38         closed = isl_union_map_is_subset(umap2, umap);
39         isl_union_map_free(umap2);
40
41         return closed;
42 }
43  
44 /* Given a map that represents a path with the length of the path
45  * encoded as the difference between the last output coordindate
46  * and the last input coordinate, set this length to either
47  * exactly "length" (if "exactly" is set) or at least "length"
48  * (if "exactly" is not set).
49  */
50 static __isl_give isl_map *set_path_length(__isl_take isl_map *map,
51         int exactly, int length)
52 {
53         struct isl_dim *dim;
54         struct isl_basic_map *bmap;
55         unsigned d;
56         unsigned nparam;
57         int k;
58         isl_int *c;
59
60         if (!map)
61                 return NULL;
62
63         dim = isl_map_get_dim(map);
64         d = isl_dim_size(dim, isl_dim_in);
65         nparam = isl_dim_size(dim, isl_dim_param);
66         bmap = isl_basic_map_alloc_dim(dim, 0, 1, 1);
67         if (exactly) {
68                 k = isl_basic_map_alloc_equality(bmap);
69                 c = bmap->eq[k];
70         } else {
71                 k = isl_basic_map_alloc_inequality(bmap);
72                 c = bmap->ineq[k];
73         }
74         if (k < 0)
75                 goto error;
76         isl_seq_clr(c, 1 + isl_basic_map_total_dim(bmap));
77         isl_int_set_si(c[0], -length);
78         isl_int_set_si(c[1 + nparam + d - 1], -1);
79         isl_int_set_si(c[1 + nparam + d + d - 1], 1);
80
81         bmap = isl_basic_map_finalize(bmap);
82         map = isl_map_intersect(map, isl_map_from_basic_map(bmap));
83
84         return map;
85 error:
86         isl_basic_map_free(bmap);
87         isl_map_free(map);
88         return NULL;
89 }
90
91 /* Check whether the overapproximation of the power of "map" is exactly
92  * the power of "map".  Let R be "map" and A_k the overapproximation.
93  * The approximation is exact if
94  *
95  *      A_1 = R
96  *      A_k = A_{k-1} \circ R                   k >= 2
97  *
98  * Since A_k is known to be an overapproximation, we only need to check
99  *
100  *      A_1 \subset R
101  *      A_k \subset A_{k-1} \circ R             k >= 2
102  *
103  * In practice, "app" has an extra input and output coordinate
104  * to encode the length of the path.  So, we first need to add
105  * this coordinate to "map" and set the length of the path to
106  * one.
107  */
108 static int check_power_exactness(__isl_take isl_map *map,
109         __isl_take isl_map *app)
110 {
111         int exact;
112         isl_map *app_1;
113         isl_map *app_2;
114
115         map = isl_map_add_dims(map, isl_dim_in, 1);
116         map = isl_map_add_dims(map, isl_dim_out, 1);
117         map = set_path_length(map, 1, 1);
118
119         app_1 = set_path_length(isl_map_copy(app), 1, 1);
120
121         exact = isl_map_is_subset(app_1, map);
122         isl_map_free(app_1);
123
124         if (!exact || exact < 0) {
125                 isl_map_free(app);
126                 isl_map_free(map);
127                 return exact;
128         }
129
130         app_1 = set_path_length(isl_map_copy(app), 0, 1);
131         app_2 = set_path_length(app, 0, 2);
132         app_1 = isl_map_apply_range(map, app_1);
133
134         exact = isl_map_is_subset(app_2, app_1);
135
136         isl_map_free(app_1);
137         isl_map_free(app_2);
138
139         return exact;
140 }
141
142 /* Check whether the overapproximation of the power of "map" is exactly
143  * the power of "map", possibly after projecting out the power (if "project"
144  * is set).
145  *
146  * If "project" is set and if "steps" can only result in acyclic paths,
147  * then we check
148  *
149  *      A = R \cup (A \circ R)
150  *
151  * where A is the overapproximation with the power projected out, i.e.,
152  * an overapproximation of the transitive closure.
153  * More specifically, since A is known to be an overapproximation, we check
154  *
155  *      A \subset R \cup (A \circ R)
156  *
157  * Otherwise, we check if the power is exact.
158  *
159  * Note that "app" has an extra input and output coordinate to encode
160  * the length of the part.  If we are only interested in the transitive
161  * closure, then we can simply project out these coordinates first.
162  */
163 static int check_exactness(__isl_take isl_map *map, __isl_take isl_map *app,
164         int project)
165 {
166         isl_map *test;
167         int exact;
168         unsigned d;
169
170         if (!project)
171                 return check_power_exactness(map, app);
172
173         d = isl_map_dim(map, isl_dim_in);
174         app = set_path_length(app, 0, 1);
175         app = isl_map_project_out(app, isl_dim_in, d, 1);
176         app = isl_map_project_out(app, isl_dim_out, d, 1);
177
178         app = isl_map_reset_dim(app, isl_map_get_dim(map));
179
180         test = isl_map_apply_range(isl_map_copy(map), isl_map_copy(app));
181         test = isl_map_union(test, isl_map_copy(map));
182
183         exact = isl_map_is_subset(app, test);
184
185         isl_map_free(app);
186         isl_map_free(test);
187
188         isl_map_free(map);
189
190         return exact;
191 }
192
193 /*
194  * The transitive closure implementation is based on the paper
195  * "Computing the Transitive Closure of a Union of Affine Integer
196  * Tuple Relations" by Anna Beletska, Denis Barthou, Wlodzimierz Bielecki and
197  * Albert Cohen.
198  */
199
200 /* Given a set of n offsets v_i (the rows of "steps"), construct a relation
201  * of the given dimension specification (Z^{n+1} -> Z^{n+1})
202  * that maps an element x to any element that can be reached
203  * by taking a non-negative number of steps along any of
204  * the extended offsets v'_i = [v_i 1].
205  * That is, construct
206  *
207  * { [x] -> [y] : exists k_i >= 0, y = x + \sum_i k_i v'_i }
208  *
209  * For any element in this relation, the number of steps taken
210  * is equal to the difference in the final coordinates.
211  */
212 static __isl_give isl_map *path_along_steps(__isl_take isl_dim *dim,
213         __isl_keep isl_mat *steps)
214 {
215         int i, j, k;
216         struct isl_basic_map *path = NULL;
217         unsigned d;
218         unsigned n;
219         unsigned nparam;
220
221         if (!dim || !steps)
222                 goto error;
223
224         d = isl_dim_size(dim, isl_dim_in);
225         n = steps->n_row;
226         nparam = isl_dim_size(dim, isl_dim_param);
227
228         path = isl_basic_map_alloc_dim(isl_dim_copy(dim), n, d, n);
229
230         for (i = 0; i < n; ++i) {
231                 k = isl_basic_map_alloc_div(path);
232                 if (k < 0)
233                         goto error;
234                 isl_assert(steps->ctx, i == k, goto error);
235                 isl_int_set_si(path->div[k][0], 0);
236         }
237
238         for (i = 0; i < d; ++i) {
239                 k = isl_basic_map_alloc_equality(path);
240                 if (k < 0)
241                         goto error;
242                 isl_seq_clr(path->eq[k], 1 + isl_basic_map_total_dim(path));
243                 isl_int_set_si(path->eq[k][1 + nparam + i], 1);
244                 isl_int_set_si(path->eq[k][1 + nparam + d + i], -1);
245                 if (i == d - 1)
246                         for (j = 0; j < n; ++j)
247                                 isl_int_set_si(path->eq[k][1 + nparam + 2 * d + j], 1);
248                 else
249                         for (j = 0; j < n; ++j)
250                                 isl_int_set(path->eq[k][1 + nparam + 2 * d + j],
251                                             steps->row[j][i]);
252         }
253
254         for (i = 0; i < n; ++i) {
255                 k = isl_basic_map_alloc_inequality(path);
256                 if (k < 0)
257                         goto error;
258                 isl_seq_clr(path->ineq[k], 1 + isl_basic_map_total_dim(path));
259                 isl_int_set_si(path->ineq[k][1 + nparam + 2 * d + i], 1);
260         }
261
262         isl_dim_free(dim);
263
264         path = isl_basic_map_simplify(path);
265         path = isl_basic_map_finalize(path);
266         return isl_map_from_basic_map(path);
267 error:
268         isl_dim_free(dim);
269         isl_basic_map_free(path);
270         return NULL;
271 }
272
273 #define IMPURE          0
274 #define PURE_PARAM      1
275 #define PURE_VAR        2
276 #define MIXED           3
277
278 /* Check whether the parametric constant term of constraint c is never
279  * positive in "bset".
280  */
281 static int parametric_constant_never_positive(__isl_keep isl_basic_set *bset,
282         isl_int *c, int *div_purity)
283 {
284         unsigned d;
285         unsigned n_div;
286         unsigned nparam;
287         int i;
288         int k;
289         int empty;
290
291         n_div = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_div);
292         d = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_set);
293         nparam = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_param);
294
295         bset = isl_basic_set_copy(bset);
296         bset = isl_basic_set_cow(bset);
297         bset = isl_basic_set_extend_constraints(bset, 0, 1);
298         k = isl_basic_set_alloc_inequality(bset);
299         if (k < 0)
300                 goto error;
301         isl_seq_clr(bset->ineq[k], 1 + isl_basic_set_total_dim(bset));
302         isl_seq_cpy(bset->ineq[k], c, 1 + nparam);
303         for (i = 0; i < n_div; ++i) {
304                 if (div_purity[i] != PURE_PARAM)
305                         continue;
306                 isl_int_set(bset->ineq[k][1 + nparam + d + i],
307                             c[1 + nparam + d + i]);
308         }
309         isl_int_sub_ui(bset->ineq[k][0], bset->ineq[k][0], 1);
310         empty = isl_basic_set_is_empty(bset);
311         isl_basic_set_free(bset);
312
313         return empty;
314 error:
315         isl_basic_set_free(bset);
316         return -1;
317 }
318
319 /* Return PURE_PARAM if only the coefficients of the parameters are non-zero.
320  * Return PURE_VAR if only the coefficients of the set variables are non-zero.
321  * Return MIXED if only the coefficients of the parameters and the set
322  *      variables are non-zero and if moreover the parametric constant
323  *      can never attain positive values.
324  * Return IMPURE otherwise.
325  *
326  * If div_purity is NULL then we are dealing with a non-parametric set
327  * and so the constraint is obviously PURE_VAR.
328  */
329 static int purity(__isl_keep isl_basic_set *bset, isl_int *c, int *div_purity,
330         int eq)
331 {
332         unsigned d;
333         unsigned n_div;
334         unsigned nparam;
335         int empty;
336         int i;
337         int p = 0, v = 0;
338
339         if (!div_purity)
340                 return PURE_VAR;
341
342         n_div = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_div);
343         d = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_set);
344         nparam = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_param);
345
346         for (i = 0; i < n_div; ++i) {
347                 if (isl_int_is_zero(c[1 + nparam + d + i]))
348                         continue;
349                 switch (div_purity[i]) {
350                 case PURE_PARAM: p = 1; break;
351                 case PURE_VAR: v = 1; break;
352                 default: return IMPURE;
353                 }
354         }
355         if (!p && isl_seq_first_non_zero(c + 1, nparam) == -1)
356                 return PURE_VAR;
357         if (!v && isl_seq_first_non_zero(c + 1 + nparam, d) == -1)
358                 return PURE_PARAM;
359
360         empty = parametric_constant_never_positive(bset, c, div_purity);
361         if (eq && empty >= 0 && !empty) {
362                 isl_seq_neg(c, c, 1 + nparam + d + n_div);
363                 empty = parametric_constant_never_positive(bset, c, div_purity);
364         }
365
366         return empty < 0 ? -1 : empty ? MIXED : IMPURE;
367 }
368
369 /* Return an array of integers indicating the type of each div in bset.
370  * If the div is (recursively) defined in terms of only the parameters,
371  * then the type is PURE_PARAM.
372  * If the div is (recursively) defined in terms of only the set variables,
373  * then the type is PURE_VAR.
374  * Otherwise, the type is IMPURE.
375  */
376 static __isl_give int *get_div_purity(__isl_keep isl_basic_set *bset)
377 {
378         int i, j;
379         int *div_purity;
380         unsigned d;
381         unsigned n_div;
382         unsigned nparam;
383
384         if (!bset)
385                 return NULL;
386
387         n_div = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_div);
388         d = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_set);
389         nparam = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_param);
390
391         div_purity = isl_alloc_array(bset->ctx, int, n_div);
392         if (!div_purity)
393                 return NULL;
394
395         for (i = 0; i < bset->n_div; ++i) {
396                 int p = 0, v = 0;
397                 if (isl_int_is_zero(bset->div[i][0])) {
398                         div_purity[i] = IMPURE;
399                         continue;
400                 }
401                 if (isl_seq_first_non_zero(bset->div[i] + 2, nparam) != -1)
402                         p = 1;
403                 if (isl_seq_first_non_zero(bset->div[i] + 2 + nparam, d) != -1)
404                         v = 1;
405                 for (j = 0; j < i; ++j) {
406                         if (isl_int_is_zero(bset->div[i][2 + nparam + d + j]))
407                                 continue;
408                         switch (div_purity[j]) {
409                         case PURE_PARAM: p = 1; break;
410                         case PURE_VAR: v = 1; break;
411                         default: p = v = 1; break;
412                         }
413                 }
414                 div_purity[i] = v ? p ? IMPURE : PURE_VAR : PURE_PARAM;
415         }
416
417         return div_purity;
418 }
419
420 /* Given a path with the as yet unconstrained length at position "pos",
421  * check if setting the length to zero results in only the identity
422  * mapping.
