add isl_tab_basic_set_non_trivial_lexmin
[platform/upstream/isl.git] / isl_tab_pip.c
index 1f2ab1b..0e49e21 100644 (file)
@@ -10,6 +10,7 @@
  * ZAC des vignes, 4 rue Jacques Monod, 91893 Orsay, France 
  */
 
+#include <isl_ctx_private.h>
 #include "isl_map_private.h"
 #include <isl/seq.h>
 #include "isl_tab.h"
@@ -25,7 +26,7 @@
  * The strategy used for obtaining a feasible solution is different
  * from the one used in isl_tab.c.  In particular, in isl_tab.c,
  * upon finding a constraint that is not yet satisfied, we pivot
- * in a row that increases the constant term of row holding the
+ * in a row that increases the constant term of the row holding the
  * constraint, making sure the sample solution remains feasible
  * for all the constraints it already satisfied.
  * Here, we always pivot in the row holding the constraint,
@@ -1112,37 +1113,116 @@ static int first_neg(struct isl_tab *tab)
        return -1;
 }
 
+/* Check whether the invariant that all columns are lexico-positive
+ * is satisfied.  This function is not called from the current code
+ * but is useful during debugging.
+ */
+static void check_lexpos(struct isl_tab *tab)
+{
+       unsigned off = 2 + tab->M;
+       int col;
+       int var;
+       int row;
+
+       for (col = tab->n_dead; col < tab->n_col; ++col) {
+               if (tab->col_var[col] >= 0 &&
+                   (tab->col_var