423  */
424 static int empty_path_is_identity(__isl_keep isl_basic_map *path, unsigned pos)
425 {
426         isl_basic_map *test = NULL;
427         isl_basic_map *id = NULL;
428         int k;
429         int is_id;
430
431         test = isl_basic_map_copy(path);
432         test = isl_basic_map_extend_constraints(test, 1, 0);
433         k = isl_basic_map_alloc_equality(test);
434         if (k < 0)
435                 goto error;
436         isl_seq_clr(test->eq[k], 1 + isl_basic_map_total_dim(test));
437         isl_int_set_si(test->eq[k][pos], 1);
438         id = isl_basic_map_identity(isl_dim_domain(isl_basic_map_get_dim(path)));
439         is_id = isl_basic_map_is_equal(test, id);
440         isl_basic_map_free(test);
441         isl_basic_map_free(id);
442         return is_id;
443 error:
444         isl_basic_map_free(test);
445         return -1;
446 }
447
448 /* If any of the constraints is found to be impure then this function
449  * sets *impurity to 1.
450  */
451 static __isl_give isl_basic_map *add_delta_constraints(
452         __isl_take isl_basic_map *path,
453         __isl_keep isl_basic_set *delta, unsigned off, unsigned nparam,
454         unsigned d, int *div_purity, int eq, int *impurity)
455 {
456         int i, k;
457         int n = eq ? delta->n_eq : delta->n_ineq;
458         isl_int **delta_c = eq ? delta->eq : delta->ineq;
459         unsigned n_div;
460
461         n_div = isl_basic_set_dim(delta, isl_dim_div);
462
463         for (i = 0; i < n; ++i) {
464                 isl_int *path_c;
465                 int p = purity(delta, delta_c[i], div_purity, eq);
466                 if (p < 0)
467                         goto error;
468                 if (p != PURE_VAR && p != PURE_PARAM && !*impurity)
469                         *impurity = 1;
470                 if (p == IMPURE)
471                         continue;
472                 if (eq && p != MIXED) {
473                         k = isl_basic_map_alloc_equality(path);
474                         path_c = path->eq[k];
475                 } else {
476                         k = isl_basic_map_alloc_inequality(path);
477                         path_c = path->ineq[k];
478                 }
479                 if (k < 0)
480                         goto error;
481                 isl_seq_clr(path_c, 1 + isl_basic_map_total_dim(path));
482                 if (p == PURE_VAR) {
483                         isl_seq_cpy(path_c + off,
484                                     delta_c[i] + 1 + nparam, d);
485                         isl_int_set(path_c[off + d], delta_c[i][0]);
486                 } else if (p == PURE_PARAM) {
487                         isl_seq_cpy(path_c, delta_c[i], 1 + nparam);
488                 } else {
489                         isl_seq_cpy(path_c + off,
490                                     delta_c[i] + 1 + nparam, d);
491                         isl_seq_cpy(path_c, delta_c[i], 1 + nparam);
492                 }
493                 isl_seq_cpy(path_c + off - n_div,
494                             delta_c[i] + 1 + nparam + d, n_div);
495         }
496
497         return path;
498 error:
499         isl_basic_map_free(path);
500         return NULL;
501 }
502
503 /* Given a set of offsets "delta", construct a relation of the
504  * given dimension specification (Z^{n+1} -> Z^{n+1}) that
505  * is an overapproximation of the relations that
506  * maps an element x to any element that can be reached
507  * by taking a non-negative number of steps along any of
508  * the elements in "delta".
509  * That is, construct an approximation of
510  *
511  *      { [x] -> [y] : exists f \in \delta, k \in Z :
512  *                                      y = x + k [f, 1] and k >= 0 }
513  *
514  * For any element in this relation, the number of steps taken
515  * is equal to the difference in the final coordinates.
516  *
517  * In particular, let delta be defined as
518  *
519  *      \delta = [p] -> { [x] : A x + a >= 0 and B p + b >= 0 and
520  *                              C x + C'p + c >= 0 and
521  *                              D x + D'p + d >= 0 }
522  *
523  * where the constraints C x + C'p + c >= 0 are such that the parametric
524  * constant term of each constraint j, "C_j x + C'_j p + c_j",
525  * can never attain positive values, then the relation is constructed as
526  *
527  *      { [x] -> [y] : exists [f, k] \in Z^{n+1} : y = x + f and
528  *                      A f + k a >= 0 and B p + b >= 0 and
529  *                      C f + C'p + c >= 0 and k >= 1 }
530  *      union { [x] -> [x] }
531  *
532  * If the zero-length paths happen to correspond exactly to the identity
533  * mapping, then we return
534  *
535  *      { [x] -> [y] : exists [f, k] \in Z^{n+1} : y = x + f and
536  *                      A f + k a >= 0 and B p + b >= 0 and
537  *                      C f + C'p + c >= 0 and k >= 0 }
538  *
539  * instead.
540  *
541  * Existentially quantified variables in \delta are handled by
542  * classifying them as independent of the parameters, purely
543  * parameter dependent and others.  Constraints containing
544  * any of the other existentially quantified variables are removed.
545  * This is safe, but leads to an additional overapproximation.
546  *
547  * If there are any impure constraints, then we also eliminate
548  * the parameters from \delta, resulting in a set
549  *
550  *      \delta' = { [x] : E x + e >= 0 }
551  *
552  * and add the constraints
553  *
554  *                      E f + k e >= 0
555  *
556  * to the constructed relation.
557  */
558 static __isl_give isl_map *path_along_delta(__isl_take isl_dim *dim,
559         __isl_take isl_basic_set *delta)
560 {
561         isl_basic_map *path = NULL;
562         unsigned d;
563         unsigned n_div;
564         unsigned nparam;
565         unsigned off;
566         int i, k;
567         int is_id;
568         int *div_purity = NULL;
569         int impurity = 0;
570
571         if (!delta)
572                 goto error;
573         n_div = isl_basic_set_dim(delta, isl_dim_div);
574         d = isl_basic_set_dim(delta, isl_dim_set);
575         nparam = isl_basic_set_dim(delta, isl_dim_param);
576         path = isl_basic_map_alloc_dim(isl_dim_copy(dim), n_div + d + 1,
577                         d + 1 + delta->n_eq, delta->n_eq + delta->n_ineq + 1);
578         off = 1 + nparam + 2 * (d + 1) + n_div;
579
580         for (i = 0; i < n_div + d + 1; ++i) {
581                 k = isl_basic_map_alloc_div(path);
582                 if (k < 0)
583                         goto error;
584                 isl_int_set_si(path->div[k][0], 0);
585         }
586
587         for (i = 0; i < d + 1; ++i) {
588                 k = isl_basic_map_alloc_equality(path);
589                 if (k < 0)
590                         goto error;
591                 isl_seq_clr(path->eq[k], 1 + isl_basic_map_total_dim(path));
592                 isl_int_set_si(path->eq[k][1 + nparam + i], 1);
593                 isl_int_set_si(path->eq[k][1 + nparam + d + 1 + i], -1);
594                 isl_int_set_si(path->eq[k][off + i], 1);
595         }
596
597         div_purity = get_div_purity(delta);
598         if (!div_purity)
599                 goto error;
600
601         path = add_delta_constraints(path, delta, off, nparam, d,
602                                      div_purity, 1, &impurity);
603         path = add_delta_constraints(path, delta, off, nparam, d,
604                                      div_purity, 0, &impurity);
605         if (impurity) {
606                 isl_dim *dim = isl_basic_set_get_dim(delta);
607                 delta = isl_basic_set_project_out(delta,
608                                                   isl_dim_param, 0, nparam);
609                 delta = isl_basic_set_add(delta, isl_dim_param, nparam);
610                 delta = isl_basic_set_reset_dim(delta, dim);
611                 if (!delta)
612                         goto error;
613                 path = isl_basic_map_extend_constraints(path, delta->n_eq,
614                                                         delta->n_ineq + 1);
615                 path = add_delta_constraints(path, delta, off, nparam, d,
616                                              NULL, 1, &impurity);
617                 path = add_delta_constraints(path, delta, off, nparam, d,
618                                              NULL, 0, &impurity);
619                 path = isl_basic_map_gauss(path, NULL);
620         }
621
622         is_id = empty_path_is_identity(path, off + d);
623         if (is_id < 0)
624                 goto error;
625
626         k = isl_basic_map_alloc_inequality(path);
627         if (k < 0)
628                 goto error;
629         isl_seq_clr(path->ineq[k], 1 + isl_basic_map_total_dim(path));
630         if (!is_id)
631                 isl_int_set_si(path->ineq[k][0], -1);
632         isl_int_set_si(path->ineq[k][off + d], 1);
633                         
634         free(div_purity);
635         isl_basic_set_free(delta);
636         path = isl_basic_map_finalize(path);
637         if (is_id) {
638                 isl_dim_free(dim);
639                 return isl_map_from_basic_map(path);
640         }
641         return isl_basic_map_union(path,
642                                 isl_basic_map_identity(isl_dim_domain(dim)));
643 error:
644         free(div_purity);
645         isl_dim_free(dim);
646         isl_basic_set_free(delta);
647         isl_basic_map_free(path);
648         return NULL;
649 }
650
651 /* Given a dimension specification Z^{n+1} -> Z^{n+1} and a parameter "param",
652  * construct a map that equates the parameter to the difference
653  * in the final coordinates and imposes that this difference is positive.
654  * That is, construct
655  *
656  *      { [x,x_s] -> [y,y_s] : k = y_s - x_s > 0 }
657  */
658 static __isl_give isl_map *equate_parameter_to_length(__isl_take isl_dim *dim,
659         unsigned param)
660 {
661         struct isl_basic_map *bmap;
662         unsigned d;
663         unsigned nparam;
664         int k;
665
666         d = isl_dim_size(dim, isl_dim_in);
667         nparam = isl_dim_size(dim, isl_dim_param);
668         bmap = isl_basic_map_alloc_dim(dim, 0, 1, 1);
669         k = isl_basic_map_alloc_equality(bmap);
670         if (k < 0)
671                 goto error;
672         isl_seq_clr(bmap->eq[k], 1 + isl_basic_map_total_dim(bmap));
673         isl_int_set_si(bmap->eq[k][1 + param], -1);
674         isl_int_set_si(bmap->eq[k][1 + nparam + d - 1], -1);
675         isl_int_set_si(bmap->eq[k][1 + nparam + d + d - 1], 1);
676
677         k = isl_basic_map_alloc_inequality(bmap);
678         if (k < 0)
679                 goto error;
680         isl_seq_clr(bmap->ineq[k], 1 + isl_basic_map_total_dim(bmap));
681         isl_int_set_si(bmap->ineq[k][1 + param], 1);
682         isl_int_set_si(bmap->ineq[k][0], -1);
683
684         bmap = isl_basic_map_finalize(bmap);
685         return isl_map_from_basic_map(bmap);
686 error:
687         isl_basic_map_free(bmap);
688         return NULL;
689 }
690
691 /* Check whether "path" is acyclic, where the last coordinates of domain
692  * and range of path encode the number of steps taken.
693  * That is, check whether
694  *
695  *      { d | d = y - x and (x,y) in path }
696  *
697  * does not contain any element with positive last coordinate (positive length)
698  * and zero remaining coordinates (cycle).
699  */
700 static int is_acyclic(__isl_take isl_map *path)
701 {
702         int i;
703         int acyclic;
704         unsigned dim;
705         struct isl_set *delta;
706
707         delta = isl_map_deltas(path);
708         dim = isl_set_dim(delta, isl_dim_set);
709         for (i = 0; i < dim; ++i) {
710                 if (i == dim -1)
711                         delta = isl_set_lower_bound_si(delta, isl_dim_set, i, 1);
712                 else
713                         delta = isl_set_fix_si(delta, isl_dim_set, i, 0);
714         }
715
716         acyclic = isl_set_is_empty(delta);
717         isl_set_free(delta);
718
719         return acyclic;
720 }
721
722 /* Given a union of basic maps R = \cup_i R_i \subseteq D \times D
723  * and a dimension specification (Z^{n+1} -> Z^{n+1}),
724  * construct a map that is an overapproximation of the map
725  * that takes an element from the space D \times Z to another
726  * element from the same space, such that the first n coordinates of the
727  * difference between them is a sum of differences between images
728  * and pre-images in one of the R_i and such that the last coordinate
729  * is equal to the number of steps taken.
730  * That is, let
731  *
732  *      \Delta_i = { y - x | (x, y) in R_i }
733  *
734  * then the constructed map is an overapproximation of
735  *
736  *      { (x) -> (x + d) | \exists k_i >= 0, \delta_i \in \Delta_i :
737  *                              d = (\sum_i k_i \delta_i, \sum_i k_i) }
738  *
739  * The elements of the singleton \Delta_i's are collected as the
740  * rows of the steps matrix.  For all these \Delta_i's together,
741  * a single path is constructed.
742  * For each of the other \Delta_i's, we compute an overapproximation
743  * of the paths along elements of \Delta_i.
744  * Since each of these paths performs an addition, composition is
745  * symmetric and we can simply compose all resulting paths in any order.
746  */
747 static __isl_give isl_map *construct_extended_path(__isl_take isl_dim *dim,
748         __isl_keep isl_map *map, int *project)
749 {
750         struct isl_mat *steps = NULL;
751         struct isl_map *path = NULL;
752         unsigned d;
753         int i, j, n;
754
755         d = isl_map_dim(map, isl_dim_in);
756
757         path = isl_map_identity(isl_dim_domain(isl_dim_copy(dim)));
758
759         steps = isl_mat_alloc(map->ctx, map->n, d);
760         if (!steps)
761                 goto error;
762
763         n = 0;
764         for (i = 0; i < map->n; ++i) {
765                 struct isl_basic_set *delta;
766
767                 delta = isl_basic_map_deltas(isl_basic_map_copy(map->p[i]));
768
769                 for (j = 0; j < d; ++j) {
770                         int fixed;
771
772                         fixed = isl_basic_set_fast_dim_is_fixed(delta, j,
773                                                             &steps->row[n][j]);
774                         if (fixed < 0) {
775                                 isl_basic_set_free(delta);
776                                 goto error;
777                         }
778                         if (!fixed)
779                                 break;
780                 }
781
782
783                 if (j < d) {
784                         path = isl_map_apply_range(path,
785                                 path_along_delta(isl_dim_copy(dim), delta));
786                         path = isl_map_coalesce(path);
787                 } else {
788                         isl_basic_set_free(delta);
789                         ++n;
790                 }
791         }
792
793         if (n > 0) {
794                 steps->n_row = n;
795                 path = isl_map_apply_range(path,
796                                 path_along_steps(isl_dim_copy(dim), steps));
797         }
798
799         if (project && *project) {
800                 *project = is_acyclic(isl_map_copy(path));
801                 if (*project < 0)
802                         goto error;
803         }
804
805         isl_dim_free(dim);
806         isl_mat_free(steps);
807         return path;
808 error:
809         isl_dim_free(dim);
810         isl_mat_free(steps);
811         isl_map_free(path);
812         return NULL;
813 }
814
815 static int isl_set_overlaps(__isl_keep isl_set *set1, __isl_keep isl_set *set2)
816 {
817         isl_set *i;
818         int no_overlap;
819
820         if (!isl_dim_tuple_match(set1->dim, isl_dim_set, set2->dim, isl_dim_set))
821                 return 0;
822
823         i = isl_set_intersect(isl_set_copy(set1), isl_set_copy(set2));
824         no_overlap = isl_set_is_empty(i);
825         isl_set_free(i);
826
827         return no_overlap < 0 ? -1 : !no_overlap;
828 }
829
830 /* Given a union of basic maps R = \cup_i R_i \subseteq D \times D
831  * and a dimension specification (Z^{n+1} -> Z^{n+1}),
832  * construct a map that is an overapproximation of the map
833  * that takes an element from the dom R \times Z to an
834  * element from ran R \times Z, such that the first n coordinates of the
835  * difference between them is a sum of differences between images
836  * and pre-images in one of the R_i and such that the last coordinate
837  * is equal to the number of steps taken.
838  * That is, let
839  *
840  *      \Delta_i = { y - x | (x, y) in R_i }
841  *
842  * then the constructed map is an overapproximation of
843  *
844  *      { (x) -> (x + d) | \exists k_i >= 0, \delta_i \in \Delta_i :
845  *                              d = (\sum_i k_i \delta_i, \sum_i k_i) and
846  *                              x in dom R and x + d in ran R and
847  *                              \sum_i k_i >= 1 }
848  */
849 static __isl_give isl_map *construct_component(__isl_take isl_dim *dim,
850         __isl_keep isl_map *map, int *exact, int project)
851 {
852         struct isl_set *domain = NULL;
853         struct isl_set *range = NULL;
854         struct isl_map *app = NULL;
855         struct isl_map *path = NULL;
856
857         domain = isl_map_domain(isl_map_copy(map));
858         domain = isl_set_coalesce(domain);
859         range = isl_map_range(isl_map_copy(map));
860         range = isl_set_coalesce(range);
861         if (!isl_set_overlaps(domain, range)) {
862                 isl_set_free(domain);
863                 isl_set_free(range);
864                 isl_dim_free(dim);
865
866                 map = isl_map_copy(map);
867                 map = isl_map_add_dims(map, isl_dim_in, 1);
868                 map = isl_map_add_dims(map, isl_dim_out, 1);
869                 map = set_path_length(map, 1, 1);
870                 return map;
871         }
872         app = isl_map_from_domain_and_range(domain, range);
873         app = isl_map_add_dims(app, isl_dim_in, 1);
874         app = isl_map_add_dims(app, isl_dim_out, 1);
875
876         path = construct_extended_path(isl_dim_copy(dim), map,
877                                         exact && *exact ? &project : NULL);
878         app = isl_map_intersect(app, path);
879
880         if (exact && *exact &&
881             (*exact = check_exactness(isl_map_copy(map), isl_map_copy(app),
882                                       project)) < 0)
883                 goto error;
884
885         isl_dim_free(dim);
886         app = set_path_length(app, 0, 1);
887         return app;
888 error:
889         isl_dim_free(dim);
890         isl_map_free(app);
891         return NULL;
892 }
893
894 /* Call construct_component and, if "project" is set, project out
895  * the final coordinates.
896  */
897 static __isl_give isl_map *construct_projected_component(
898         __isl_take isl_dim *dim,
899         __isl_keep isl_map *map, int *exact, int project)
900 {
901         isl_map *app;
902         unsigned d;
903
904         if (!dim)
905                 return NULL;
906         d = isl_dim_size(dim, isl_dim_in);
907
908         app = construct_component(dim, map, exact, project);
909         if (project) {
910                 app = isl_map_project_out(app, isl_dim_in, d - 1, 1);
911                 app = isl_map_project_out(app, isl_dim_out, d - 1, 1);
912         }
913         return app;
914 }
915
916 /* Compute an extended version, i.e., with path lengths, of
917  * an overapproximation of the transitive closure of "bmap"
918  * with path lengths greater than or equal to zero and with
919  * domain and range equal to "dom".
920  */
921 static __isl_give isl_map *q_closure(__isl_take isl_dim *dim,
922         __isl_take isl_set *dom, __isl_keep isl_basic_map *bmap, int *exact)
923 {
924         int project = 1;
925         isl_map *path;
926         isl_map *map;
927         isl_map *app;
928
929         dom = isl_set_add_dims(dom, isl_dim_set, 1);
930         app = isl_map_from_domain_and_range(dom, isl_set_copy(dom));
931         map = isl_map_from_basic_map(isl_basic_map_copy(bmap));
932         path = construct_extended_path(dim, map, &project);
933         app = isl_map_intersect(app, path);
934
935         if ((*exact = check_exactness(map, isl_map_copy(app), project)) < 0)
936                 goto error;
937
938         return app;
939 error:
940         isl_map_free(app);
941         return NULL;
942 }
943
944 /* Check whether qc has any elements of length at least one
945  * with domain and/or range outside of dom and ran.
946  */
947 static int has_spurious_elements(__isl_keep isl_map *qc,
948         __isl_keep isl_set *dom, __isl_keep isl_set *ran)
949 {
950         isl_set *s;
951         int subset;
952         unsigned d;
953
954         if (!qc || !dom || !ran)
955                 return -1;
956
957         d = isl_map_dim(qc, isl_dim_in);
958
959         qc = isl_map_copy(qc);
960         qc = set_path_length(qc, 0, 1);
961         qc = isl_map_project_out(qc, isl_dim_in, d - 1, 1);
962         qc = isl_map_project_out(qc, isl_dim_out, d - 1, 1);
963
964         s = isl_map_domain(isl_map_copy(qc));
965         subset = isl_set_is_subset(s, dom);
966         isl_set_free(s);
967         if (subset < 0)
968                 goto error;
969         if (!subset) {
970                 isl_map_free(qc);
971                 return 1;
972         }
973
974         s = isl_map_range(qc);
975         subset = isl_set_is_subset(s, ran);
976         isl_set_free(s);
977
978         return subset < 0 ? -1 : !subset;
979 error:
980         isl_map_free(qc);
981         return -1;
982 }
983
984 #define LEFT    2
985 #define RIGHT   1
986
987 /* For each basic map in "map", except i, check whether it combines
988  * with the transitive closure that is reflexive on C combines
989  * to the left and to the right.
990  *
991  * In particular, if
992  *
993  *      dom map_j \subseteq C
994  *
995  * then right[j] is set to 1.  Otherwise, if
996  *
997  *      ran map_i \cap dom map_j = \emptyset
998  *
999  * then right[j] is set to 0.  Otherwise, composing to the right
1000  * is impossible.
1001  *
1002  * Similar, for composing to the left, we have if
1003  *
1004  *      ran map_j \subseteq C
1005  *
1006  * then left[j] is set to 1.  Otherwise, if
1007  *
1008  *      dom map_i \cap ran map_j = \emptyset
1009  *
1010  * then left[j] is set to 0.  Otherwise, composing to the left
1011  * is impossible.
1012  *
1013  * The return value is or'd with LEFT if composing to the left
1014  * is possible and with RIGHT if composing to the right is possible.
1015  */
1016 static int composability(__isl_keep isl_set *C, int i,
1017         isl_set **dom, isl_set **ran, int *left, int *right,
1018         __isl_keep isl_map *map)
1019 {
1020         int j;
1021         int ok;
1022
1023         ok = LEFT | RIGHT;
1024         for (j = 0; j < map->n && ok; ++j) {
1025                 int overlaps, subset;
1026                 if (j == i)
1027                         continue;
1028
1029                 if (ok & RIGHT) {
1030                         if (!dom[j])
1031                                 dom[j] = isl_set_from_basic_set(
1032                                         isl_basic_map_domain(
1033                                                 isl_basic_map_copy(map->p[j])));
1034                         if (!dom[j])
1035                                 return -1;
1036                         overlaps = isl_set_overlaps(ran[i], dom[j]);
1037                         if (overlaps < 0)
1038                                 return -1;
1039                         if (!overlaps)
1040                                 right[j] = 0;
1041                         else {
1042                                 subset = isl_set_is_subset(dom[j], C);
1043                                 if (subset < 0)
1044                                         return -1;
1045                                 if (subset)
1046                                         right[j] = 1;
1047                                 else
1048                                         ok &= ~RIGHT;
1049                         }
1050                 }
1051
1052                 if (ok & LEFT) {
1053                         if (!ran[j])
1054                                 ran[j] = isl_set_from_basic_set(
1055                                         isl_basic_map_range(
1056                                                 isl_basic_map_copy(map->p[j])));
1057                         if (!ran[j])
1058                                 return -1;
1059                         overlaps = isl_set_overlaps(dom[i], ran[j]);
1060                         if (overlaps < 0)
1061                                 return -1;
1062                         if (!overlaps)
1063                                 left[j] = 0;
1064                         else {
1065                                 subset = isl_set_is_subset(ran[j], C);
1066                                 if (subset < 0)
1067                                         return -1;
1068                                 if (subset)
1069                                         left[j] = 1;
1070                                 else
1071                                         ok &= ~LEFT;
1072                         }
1073                 }
1074         }
1075
1076         return ok;
1077 }
1078
1079 static __isl_give isl_map *anonymize(__isl_take isl_map *map)
1080 {
1081         map = isl_map_reset(map, isl_dim_in);
1082         map = isl_map_reset(map, isl_dim_out);
1083         return map;
1084 }
1085
1086 /* Return a map that is a union of the basic maps in "map", except i,
1087  * composed to left and right with qc based on the entries of "left"
1088  * and "right".
1089  */
1090 static __isl_give isl_map *compose(__isl_keep isl_map *map, int i,
1091         __isl_take isl_map *qc, int *left, int *right)
1092 {
1093         int j;
1094         isl_map *comp;
1095
1096         comp = isl_map_empty(isl_map_get_dim(map));
1097         for (j = 0; j < map->n; ++j) {
1098                 isl_map *map_j;
1099
1100                 if (j == i)
1101                         continue;
1102
1103                 map_j = isl_map_from_basic_map(isl_basic_map_copy(map->p[j]));
1104                 map_j = anonymize(map_j);
1105                 if (left && left[j])
1106                         map_j = isl_map_apply_range(map_j, isl_map_copy(qc));
1107                 if (right && right[j])
1108                         map_j = isl_map_apply_range(isl_map_copy(qc), map_j);
1109                 comp = isl_map_union(comp, map_j);
1110         }
1111
1112         comp = isl_map_compute_divs(comp);
1113         comp = isl_map_coalesce(comp);
1114
1115         isl_map_free(qc);
1116
1117         return comp;
1118 }
1119
1120 /* Compute the transitive closure of "map" incrementally by
1121  * computing
1122  *
1123  *      map_i^+ \cup qc^+
1124  *
1125  * or
1126  *
1127  *      map_i^+ \cup ((id \cup map_i^) \circ qc^+)
1128  *
1129  * or
1130  *
1131  *      map_i^+ \cup (qc^+ \circ (id \cup map_i^))
1132  *
1133  * depending on whether left or right are NULL.
1134  */
1135 static __isl_give isl_map *compute_incremental(
1136         __isl_take isl_dim *dim, __isl_keep isl_map *map,
1137         int i, __isl_take isl_map *qc, int *left, int *right, int *exact)
1138 {
1139         isl_map *map_i;
1140         isl_map *tc;
1141         isl_map *rtc = NULL;
1142
1143         if (!map)
1144                 goto error;
1145         isl_assert(map->ctx, left || right, goto error);
1146
1147         map_i = isl_map_from_basic_map(isl_basic_map_copy(map->p[i]));
1148         tc = construct_projected_component(isl_dim_copy(dim), map_i,
1149                                                 exact, 1);
1150         isl_map_free(map_i);
1151
1152         if (*exact)
1153                 qc = isl_map_transitive_closure(qc, exact);
1154
1155         if (!*exact) {
1156                 isl_dim_free(dim);
1157                 isl_map_free(tc);
1158                 isl_map_free(qc);
1159                 return isl_map_universe(isl_map_get_dim(map));
1160         }
1161
1162         if (!left || !right)
1163                 rtc = isl_map_union(isl_map_copy(tc),
1164                         isl_map_identity(isl_dim_domain(isl_map_get_dim(tc))));
1165         if (!right)
1166                 qc = isl_map_apply_range(rtc, qc);
1167         if (!left)
1168                 qc = isl_map_apply_range(qc, rtc);
1169         qc = isl_map_union(tc, qc);
1170
1171         isl_dim_free(dim);
1172
1173         return qc;
1174 error:
1175         isl_dim_free(dim);
1176         isl_map_free(qc);
1177         return NULL;
1178 }
1179
1180 /* Given a map "map", try to find a basic map such that
1181  * map^+ can be computed as
1182  *
1183  * map^+ = map_i^+ \cup
1184  *    \bigcup_j ((map_i^+ \cup Id_C)^+ \circ map_j \circ (map_i^+ \cup Id_C))^+
1185  *
1186  * with C the simple hull of the domain and range of the input map.
1187  * map_i^ \cup Id_C is computed by allowing the path lengths to be zero
1188  * and by intersecting domain and range with C.
1189  * Of course, we need to check that this is actually equal to map_i^ \cup Id_C.
1190  * Also, we only use the incremental computation if all the transitive
1191  * closures are exact and if the number of basic maps in the union,
1192  * after computing the integer divisions, is smaller than the number
1193  * of basic maps in the input map.
1194  */
1195 static int incemental_on_entire_domain(__isl_keep isl_dim *dim,
1196         __isl_keep isl_map *map,
1197         isl_set **dom, isl_set **ran, int *left, int *right,
1198         __isl_give isl_map **res)
1199 {
1200         int i;
1201         isl_set *C;
1202         unsigned d;
1203
1204         *res = NULL;
1205
1206         C = isl_set_union(isl_map_domain(isl_map_copy(map)),
1207                           isl_map_range(isl_map_copy(map)));
1208         C = isl_set_from_basic_set(isl_set_simple_hull(C));
1209         if (!C)
1210                 return -1;
1211         if (C->n != 1) {
1212                 isl_set_free(C);
1213                 return 0;
1214         }
1215
1216         d = isl_map_dim(map, isl_dim_in);
1217
1218         for (i = 0; i < map->n; ++i) {
1219                 isl_map *qc;
1220                 int exact_i, spurious;
1221                 int j;
1222                 dom[i] = isl_set_from_basic_set(isl_basic_map_domain(
1223                                         isl_basic_map_copy(map->p[i])));
1224                 ran[i] = isl_set_from_basic_set(isl_basic_map_range(
1225                                         isl_basic_map_copy(map->p[i])));
1226                 qc = q_closure(isl_dim_copy(dim), isl_set_copy(C),
1227                                 map->p[i], &exact_i);
1228                 if (!qc)
1229                         goto error;
1230                 if (!exact_i) {
1231                         isl_map_free(qc);
1232                         continue;
1233                 }
1234                 spurious = has_spurious_elements(qc, dom[i], ran[i]);
1235                 if (spurious) {
1236                         isl_map_free(qc);
1237                         if (spurious < 0)
1238                                 goto error;
1239                         continue;
1240                 }
1241                 qc = isl_map_project_out(qc, isl_dim_in, d, 1);
1242                 qc = isl_map_project_out(qc, isl_dim_out, d, 1);
1243                 qc = isl_map_compute_divs(qc);
1244                 for (j = 0; j < map->n; ++j)
1245                         left[j] = right[j] = 1;
1246                 qc = compose(map, i, qc, left, right);
1247                 if (!qc)
1248                         goto error;
1249                 if (qc->n >= map->n) {
1250                         isl_map_free(qc);
1251                         continue;
1252                 }
1253                 *res = compute_incremental(isl_dim_copy(dim), map, i, qc,
1254                                 left, right, &exact_i);
1255                 if (!*res)
1256                         goto error;
1257                 if (exact_i)
1258                         break;
1259                 isl_map_free(*res);
1260                 *res = NULL;
1261         }
1262
1263         isl_set_free(C);
1264
1265         return *res != NULL;
1266 error:
1267         isl_set_free(C);
1268         return -1;
1269 }
1270
1271 /* Try and compute the transitive closure of "map" as
1272  *
1273  * map^+ = map_i^+ \cup
1274  *    \bigcup_j ((map_i^+ \cup Id_C)^+ \circ map_j \circ (map_i^+ \cup Id_C))^+
1275  *
1276  * with C either the simple hull of the domain and range of the entire
1277  * map or the simple hull of domain and range of map_i.
1278  */
1279 static __isl_give isl_map *incremental_closure(__isl_take isl_dim *dim,
1280         __isl_keep isl_map *map, int *exact, int project)
1281 {
1282         int i;
1283         isl_set **dom = NULL;
1284         isl_set **ran = NULL;
1285         int *left = NULL;
1286         int *right = NULL;
1287         isl_set *C;
1288         unsigned d;
1289         isl_map *res = NULL;
1290
1291         if (!project)
1292                 return construct_projected_component(dim, map, exact, project);
1293
1294         if (!map)
1295                 goto error;
1296         if (map->n <= 1)
1297                 return construct_projected_component(dim, map, exact, project);
1298
1299         d = isl_map_dim(map, isl_dim_in);
1300
1301         dom = isl_calloc_array(map->ctx, isl_set *, map->n);
1302         ran = isl_calloc_array(map->ctx, isl_set *, map->n);
1303         left = isl_calloc_array(map->ctx, int, map->n);
1304         right = isl_calloc_array(map->ctx, int, map->n);
1305         if (!ran || !dom || !left || !right)
1306                 goto error;
1307
1308         if (incemental_on_entire_domain(dim, map, dom, ran, left, right, &res) < 0)
1309                 goto error;
1310
1311         for (i = 0; !res && i < map->n; ++i) {
1312                 isl_map *qc;
1313                 int exact_i, spurious, comp;
1314                 if (!dom[i])
1315                         dom[i] = isl_set_from_basic_set(
1316                                         isl_basic_map_domain(
1317                                                 isl_basic_map_copy(map->p[i])));
1318                 if (!dom[i])
1319                         goto error;
1320                 if (!ran[i])
1321                         ran[i] = isl_set_from_basic_set(
1322                                         isl_basic_map_range(
1323                                                 isl_basic_map_copy(map->p[i])));
1324                 if (!ran[i])
1325                         goto error;
1326                 C = isl_set_union(isl_set_copy(dom[i]),
1327                                       isl_set_copy(ran[i]));
1328                 C = isl_set_from_basic_set(isl_set_simple_hull(C));
1329                 if (!C)
1330                         goto error;
1331                 if (C->n != 1) {
1332                         isl_set_free(C);
1333                         continue;
1334                 }
1335                 comp = composability(C, i, dom, ran, left, right, map);
1336                 if (!comp || comp < 0) {
1337                         isl_set_free(C);
1338                         if (comp < 0)
1339                                 goto error;
1340                         continue;
1341                 }
1342                 qc = q_closure(isl_dim_copy(dim), C, map->p[i], &exact_i);
1343                 if (!qc)
1344                         goto error;
1345                 if (!exact_i) {
1346                         isl_map_free(qc);
1347                         continue;
1348                 }
1349                 spurious = has_spurious_elements(qc, dom[i], ran[i]);
1350                 if (spurious) {
1351                         isl_map_free(qc);
1352                         if (spurious < 0)
1353                                 goto error;
1354                         continue;
1355                 }
1356                 qc = isl_map_project_out(qc, isl_dim_in, d, 1);
1357                 qc = isl_map_project_out(qc, isl_dim_out, d, 1);
1358                 qc = isl_map_compute_divs(qc);
1359                 qc = compose(map, i, qc, (comp & LEFT) ? left : NULL,
1360                                 (comp & RIGHT) ? right : NULL);
1361                 if (!qc)
1362                         goto error;
1363                 if (qc->n >= map->n) {
1364                         isl_map_free(qc);
1365                         continue;
1366                 }
1367                 res = compute_incremental(isl_dim_copy(dim), map, i, qc,
1368                                 (comp & LEFT) ? left : NULL,
1369                                 (comp & RIGHT) ? right : NULL, &exact_i);
1370                 if (!res)
1371                         goto error;
1372                 if (exact_i)
1373                         break;
1374                 isl_map_free(res);
1375                 res = NULL;
1376         }
1377
1378         for (i = 0; i < map->n; ++i) {
1379                 isl_set_free(dom[i]);
1380                 isl_set_free(ran[i]);
1381         }
1382         free(dom);
1383         free(ran);
1384         free(left);
1385         free(right);
1386
1387         if (res) {
1388                 isl_dim_free(dim);
1389                 return res;
1390         }
1391
1392         return construct_projected_component(dim, map, exact, project);
1393 error:
1394         if (dom)
1395                 for (i = 0; i < map->n; ++i)
1396                         isl_set_free(dom[i]);
1397         free(dom);
1398         if (ran)
1399                 for (i = 0; i < map->n; ++i)
1400                         isl_set_free(ran[i]);
1401         free(ran);
1402         free(left);
1403         free(right);
1404         isl_dim_free(dim);
1405         return NULL;
1406 }
1407
1408 /* Given an array of sets "set", add "dom" at position "pos"
1409  * and search for elements at earlier positions that overlap with "dom".
1410  * If any can be found, then merge all of them, together with "dom", into
1411  * a single set and assign the union to the first in the array,
1412  * which becomes the new group leader for all groups involved in the merge.
1413  * During the search, we only consider group leaders, i.e., those with
1414  * group[i] = i, as the other sets have already been combined
1415  * with one of the group leaders.
1416  */
1417 static int merge(isl_set **set, int *group, __isl_take isl_set *dom, int pos)
1418 {
1419         int i;
1420
1421         group[pos] = pos;
1422         set[pos] = isl_set_copy(dom);
1423
1424         for (i = pos - 1; i >= 0; --i) {
1425                 int o;
1426
1427                 if (group[i] != i)
1428                         continue;
1429
1430                 o = isl_set_overlaps(set[i], dom);
1431                 if (o < 0)
1432                         goto error;
1433                 if (!o)
1434                         continue;
1435
1436                 set[i] = isl_set_union(set[i], set[group[pos]]);
1437                 set[group[pos]] = NULL;
1438                 if (!set[i])
1439                         goto error;
1440                 group[group[pos]] = i;
1441                 group[pos] = i;
1442         }
1443
1444         isl_set_free(dom);
1445         return 0;
1446 error:
1447         isl_set_free(dom);
1448         return -1;
1449 }
1450
1451 /* Replace each entry in the n by n grid of maps by the cross product
1452  * with the relation { [i] -> [i + 1] }.
1453  */
1454 static int add_length(__isl_keep isl_map *map, isl_map ***grid, int n)
1455 {
1456         int i, j, k;
1457         isl_dim *dim;
1458         isl_basic_map *bstep;
1459         isl_map *step;
1460         unsigned nparam;
1461
1462         if (!map)
1463                 return -1;
1464
1465         dim = isl_map_get_dim(map);
1466         nparam = isl_dim_size(dim, isl_dim_param);
1467         dim = isl_dim_drop(dim, isl_dim_in, 0, isl_dim_size(dim, isl_dim_in));
1468         dim = isl_dim_drop(dim, isl_dim_out, 0, isl_dim_size(dim, isl_dim_out));
1469         dim = isl_dim_add(dim, isl_dim_in, 1);
1470         dim = isl_dim_add(dim, isl_dim_out, 1);
1471         bstep = isl_basic_map_alloc_dim(dim, 0, 1, 0);
1472         k = isl_basic_map_alloc_equality(bstep);
1473         if (k < 0) {
1474                 isl_basic_map_free(bstep);
1475                 return -1;
1476         }
1477         isl_seq_clr(bstep->eq[k], 1 + isl_basic_map_total_dim(bstep));
1478         isl_int_set_si(bstep->eq[k][0], 1);
1479         isl_int_set_si(bstep->eq[k][1 + nparam], 1);
1480         isl_int_set_si(bstep->eq[k][1 + nparam + 1], -1);
1481         bstep = isl_basic_map_finalize(bstep);
1482         step = isl_map_from_basic_map(bstep);
1483
1484         for (i = 0; i < n; ++i)
1485                 for (j = 0; j < n; ++j)
1486                         grid[i][j] = isl_map_product(grid[i][j],
1487                                                      isl_map_copy(step));
1488
1489         isl_map_free(step);
1490
1491         return 0;
1492 }
1493
1494 /* The core of the Floyd-Warshall algorithm.
1495  * Updates the given n x x matrix of relations in place.
1496  *
1497  * The algorithm iterates over all vertices.  In each step, the whole
1498  * matrix is updated to include all paths that go to the current vertex,
1499  * possibly stay there a while (including passing through earlier vertices)
1500  * and then come back.  At the start of each iteration, the diagonal
1501  * element corresponding to the current vertex is replaced by its
1502  * transitive closure to account for all indirect paths that stay
1503  * in the current vertex.
1504  */
1505 static void floyd_warshall_iterate(isl_map ***grid, int n, int *exact)
1506 {
1507         int r, p, q;
1508
1509         for (r = 0; r < n; ++r) {
1510                 int r_exact;
1511                 grid[r][r] = isl_map_transitive_closure(grid[r][r],
1512                                 (exact && *exact) ? &r_exact : NULL);
1513                 if (exact && *exact && !r_exact)
1514                         *exact = 0;
1515
1516                 for (p = 0; p < n; ++p)
1517                         for (q = 0; q < n; ++q) {
1518                                 isl_map *loop;
1519                                 if (p == r && q == r)
1520                                         continue;
1521                                 loop = isl_map_apply_range(
1522                                                 isl_map_copy(grid[p][r]),
1523                                                 isl_map_copy(grid[r][q]));
1524                                 grid[p][q] = isl_map_union(grid[p][q], loop);
1525                                 loop = isl_map_apply_range(
1526                                                 isl_map_copy(grid[p][r]),
1527                                         isl_map_apply_range(
1528                                                 isl_map_copy(grid[r][r]),
1529                                                 isl_map_copy(grid[r][q])));
1530                                 grid[p][q] = isl_map_union(grid[p][q], loop);
1531                                 grid[p][q] = isl_map_coalesce(grid[p][q]);
1532                         }
1533         }
1534 }
1535
1536 /* Given a partition of the domains and ranges of the basic maps in "map",
1537  * apply the Floyd-Warshall algorithm with the elements in the partition
1538  * as vertices.
1539  *
1540  * In particular, there are "n" elements in the partition and "group" is
1541  * an array of length 2 * map->n with entries in [0,n-1].
1542  *
1543  * We first construct a matrix of relations based on the partition information,
1544  * apply Floyd-Warshall on this matrix of relations and then take the
1545  * union of all entries in the matrix as the final result.
1546  *
1547  * If we are actually computing the power instead of the transitive closure,
1548  * i.e., when "project" is not set, then the result should have the
1549  * path lengths encoded as the difference between an extra pair of
1550  * coordinates.  We therefore apply the nested transitive closures
1551  * to relations that include these lengths.  In particular, we replace
1552  * the input relation by the cross product with the unit length relation
1553  * { [i] -> [i + 1] }.
1554  */
1555 static __isl_give isl_map *floyd_warshall_with_groups(__isl_take isl_dim *dim,
1556         __isl_keep isl_map *map, int *exact, int project, int *group, int n)
1557 {
1558         int i, j, k;
1559         isl_map ***grid = NULL;
1560         isl_map *app;
1561
1562         if (!map)
1563                 goto error;
1564
1565         if (n == 1) {
1566                 free(group);
1567                 return incremental_closure(dim, map, exact, project);
1568         }
1569
1570         grid = isl_calloc_array(map->ctx, isl_map **, n);
1571         if (!grid)
1572                 goto error;
1573         for (i = 0; i < n; ++i) {
1574                 grid[i] = isl_calloc_array(map->ctx, isl_map *, n);
1575                 if (!grid[i])
1576                         goto error;
1577                 for (j = 0; j < n; ++j)
1578                         grid[i][j] = isl_map_empty(isl_map_get_dim(map));
1579         }
1580
1581         for (k = 0; k < map->n; ++k) {
1582                 i = group[2 * k];
1583                 j = group[2 * k + 1];
1584                 grid[i][j] = isl_map_union(grid[i][j],
1585                                 isl_map_from_basic_map(
1586                                         isl_basic_map_copy(map->p[k])));
1587         }
1588
1589         if (!project && add_length(map, grid, n) < 0)
1590                 goto error;
1591
1592         floyd_warshall_iterate(grid, n, exact);
1593
1594         app = isl_map_empty(isl_map_get_dim(map));
1595
1596         for (i = 0; i < n; ++i) {
1597                 for (j = 0; j < n; ++j)
1598                         app = isl_map_union(app, grid[i][j]);
1599                 free(grid[i]);
1600         }
1601         free(grid);
1602
1603         free(group);
1604         isl_dim_free(dim);
1605
1606         return app;
1607 error:
1608         if (grid)
1609                 for (i = 0; i < n; ++i) {
1610                         if (!grid[i])
1611                                 continue;
1612                         for (j = 0; j < n; ++j)
1613                                 isl_map_free(grid[i][j]);
1614                         free(grid[i]);
1615                 }
1616         free(grid);
1617         free(group);
1618         isl_dim_free(dim);
1619         return NULL;
1620 }
1621
1622 /* Partition the domains and ranges of the n basic relations in list
1623  * into disjoint cells.
1624  *
1625  * To find the partition, we simply consider all of the domains
1626  * and ranges in turn and combine those that overlap.
1627  * "set" contains the partition elements and "group" indicates
1628  * to which partition element a given domain or range belongs.
1629  * The domain of basic map i corresponds to element 2 * i in these arrays,
1630  * while the domain corresponds to element 2 * i + 1.
1631  * During the construction group[k] is either equal to k,
1632  * in which case set[k] contains the union of all the domains and
1633  * ranges in the corresponding group, or is equal to some l < k,
1634  * with l another domain or range in the same group.
1635  */
1636 static int *setup_groups(isl_ctx *ctx, __isl_keep isl_basic_map **list, int n,
1637         isl_set ***set, int *n_group)
1638 {
1639         int i;
1640         int *group = NULL;
1641         int g;
1642
1643         *set = isl_calloc_array(ctx, isl_set *, 2 * n);
1644         group = isl_alloc_array(ctx, int, 2 * n);
1645
1646         if (!*set || !group)
1647                 goto error;
1648
1649         for (i = 0; i < n; ++i) {
1650                 isl_set *dom;
1651                 dom = isl_set_from_basic_set(isl_basic_map_domain(
1652                                 isl_basic_map_copy(list[i])));
1653                 if (merge(*set, group, dom, 2 * i) < 0)
1654                         goto error;
1655                 dom = isl_set_from_basic_set(isl_basic_map_range(
1656                                 isl_basic_map_copy(list[i])));
1657                 if (merge(*set, group, dom, 2 * i + 1) < 0)
1658                         goto error;
1659         }
1660
1661         g = 0;
1662         for (i = 0; i < 2 * n; ++i)
1663                 if (group[i] == i) {
1664                         if (g != i) {
1665                                 (*set)[g] = (*set)[i];
1666                                 (*set)[i] = NULL;
1667                         }
1668                         group[i] = g++;
1669                 } else
1670                         group[i] = group[group[i]];
1671
1672         *n_group = g;
1673
1674         return group;
1675 error:
1676         if (*set) {
1677                 for (i = 0; i < 2 * n; ++i)
1678                         isl_set_free((*set)[i]);
1679                 free(*set);
1680                 *set = NULL;
1681         }
1682         free(group);
1683         return NULL;
1684 }
1685
1686 /* Check if the domains and ranges of the basic maps in "map" can
1687  * be partitioned, and if so, apply Floyd-Warshall on the elements
1688  * of the partition.  Note that we also apply this algorithm
1689  * if we want to compute the power, i.e., when "project" is not set.
1690  * However, the results are unlikely to be exact since the recursive
1691  * calls inside the Floyd-Warshall algorithm typically result in
1692  * non-linear path lengths quite quickly.
1693  */
1694 static __isl_give isl_map *floyd_warshall(__isl_take isl_dim *dim,
1695         __isl_keep isl_map *map, int *exact, int project)
1696 {
1697         int i;
1698         isl_set **set = NULL;
1699         int *group = NULL;
1700         int n;
1701
1702         if (!map)
1703                 goto error;
1704         if (map->n <= 1)
1705                 return incremental_closure(dim, map, exact, project);
1706
1707         group = setup_groups(map->ctx, map->p, map->n, &set, &n);
1708         if (!group)
1709                 goto error;
1710
1711         for (i = 0; i < 2 * map->n; ++i)
1712                 isl_set_free(set[i]);
1713
1714         free(set);
1715
1716         return floyd_warshall_with_groups(dim, map, exact, project, group, n);
1717 error:
1718         isl_dim_free(dim);
1719         return NULL;
1720 }
1721
1722 /* Structure for representing the nodes in the graph being traversed
1723  * using Tarjan's algorithm.
1724  * index represents the order in which nodes are visited.
1725  * min_index is the index of the root of a (sub)component.
1726  * on_stack indicates whether the node is currently on the stack.
1727  */
1728 struct basic_map_sort_node {
1729         int index;
1730         int min_index;
1731         int on_stack;
1732 };
1733 /* Structure for representing the graph being traversed
1734  * using Tarjan's algorithm.
1735  * len is the number of nodes
1736  * node is an array of nodes
1737  * stack contains the nodes on the path from the root to the current node
1738  * sp is the stack pointer
1739  * index is the index of the last node visited
1740  * order contains the elements of the components separated by -1
1741  * op represents the current position in order
1742  *
1743  * check_closed is set if we may have used the fact that
1744  * a pair of basic maps can be interchanged
1745  */
1746 struct basic_map_sort {
1747         int len;
1748         struct basic_map_sort_node *node;
1749         int *stack;
1750         int sp;
1751         int index;
1752         int *order;
1753         int op;
1754         int check_closed;
1755 };
1756
1757 static void basic_map_sort_free(struct basic_map_sort *s)
1758 {
1759         if (!s)
1760                 return;
1761         free(s->node);
1762         free(s->stack);
1763         free(s->order);
1764         free(s);
1765 }
1766
1767 static struct basic_map_sort *basic_map_sort_alloc(struct isl_ctx *ctx, int len)
1768 {
1769         struct basic_map_sort *s;
1770         int i;
1771
1772         s = isl_calloc_type(ctx, struct basic_map_sort);
1773         if (!s)
1774                 return NULL;
1775         s->len = len;
1776         s->node = isl_alloc_array(ctx, struct basic_map_sort_node, len);
1777         if (!s->node)
1778                 goto error;
1779         for (i = 0; i < len; ++i)
1780                 s->node[i].index = -1;
1781         s->stack = isl_alloc_array(ctx, int, len);
1782         if (!s->stack)
1783                 goto error;
1784         s->order = isl_alloc_array(ctx, int, 2 * len);
1785         if (!s->order)
1786                 goto error;
1787
1788         s->sp = 0;
1789         s->index = 0;
1790         s->op = 0;
1791
1792         s->check_closed = 0;
1793
1794         return s;
1795 error:
1796         basic_map_sort_free(s);
1797         return NULL;
1798 }
1799
1800 /* Check whether in the computation of the transitive closure
1801  * "bmap1" (R_1) should follow (or be part of the same component as)
1802  * "bmap2" (R_2).
1803  *
1804  * That is check whether
1805  *
1806  *      R_1 \circ R_2
1807  *
1808  * is a subset of
1809  *
1810  *      R_2 \circ R_1
1811  *
1812  * If so, then there is no reason for R_1 to immediately follow R_2
1813  * in any path.
1814  *
1815  * *check_closed is set if the subset relation holds while
1816  * R_1 \circ R_2 is not empty.
1817  */
1818 static int basic_map_follows(__isl_keep isl_basic_map *bmap1,
1819         __isl_keep isl_basic_map *bmap2, int *check_closed)
1820 {
1821         struct isl_map *map12 = NULL;
1822         struct isl_map *map21 = NULL;
1823         int subset;
1824
1825         if (!isl_dim_tuple_match(bmap1->dim, isl_dim_in, bmap2->dim, isl_dim_out))
1826                 return 0;
1827
1828         map21 = isl_map_from_basic_map(
1829                         isl_basic_map_apply_range(
1830                                 isl_basic_map_copy(bmap2),
1831                                 isl_basic_map_copy(bmap1)));
1832         subset = isl_map_is_empty(map21);
1833         if (subset < 0)
1834                 goto error;
1835         if (subset) {
1836                 isl_map_free(map21);
1837                 return 0;
1838         }
1839
1840         if (!isl_dim_tuple_match(bmap1->dim, isl_dim_in, bmap1->dim, isl_dim_out) ||
1841             !isl_dim_tuple_match(bmap2->dim, isl_dim_in, bmap2->dim, isl_dim_out)) {
1842                 isl_map_free(map21);
1843                 return 1;
1844         }
1845
1846         map12 = isl_map_from_basic_map(
1847                         isl_basic_map_apply_range(
1848                                 isl_basic_map_copy(bmap1),
1849                                 isl_basic_map_copy(bmap2)));
1850
1851         subset = isl_map_is_subset(map21, map12);
1852
1853         isl_map_free(map12);
1854         isl_map_free(map21);
1855
1856         if (subset)
1857                 *check_closed = 1;
1858
1859         return subset < 0 ? -1 : !subset;
1860 error:
1861         isl_map_free(map21);
1862         return -1;
1863 }
1864
1865 /* Perform Tarjan's algorithm for computing the strongly connected components
1866  * in the graph with the disjuncts of "map" as vertices and with an
1867  * edge between any pair of disjuncts such that the first has
1868  * to be applied after the second.
1869  */
1870 static int power_components_tarjan(struct basic_map_sort *s,
1871         __isl_keep isl_basic_map **list, int i)
1872 {
1873         int j;
1874
1875         s->node[i].index = s->index;
1876         s->node[i].min_index = s->index;
1877         s->node[i].on_stack = 1;
1878         s->index++;
1879         s->stack[s->sp++] = i;
1880
1881         for (j = s->len - 1; j >= 0; --j) {
1882                 int f;
1883
1884                 if (j == i)
1885                         continue;
1886                 if (s->node[j].index >= 0 &&
1887                         (!s->node[j].on_stack ||
1888                          s->node[j].index > s->node[i].min_index))
1889                         continue;
1890
1891                 f = basic_map_follows(list[i], list[j], &s->check_closed);
1892                 if (f < 0)
1893                         return -1;
1894                 if (!f)
1895                         continue;
1896
1897                 if (s->node[j].index < 0) {
1898                         power_components_tarjan(s, list, j);
1899                         if (s->node[j].min_index < s->node[i].min_index)
1900                                 s->node[i].min_index = s->node[j].min_index;
1901                 } else if (s->node[j].index < s->node[i].min_index)
1902                         s->node[i].min_index = s->node[j].index;
1903         }
1904
1905         if (s->node[i].index != s->node[i].min_index)
1906                 return 0;
1907
1908         do {
1909                 j = s->stack[--s->sp];
1910                 s->node[j].on_stack = 0;
1911                 s->order[s->op++] = j;
1912         } while (j != i);
1913         s->order[s->op++] = -1;
1914
1915         return 0;
1916 }
1917
1918 /* Decompose the "len" basic relations in "list" into strongly connected
1919  * components.
1920  */
1921 static struct basic_map_sort *basic_map_sort_init(isl_ctx *ctx, int len,
1922         __isl_keep isl_basic_map **list)
1923 {
1924         int i;
1925         struct basic_map_sort *s = NULL;
1926
1927         s = basic_map_sort_alloc(ctx, len);
1928         if (!s)
1929                 return NULL;
1930         for (i = len - 1; i >= 0; --i) {
1931                 if (s->node[i].index >= 0)
1932                         continue;
1933                 if (power_components_tarjan(s, list, i) < 0)
1934                         goto error;
1935         }
1936
1937         return s;
1938 error:
1939         basic_map_sort_free(s);
1940         return NULL;
1941 }
1942
1943 /* Given a union of basic maps R = \cup_i R_i \subseteq D \times D
1944  * and a dimension specification (Z^{n+1} -> Z^{n+1}),
1945  * construct a map that is an overapproximation of the map
1946  * that takes an element from the dom R \times Z to an
1947  * element from ran R \times Z, such that the first n coordinates of the
1948  * difference between them is a sum of differences between images
1949  * and pre-images in one of the R_i and such that the last coordinate
1950  * is equal to the number of steps taken.
1951  * If "project" is set, then these final coordinates are not included,
1952  * i.e., a relation of type Z^n -> Z^n is returned.
1953  * That is, let
1954  *
1955  *      \Delta_i = { y - x | (x, y) in R_i }
1956  *
1957  * then the constructed map is an overapproximation of
1958  *
1959  *      { (x) -> (x + d) | \exists k_i >= 0, \delta_i \in \Delta_i :
1960  *                              d = (\sum_i k_i \delta_i, \sum_i k_i) and
1961  *                              x in dom R and x + d in ran R }
1962  *
1963  * or
1964  *
1965  *      { (x) -> (x + d) | \exists k_i >= 0, \delta_i \in \Delta_i :
1966  *                              d = (\sum_i k_i \delta_i) and
1967  *                              x in dom R and x + d in ran R }
1968  *
1969  * if "project" is set.
1970  *
1971  * We first split the map into strongly connected components, perform
1972  * the above on each component and then join the results in the correct
1973  * order, at each join also taking in the union of both arguments
1974  * to allow for paths that do not go through one of the two arguments.
1975  */
1976 static __isl_give isl_map *construct_power_components(__isl_take isl_dim *dim,
1977         __isl_keep isl_map *map, int *exact, int project)
1978 {
1979         int i, n, c;
1980         struct isl_map *path = NULL;
1981         struct basic_map_sort *s = NULL;
1982         int *orig_exact;
1983         int local_exact;
1984
1985         if (!map)
1986                 goto error;
1987         if (map->n <= 1)
1988                 return floyd_warshall(dim, map, exact, project);
1989
1990         s = basic_map_sort_init(map->ctx, map->n, map->p);
1991         if (!s)
1992                 goto error;
1993
1994         orig_exact = exact;
1995         if (s->check_closed && !exact)
1996                 exact = &local_exact;
1997
1998         c = 0;
1999         i = 0;
2000         n = map->n;
2001         if (project)
2002                 path = isl_map_empty(isl_map_get_dim(map));
2003         else
2004                 path = isl_map_empty(isl_dim_copy(dim));
2005         path = anonymize(path);
2006         while (n) {
2007                 struct isl_map *comp;
2008                 isl_map *path_comp, *path_comb;
2009                 comp = isl_map_alloc_dim(isl_map_get_dim(map), n, 0);
2010                 while (s->order[i] != -1) {
2011                         comp = isl_map_add_basic_map(comp,
2012                                     isl_basic_map_copy(map->p[s->order[i]]));
2013                         --n;
2014                         ++i;
2015                 }
2016                 path_comp = floyd_warshall(isl_dim_copy(dim),
2017                                                 comp, exact, project);
2018                 path_comp = anonymize(path_comp);
2019                 path_comb = isl_map_apply_range(isl_map_copy(path),
2020                                                 isl_map_copy(path_comp));
2021                 path = isl_map_union(path, path_comp);
2022                 path = isl_map_union(path, path_comb);
2023                 isl_map_free(comp);
2024                 ++i;
2025                 ++c;
2026         }
2027
2028         if (c > 1 && s->check_closed && !*exact) {
2029                 int closed;
2030
2031                 closed = isl_map_is_transitively_closed(path);
2032                 if (closed < 0)
2033                         goto error;
2034                 if (!closed) {
2035                         basic_map_sort_free(s);
2036                         isl_map_free(path);
2037                         return floyd_warshall(dim, map, orig_exact, project);
2038                 }
2039         }
2040
2041         basic_map_sort_free(s);
2042         isl_dim_free(dim);
2043
2044         return path;
2045 error:
2046         basic_map_sort_free(s);
2047         isl_dim_free(dim);
2048         isl_map_free(path);
2049         return NULL;
2050 }
2051
2052 /* Given a union of basic maps R = \cup_i R_i \subseteq D \times D,
2053  * construct a map that is an overapproximation of the map
2054  * that takes an element from the space D to another
2055  * element from the same space, such that the difference between
2056  * them is a strictly positive sum of differences between images
2057  * and pre-images in one of the R_i.
2058  * The number of differences in the sum is equated to parameter "param".
2059  * That is, let
2060  *
2061  *      \Delta_i = { y - x | (x, y) in R_i }
2062  *
2063  * then the constructed map is an overapproximation of
2064  *
2065  *      { (x) -> (x + d) | \exists k_i >= 0, \delta_i \in \Delta_i :
2066  *                              d = \sum_i k_i \delta_i and k = \sum_i k_i > 0 }
2067  * or
2068  *
2069  *      { (x) -> (x + d) | \exists k_i >= 0, \delta_i \in \Delta_i :
2070  *                              d = \sum_i k_i \delta_i and \sum_i k_i > 0 }
2071  *
2072  * if "project" is set.
2073  *
2074  * If "project" is not set, then
2075  * we construct an extended mapping with an extra coordinate
2076  * that indicates the number of steps taken.  In particular,
2077  * the difference in the last coordinate is equal to the number
2078  * of steps taken to move from a domain element to the corresponding
2079  * image element(s).
2080  */
2081 static __isl_give isl_map *construct_power(__isl_keep isl_map *map,
2082         int *exact, int project)
2083 {
2084         struct isl_map *app = NULL;
2085         struct isl_dim *dim = NULL;
2086         unsigned d;
2087
2088         if (!map)
2089                 return NULL;
2090
2091         dim = isl_map_get_dim(map);
2092
2093         d = isl_dim_size(dim, isl_dim_in);
2094         dim = isl_dim_add(dim, isl_dim_in, 1);
2095         dim = isl_dim_add(dim, isl_dim_out, 1);
2096
2097         app = construct_power_components(isl_dim_copy(dim), map,
2098                                         exact, project);
2099
2100         isl_dim_free(dim);
2101
2102         return app;
2103 }
2104
2105 /* Compute the positive powers of "map", or an overapproximation.
2106  * If the result is exact, then *exact is set to 1.
2107  *
2108  * If project is set, then we are actually interested in the transitive
2109  * closure, so we can use a more relaxed exactness check.
2110  * The lengths of the paths are also projected out instead of being
2111  * encoded as the difference between an extra pair of final coordinates.
2112  */
2113 static __isl_give isl_map *map_power(__isl_take isl_map *map,
2114         int *exact, int project)
2115 {
2116         struct isl_map *app = NULL;
2117
2118         if (exact)
2119                 *exact = 1;
2120
2121         if (!map)
2122                 return NULL;
2123
2124         isl_assert(map->ctx,
2125                 isl_map_dim(map, isl_dim_in) == isl_map_dim(map, isl_dim_out),
2126                 goto error);
2127
2128         app = construct_power(map, exact, project);
2129
2130         isl_map_free(map);
2131         return app;
2132 error:
2133         isl_map_free(map);
2134         isl_map_free(app);
2135         return NULL;
2136 }
2137
2138 /* Compute the positive powers of "map", or an overapproximation.
2139  * The power is given by parameter "param".  If the result is exact,
2140  * then *exact is set to 1.
2141  * map_power constructs an extended relation with the path lengths
2142  * encoded as the difference between the final coordinates.
2143  * In the final step, this difference is equated to the parameter "param"
2144  * and made positive.  The extra coordinates are subsequently projected out.
2145  */
2146 __isl_give isl_map *isl_map_power(__isl_take isl_map *map, unsigned param,
2147         int *exact)
2148 {
2149         isl_dim *target_dim;
2150         isl_dim *dim;
2151         isl_map *diff;
2152         unsigned d;
2153
2154         if (!map)
2155                 return NULL;
2156
2157         isl_assert(map->ctx, param < isl_map_dim(map, isl_dim_param),
2158                 goto error);
2159
2160         d = isl_map_dim(map, isl_dim_in);
2161
2162         map = isl_map_compute_divs(map);
2163         map = isl_map_coalesce(map);
2164
2165         if (isl_map_fast_is_empty(map))
2166                 return map;
2167
2168         target_dim = isl_map_get_dim(map);
2169         map = map_power(map, exact, 0);
2170
2171         dim = isl_map_get_dim(map);
2172         diff = equate_parameter_to_length(dim, param);
2173         map = isl_map_intersect(map, diff);
2174         map = isl_map_project_out(map, isl_dim_in, d, 1);
2175         map = isl_map_project_out(map, isl_dim_out, d, 1);
2176
2177         map = isl_map_reset_dim(map, target_dim);
2178
2179         return map;
2180 error:
2181         isl_map_free(map);
2182         return NULL;
2183 }
2184
2185 /* Compute a relation that maps each element in the range of the input
2186  * relation to the lengths of all paths composed of edges in the input
2187  * relation that end up in the given range element.
2188  * The result may be an overapproximation, in which case *exact is set to 0.
2189  * The resulting relation is very similar to the power relation.
2190  * The difference are that the domain has been projected out, the
2191  * range has become the domain and the exponent is the range instead
2192  * of a parameter.
2193  */
2194 __isl_give isl_map *isl_map_reaching_path_lengths(__isl_take isl_map *map,
2195         int *exact)
2196 {
2197         isl_dim *dim;
2198         isl_map *diff;
2199         unsigned d;
2200         unsigned param;
2201
2202         if (!map)
2203                 return NULL;
2204
2205         d = isl_map_dim(map, isl_dim_in);
2206         param = isl_map_dim(map, isl_dim_param);
2207
2208         map = isl_map_compute_divs(map);
2209         map = isl_map_coalesce(map);
2210
2211         if (isl_map_fast_is_empty(map)) {
2212                 if (exact)
2213                         *exact = 1;
2214                 map = isl_map_project_out(map, isl_dim_out, 0, d);
2215                 map = isl_map_add_dims(map, isl_dim_out, 1);
2216                 return map;
2217         }
2218
2219         map = map_power(map, exact, 0);
2220
2221         map = isl_map_add_dims(map, isl_dim_param, 1);
2222         dim = isl_map_get_dim(map);
2223         diff = equate_parameter_to_length(dim, param);
2224         map = isl_map_intersect(map, diff);
2225         map = isl_map_project_out(map, isl_dim_in, 0, d + 1);
2226         map = isl_map_project_out(map, isl_dim_out, d, 1);
2227         map = isl_map_reverse(map);
2228         map = isl_map_move_dims(map, isl_dim_out, 0, isl_dim_param, param, 1);
2229
2230         return map;
2231 }
2232
2233 /* Check whether equality i of bset is a pure stride constraint
2234  * on a single dimensions, i.e., of the form
2235  *
2236  *      v = k e
2237  *
2238  * with k a constant and e an existentially quantified variable.
2239  */
2240 static int is_eq_stride(__isl_keep isl_basic_set *bset, int i)
2241 {
2242         int k;
2243         unsigned nparam;
2244         unsigned d;
2245         unsigned n_div;
2246         int pos1;
2247         int pos2;
2248
2249         if (!bset)
2250                 return -1;
2251
2252         if (!isl_int_is_zero(bset->eq[i][0]))
2253                 return 0;
2254
2255         nparam = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_param);
2256         d = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_set);
2257         n_div = isl_basic_set_dim(bset, isl_dim_div);
2258
2259         if (isl_seq_first_non_zero(bset->eq[i] + 1, nparam) != -1)
2260                 return 0;
2261         pos1 = isl_seq_first_non_zero(bset->eq[i] + 1 + nparam, d);
2262         if (pos1 == -1)
2263                 return 0;
2264         if (isl_seq_first_non_zero(bset->eq[i] + 1 + nparam + pos1 + 1, 
2265                                         d - pos1 - 1) != -1)
2266                 return 0;
2267
2268         pos2 = isl_seq_first_non_zero(bset->eq[i] + 1 + nparam + d, n_div);
2269         if (pos2 == -1)
2270                 return 0;
2271         if (isl_seq_first_non_zero(bset->eq[i] + 1 + nparam + d  + pos2 + 1,
2272                                    n_div - pos2 - 1) != -1)
2273                 return 0;
2274         if (!isl_int_is_one(bset->eq[i][1 + nparam + pos1]) &&
2275             !isl_int_is_negone(bset->eq[i][1 + nparam + pos1]))
2276                 return 0;
2277
2278         return 1;
2279 }
2280
2281 /* Given a map, compute the smallest superset of this map that is of the form
2282  *
2283  *      { i -> j : L <= j - i <= U and exists a_p: j_p - i_p = M_p a_p }
2284  *
2285  * (where p ranges over the (non-parametric) dimensions),
2286  * compute the transitive closure of this map, i.e.,
2287  *
2288  *      { i -> j : exists k > 0:
2289  *              k L <= j - i <= k U and exists a: j_p - i_p = M_p a_p }
2290  *
2291  * and intersect domain and range of this transitive closure with
2292  * the given domain and range.
2293  *
2294  * If with_id is set, then try to include as much of the identity mapping
2295  * as possible, by computing
2296  *
2297  *      { i -> j : exists k >= 0:
2298  *              k L <= j - i <= k U and exists a: j_p - i_p = M_p a_p }
2299  *
2300  * instead (i.e., allow k = 0).
2301  *
2302  * In practice, we compute the difference set
2303  *
2304  *      delta  = { j - i | i -> j in map },
2305  *
2306  * look for stride constraint on the individual dimensions and compute
2307  * (constant) lower and upper bounds for each individual dimension,
2308  * adding a constraint for each bound not equal to infinity.
2309  */
2310 static __isl_give isl_map *box_closure_on_domain(__isl_take isl_map *map,
2311         __isl_take isl_set *dom, __isl_take isl_set *ran, int with_id)
2312 {
2313         int i;
2314         int k;
2315         unsigned d;
2316         unsigned nparam;
2317         unsigned total;
2318         isl_dim *dim;
2319         isl_set *delta;
2320         isl_map *app = NULL;
2321         isl_basic_set *aff = NULL;
2322         isl_basic_map *bmap = NULL;
2323         isl_vec *obj = NULL;
2324         isl_int opt;
2325
2326         isl_int_init(opt);
2327
2328         delta = isl_map_deltas(isl_map_copy(map));
2329
2330         aff = isl_set_affine_hull(isl_set_copy(delta));
2331         if (!aff)
2332                 goto error;
2333         dim = isl_map_get_dim(map);
2334         d = isl_dim_size(dim, isl_dim_in);
2335         nparam = isl_dim_size(dim, isl_dim_param);
2336         total = isl_dim_total(dim);
2337         bmap = isl_basic_map_alloc_dim(dim,
2338                                         aff->n_div + 1, aff->n_div, 2 * d + 1);
2339         for (i = 0; i < aff->n_div + 1; ++i) {
2340                 k = isl_basic_map_alloc_div(bmap);
2341                 if (k < 0)
2342                         goto error;
2343                 isl_int_set_si(bmap->div[k][0], 0);
2344         }
2345         for (i = 0; i < aff->n_eq; ++i) {
2346                 if (!is_eq_stride(aff, i))
2347                         continue;
2348                 k = isl_basic_map_alloc_equality(bmap);
2349                 if (k < 0)
2350                         goto error;
2351                 isl_seq_clr(bmap->eq[k], 1 + nparam);
2352                 isl_seq_cpy(bmap->eq[k] + 1 + nparam + d,
2353                                 aff->eq[i] + 1 + nparam, d);
2354                 isl_seq_neg(bmap->eq[k] + 1 + nparam,
2355                                 aff->eq[i] + 1 + nparam, d);
2356                 isl_seq_cpy(bmap->eq[k] + 1 + nparam + 2 * d,
2357                                 aff->eq[i] + 1 + nparam + d, aff->n_div);
2358                 isl_int_set_si(bmap->eq[k][1 + total + aff->n_div], 0);
2359         }
2360         obj = isl_vec_alloc(map->ctx, 1 + nparam + d);
2361         if (!obj)
2362                 goto error;
2363         isl_seq_clr(obj->el, 1 + nparam + d);
2364         for (i = 0; i < d; ++ i) {
2365                 enum isl_lp_result res;
2366
2367                 isl_int_set_si(obj->el[1 + nparam + i], 1);
2368
2369                 res = isl_set_solve_lp(delta, 0, obj->el, map->ctx->one, &opt,
2370                                         NULL, NULL);
2371                 if (res == isl_lp_error)
2372                         goto error;
2373                 if (res == isl_lp_ok) {
2374                         k = isl_basic_map_alloc_inequality(bmap);
2375                         if (k < 0)
2376                                 goto error;
2377                         isl_seq_clr(bmap->ineq[k],
2378                                         1 + nparam + 2 * d + bmap->n_div);
2379                         isl_int_set_si(bmap->ineq[k][1 + nparam + i], -1);
2380                         isl_int_set_si(bmap->ineq[k][1 + nparam + d + i], 1);
2381                         isl_int_neg(bmap->ineq[k][1 + nparam + 2 * d + aff->n_div], opt);
2382                 }
2383
2384                 res = isl_set_solve_lp(delta, 1, obj->el, map->ctx->one, &opt,
2385                                         NULL, NULL);
2386                 if (res == isl_lp_error)
2387                         goto error;
2388                 if (res == isl_lp_ok) {
2389                         k = isl_basic_map_alloc_inequality(bmap);
2390                         if (k < 0)
2391                                 goto error;
2392                         isl_seq_clr(bmap->ineq[k],
2393                                         1 + nparam + 2 * d + bmap->n_div);
2394                         isl_int_set_si(bmap->ineq[k][1 + nparam + i], 1);
2395                         isl_int_set_si(bmap->ineq[k][1 + nparam + d + i], -1);
2396                         isl_int_set(bmap->ineq[k][1 + nparam + 2 * d + aff->n_div], opt);
2397                 }
2398
2399                 isl_int_set_si(obj->el[1 + nparam + i], 0);
2400         }
2401         k = isl_basic_map_alloc_inequality(bmap);
2402         if (k < 0)
2403                 goto error;
2404         isl_seq_clr(bmap->ineq[k],
2405                         1 + nparam + 2 * d + bmap->n_div);
2406         if (!with_id)
2407                 isl_int_set_si(bmap->ineq[k][0], -1);
2408         isl_int_set_si(bmap->ineq[k][1 + nparam + 2 * d + aff->n_div], 1);
2409
2410         app = isl_map_from_domain_and_range(dom, ran);
2411
2412         isl_vec_free(obj);
2413         isl_basic_set_free(aff);
2414         isl_map_free(map);
2415         bmap = isl_basic_map_finalize(bmap);
2416         isl_set_free(delta);
2417         isl_int_clear(opt);
2418
2419         map = isl_map_from_basic_map(bmap);
2420         map = isl_map_intersect(map, app);
2421
2422         return map;
2423 error:
2424         isl_vec_free(obj);
2425         isl_basic_map_free(bmap);
2426         isl_basic_set_free(aff);
2427         isl_set_free(dom);
2428         isl_set_free(ran);
2429         isl_map_free(map);
2430         isl_set_free(delta);
2431         isl_int_clear(opt);
2432         return NULL;
2433 }
2434
2435 /* Given a map, compute the smallest superset of this map that is of the form
2436  *
2437  *      { i -> j : L <= j - i <= U and exists a_p: j_p - i_p = M_p a_p }
2438  *
2439  * (where p ranges over the (non-parametric) dimensions),
2440  * compute the transitive closure of this map, i.e.,
2441  *
2442  *      { i -> j : exists k > 0:
2443  *              k L <= j - i <= k U and exists a: j_p - i_p = M_p a_p }
2444  *
2445  * and intersect domain and range of this transitive closure with
2446  * domain and range of the original map.
2447  */
2448 static __isl_give isl_map *box_closure(__isl_take isl_map *map)
2449 {
2450         isl_set *domain;
2451         isl_set *range;
2452
2453         domain = isl_map_domain(isl_map_copy(map));
2454         domain = isl_set_coalesce(domain);
2455         range = isl_map_range(isl_map_copy(map));
2456         range = isl_set_coalesce(range);
2457
2458         return box_closure_on_domain(map, domain, range, 0);
2459 }
2460
2461 /* Given a map, compute the smallest superset of this map that is of the form
2462  *
2463  *      { i -> j : L <= j - i <= U and exists a_p: j_p - i_p = M_p a_p }
2464  *
2465  * (where p ranges over the (non-parametric) dimensions),
2466  * compute the transitive and partially reflexive closure of this map, i.e.,
2467  *
2468  *      { i -> j : exists k >= 0:
2469  *              k L <= j - i <= k U and exists a: j_p - i_p = M_p a_p }
2470  *
2471  * and intersect domain and range of this transitive closure with
2472  * the given domain.
2473  */
2474 static __isl_give isl_map *box_closure_with_identity(__isl_take isl_map *map,
2475         __isl_take isl_set *dom)
2476 {
2477         return box_closure_on_domain(map, dom, isl_set_copy(dom), 1);
2478 }
2479
2480 /* Check whether app is the transitive closure of map.
2481  * In particular, check that app is acyclic and, if so,
2482  * check that
2483  *
2484  *      app \subset (map \cup (map \circ app))
2485  */
2486 static int check_exactness_omega(__isl_keep isl_map *map,
2487         __isl_keep isl_map *app)
2488 {
2489         isl_set *delta;
2490         int i;
2491         int is_empty, is_exact;
2492         unsigned d;
2493         isl_map *test;
2494
2495         delta = isl_map_deltas(isl_map_copy(app));
2496         d = isl_set_dim(delta, isl_dim_set);
2497         for (i = 0; i < d; ++i)
2498                 delta = isl_set_fix_si(delta, isl_dim_set, i, 0);
2499         is_empty = isl_set_is_empty(delta);
2500         isl_set_free(delta);
2501         if (is_empty < 0)
2502                 return -1;
2503         if (!is_empty)
2504                 return 0;
2505
2506         test = isl_map_apply_range(isl_map_copy(app), isl_map_copy(map));
2507         test = isl_map_union(test, isl_map_copy(map));
2508         is_exact = isl_map_is_subset(app, test);
2509         isl_map_free(test);
2510
2511         return is_exact;
2512 }
2513
2514 /* Check if basic map M_i can be combined with all the other
2515  * basic maps such that
2516  *
2517  *      (\cup_j M_j)^+
2518  *
2519  * can be computed as
2520  *
2521  *      M_i \cup (\cup_{j \ne i} M_i^* \circ M_j \circ M_i^*)^+
2522  *
2523  * In particular, check if we can compute a compact representation
2524  * of
2525  *
2526  *              M_i^* \circ M_j \circ M_i^*
2527  *
2528  * for each j != i.
2529  * Let M_i^? be an extension of M_i^+ that allows paths
2530  * of length zero, i.e., the result of box_closure(., 1).
2531  * The criterion, as proposed by Kelly et al., is that
2532  * id = M_i^? - M_i^+ can be represented as a basic map
2533  * and that
2534  *
2535  *      id \circ M_j \circ id = M_j
2536  *
2537  * for each j != i.
2538  *
2539  * If this function returns 1, then tc and qc are set to
2540  * M_i^+ and M_i^?, respectively.
2541  */
2542 static int can_be_split_off(__isl_keep isl_map *map, int i,
2543         __isl_give isl_map **tc, __isl_give isl_map **qc)
2544 {
2545         isl_map *map_i, *id = NULL;
2546         int j = -1;
2547         isl_set *C;
2548
2549         *tc = NULL;
2550         *qc = NULL;
2551
2552         C = isl_set_union(isl_map_domain(isl_map_copy(map)),
2553                           isl_map_range(isl_map_copy(map)));
2554         C = isl_set_from_basic_set(isl_set_simple_hull(C));
2555         if (!C)
2556                 goto error;
2557
2558         map_i = isl_map_from_basic_map(isl_basic_map_copy(map->p[i]));
2559         *tc = box_closure(isl_map_copy(map_i));
2560         *qc = box_closure_with_identity(map_i, C);
2561         id = isl_map_subtract(isl_map_copy(*qc), isl_map_copy(*tc));
2562
2563         if (!id || !*qc)
2564                 goto error;
2565         if (id->n != 1 || (*qc)->n != 1)
2566                 goto done;
2567
2568         for (j = 0; j < map->n; ++j) {
2569                 isl_map *map_j, *test;
2570                 int is_ok;
2571
2572                 if (i == j)
2573                         continue;
2574                 map_j = isl_map_from_basic_map(
2575                                         isl_basic_map_copy(map->p[j]));
2576                 test = isl_map_apply_range(isl_map_copy(id),
2577                                                 isl_map_copy(map_j));
2578                 test = isl_map_apply_range(test, isl_map_copy(id));
2579                 is_ok = isl_map_is_equal(test, map_j);
2580                 isl_map_free(map_j);
2581                 isl_map_free(test);
2582                 if (is_ok < 0)
2583                         goto error;
2584                 if (!is_ok)
2585                         break;
2586         }
2587
2588 done:
2589         isl_map_free(id);
2590         if (j == map->n)
2591                 return 1;
2592
2593         isl_map_free(*qc);
2594         isl_map_free(*tc);
2595         *qc = NULL;
2596         *tc = NULL;
2597
2598         return 0;
2599 error:
2600         isl_map_free(id);
2601         isl_map_free(*qc);
2602         isl_map_free(*tc);
2603         *qc = NULL;
2604         *tc = NULL;
2605         return -1;
2606 }
2607
2608 static __isl_give isl_map *box_closure_with_check(__isl_take isl_map *map,
2609         int *exact)
2610 {
2611         isl_map *app;
2612
2613         app = box_closure(isl_map_copy(map));
2614         if (exact)
2615                 *exact = check_exactness_omega(map, app);
2616
2617         isl_map_free(map);
2618         return app;
2619 }
2620
2621 /* Compute an overapproximation of the transitive closure of "map"
2622  * using a variation of the algorithm from
2623  * "Transitive Closure of Infinite Graphs and its Applications"
2624  * by Kelly et al.
2625  *
2626  * We first check whether we can can split of any basic map M_i and
2627  * compute
2628  *
2629  *      (\cup_j M_j)^+
2630  *
2631  * as
2632  *
2633  *      M_i \cup (\cup_{j \ne i} M_i^* \circ M_j \circ M_i^*)^+
2634  *
2635  * using a recursive call on the remaining map.
2636  *
2637  * If not, we simply call box_closure on the whole map.
2638  */
2639 static __isl_give isl_map *transitive_closure_omega(__isl_take isl_map *map,
2640         int *exact)
2641 {
2642         int i, j;
2643         int exact_i;
2644         isl_map *app;
2645
2646         if (!map)
2647                 return NULL;
2648         if (map->n == 1)
2649                 return box_closure_with_check(map, exact);
2650
2651         for (i = 0; i < map->n; ++i) {
2652                 int ok;
2653                 isl_map *qc, *tc;
2654                 ok = can_be_split_off(map, i, &tc, &qc);
2655                 if (ok < 0)
2656                         goto error;
2657                 if (!ok)
2658                         continue;
2659
2660                 app = isl_map_alloc_dim(isl_map_get_dim(map), map->n - 1, 0);
2661
2662                 for (j = 0; j < map->n; ++j) {
2663                         if (j == i)
2664                                 continue;
2665                         app = isl_map_add_basic_map(app,
2666                                                 isl_basic_map_copy(map->p[j]));
2667                 }
2668
2669                 app = isl_map_apply_range(isl_map_copy(qc), app);
2670                 app = isl_map_apply_range(app, qc);
2671
2672                 app = isl_map_union(tc, transitive_closure_omega(app, NULL));
2673                 exact_i = check_exactness_omega(map, app);
2674                 if (exact_i == 1) {
2675                         if (exact)
2676                                 *exact = exact_i;
2677                         isl_map_free(map);
2678                         return app;
2679                 }
2680                 isl_map_free(app);
2681                 if (exact_i < 0)
2682                         goto error;
2683         }
2684
2685         return box_closure_with_check(map, exact);
2686 error:
2687         isl_map_free(map);
2688         return NULL;
2689 }
2690
2691 /* Compute the transitive closure  of "map", or an overapproximation.
2692  * If the result is exact, then *exact is set to 1.
2693  * Simply use map_power to compute the powers of map, but tell
2694  * it to project out the lengths of the paths instead of equating
2695  * the length to a parameter.
2696  */
2697 __isl_give isl_map *isl_map_transitive_closure(__isl_take isl_map *map,
2698         int *exact)
2699 {
2700         isl_dim *target_dim;
2701         int closed;
2702
2703         if (!map)
2704                 goto error;
2705
2706         if (map->ctx->opt->closure == ISL_CLOSURE_BOX)
2707                 return transitive_closure_omega(map, exact);
2708
2709         map = isl_map_compute_divs(map);
2710         map = isl_map_coalesce(map);
2711         closed = isl_map_is_transitively_closed(map);
2712         if (closed < 0)
2713                 goto error;
2714         if (closed) {
2715                 if (exact)
2716                         *exact = 1;
2717                 return map;
2718         }
2719
2720         target_dim = isl_map_get_dim(map);
2721         map = map_power(map, exact, 1);
2722         map = isl_map_reset_dim(map, target_dim);
2723
2724         return map;
2725 error:
2726         isl_map_free(map);
2727         return NULL;
2728 }
2729
2730 static int inc_count(__isl_take isl_map *map, void *user)
2731 {
2732         int *n = user;
2733
2734         *n += map->n;
2735
2736         isl_map_free(map);
2737
2738         return 0;
2739 }
2740
2741 static int collect_basic_map(__isl_take isl_map *map, void *user)
2742 {
2743         int i;
2744         isl_basic_map ***next = user;
2745
2746         for (i = 0; i < map->n; ++i) {
2747                 **next = isl_basic_map_copy(map->p[i]);
2748                 if (!**next)
2749                         goto error;
2750                 (*next)++;
2751         }
2752
2753         isl_map_free(map);
2754         return 0;
2755 error:
2756         isl_map_free(map);
2757         return -1;
2758 }
2759
2760 /* Perform Floyd-Warshall on the given list of basic relations.
2761  * The basic relations may live in different dimensions,
2762  * but basic relations that get assigned to the diagonal of the
2763  * grid have domains and ranges of the same dimension and so
2764  * the standard algorithm can be used because the nested transitive
2765  * closures are only applied to diagonal elements and because all
2766  * compositions are peformed on relations with compatible domains and ranges.
2767  */
2768 static __isl_give isl_union_map *union_floyd_warshall_on_list(isl_ctx *ctx,
2769         __isl_keep isl_basic_map **list, int n, int *exact)
2770 {
2771         int i, j, k;
2772         int n_group;
2773         int *group = NULL;
2774         isl_set **set = NULL;
2775         isl_map ***grid = NULL;
2776         isl_union_map *app;
2777
2778         group = setup_groups(ctx, list, n, &set, &n_group);
2779         if (!group)
2780                 goto error;
2781
2782         grid = isl_calloc_array(ctx, isl_map **, n_group);
2783         if (!grid)
2784                 goto error;
2785         for (i = 0; i < n_group; ++i) {
2786                 grid[i] = isl_calloc_array(map->ctx, isl_map *, n_group);
2787                 if (!grid[i])
2788                         goto error;
2789                 for (j = 0; j < n_group; ++j) {
2790                         isl_dim *dim1, *dim2, *dim;
2791                         dim1 = isl_dim_reverse(isl_set_get_dim(set[i]));
2792                         dim2 = isl_set_get_dim(set[j]);
2793                         dim = isl_dim_join(dim1, dim2);
2794                         grid[i][j] = isl_map_empty(dim);
2795                 }
2796         }
2797
2798         for (k = 0; k < n; ++k) {
2799                 i = group[2 * k];
2800                 j = group[2 * k + 1];
2801                 grid[i][j] = isl_map_union(grid[i][j],
2802                                 isl_map_from_basic_map(
2803                                         isl_basic_map_copy(list[k])));
2804         }
2805         
2806         floyd_warshall_iterate(grid, n_group, exact);
2807
2808         app = isl_union_map_empty(isl_map_get_dim(grid[0][0]));
2809
2810         for (i = 0; i < n_group; ++i) {
2811                 for (j = 0; j < n_group; ++j)
2812                         app = isl_union_map_add_map(app, grid[i][j]);
2813                 free(grid[i]);
2814         }
2815         free(grid);
2816
2817         for (i = 0; i < 2 * n; ++i)
2818                 isl_set_free(set[i]);
2819         free(set);
2820
2821         free(group);
2822         return app;
2823 error:
2824         if (grid)
2825                 for (i = 0; i < n_group; ++i) {
2826                         if (!grid[i])
2827                                 continue;
2828                         for (j = 0; j < n_group; ++j)
2829                                 isl_map_free(grid[i][j]);
2830                         free(grid[i]);
2831                 }
2832         free(grid);
2833         if (set) {
2834                 for (i = 0; i < 2 * n; ++i)
2835                         isl_set_free(set[i]);
2836                 free(set);
2837         }
2838         free(group);
2839         return NULL;
2840 }
2841
2842 /* Perform Floyd-Warshall on the given union relation.
2843  * The implementation is very similar to that for non-unions.
2844  * The main difference is that it is applied unconditionally.
2845  * We first extract a list of basic maps from the union map
2846  * and then perform the algorithm on this list.
2847  */
2848 static __isl_give isl_union_map *union_floyd_warshall(
2849         __isl_take isl_union_map *umap, int *exact)
2850 {
2851         int i, n;
2852         isl_ctx *ctx;
2853         isl_basic_map **list;
2854         isl_basic_map **next;
2855         isl_union_map *res;
2856
2857         n = 0;
2858         if (isl_union_map_foreach_map(umap, inc_count, &n) < 0)
2859                 goto error;
2860
2861         ctx = isl_union_map_get_ctx(umap);
2862         list = isl_calloc_array(ctx, isl_basic_map *, n);
2863         if (!list)
2864                 goto error;
2865
2866         next = list;
2867         if (isl_union_map_foreach_map(umap, collect_basic_map, &next) < 0)
2868                 goto error;
2869
2870         res = union_floyd_warshall_on_list(ctx, list, n, exact);
2871
2872         if (list) {
2873                 for (i = 0; i < n; ++i)
2874                         isl_basic_map_free(list[i]);
2875                 free(list);
2876         }
2877
2878         isl_union_map_free(umap);
2879         return res;
2880 error:
2881         if (list) {
2882                 for (i = 0; i < n; ++i)
2883                         isl_basic_map_free(list[i]);
2884                 free(list);
2885         }
2886         isl_union_map_free(umap);
2887         return NULL;
2888 }
2889
2890 /* Decompose the give union relation into strongly connected components.
2891  * The implementation is essentially the same as that of
2892  * construct_power_components with the major difference that all
2893  * operations are performed on union maps.
2894  */
2895 static __isl_give isl_union_map *union_components(
2896         __isl_take isl_union_map *umap, int *exact)
2897 {
2898         int i;
2899         int n;
2900         isl_ctx *ctx;
2901         isl_basic_map **list;
2902         isl_basic_map **next;
2903         isl_union_map *path = NULL;
2904         struct basic_map_sort *s = NULL;
2905         int c, l;
2906         int recheck = 0;
2907
2908         n = 0;
2909         if (isl_union_map_foreach_map(umap, inc_count, &n) < 0)
2910                 goto error;
2911
2912         if (n <= 1)
2913                 return union_floyd_warshall(umap, exact);
2914
2915         ctx = isl_union_map_get_ctx(umap);
2916         list = isl_calloc_array(ctx, isl_basic_map *, n);
2917         if (!list)
2918                 goto error;
2919
2920         next = list;
2921         if (isl_union_map_foreach_map(umap, collect_basic_map, &next) < 0)
2922                 goto error;
2923
2924         s = basic_map_sort_init(ctx, n, list);
2925         if (!s)
2926                 goto error;
2927
2928         c = 0;
2929         i = 0;
2930         l = n;
2931         path = isl_union_map_empty(isl_union_map_get_dim(umap));
2932         while (l) {
2933                 isl_union_map *comp;
2934                 isl_union_map *path_comp, *path_comb;
2935                 comp = isl_union_map_empty(isl_union_map_get_dim(umap));
2936                 while (s->order[i] != -1) {
2937                         comp = isl_union_map_add_map(comp,
2938                                     isl_map_from_basic_map(
2939                                         isl_basic_map_copy(list[s->order[i]])));
2940                         --l;
2941                         ++i;
2942                 }
2943                 path_comp = union_floyd_warshall(comp, exact);
2944                 path_comb = isl_union_map_apply_range(isl_union_map_copy(path),
2945                                                 isl_union_map_copy(path_comp));
2946                 path = isl_union_map_union(path, path_comp);
2947                 path = isl_union_map_union(path, path_comb);
2948                 ++i;
2949                 ++c;
2950         }
2951
2952         if (c > 1 && s->check_closed && !*exact) {
2953                 int closed;
2954
2955                 closed = isl_union_map_is_transitively_closed(path);
2956                 if (closed < 0)
2957                         goto error;
2958                 recheck = !closed;
2959         }
2960
2961         basic_map_sort_free(s);
2962
2963         for (i = 0; i < n; ++i)
2964                 isl_basic_map_free(list[i]);
2965         free(list);
2966
2967         if (recheck) {
2968                 isl_union_map_free(path);
2969                 return union_floyd_warshall(umap, exact);
2970         }
2971
2972         isl_union_map_free(umap);
2973
2974         return path;
2975 error:
2976         basic_map_sort_free(s);
2977         if (list) {
2978                 for (i = 0; i < n; ++i)
2979                         isl_basic_map_free(list[i]);
2980                 free(list);
2981         }
2982         isl_union_map_free(umap);
2983         isl_union_map_free(path);
2984         return NULL;
2985 }
2986
2987 /* Compute the transitive closure  of "umap", or an overapproximation.
2988  * If the result is exact, then *exact is set to 1.
2989  */
2990 __isl_give isl_union_map *isl_union_map_transitive_closure(
2991         __isl_take isl_union_map *umap, int *exact)
2992 {
2993         int closed;
2994
2995         if (!umap)
2996                 return NULL;
2997
2998         if (exact)
2999                 *exact = 1;
3000
3001         umap = isl_union_map_compute_divs(umap);
3002         umap = isl_union_map_coalesce(umap);
3003         closed = isl_union_map_is_transitively_closed(umap);
3004         if (closed < 0)
3005                 goto error;
3006         if (closed)
3007                 return umap;
3008         umap = union_components(umap, exact);
3009         return umap;
3010 error:
3011         isl_union_map_free(umap);
3012         return NULL;
3013 }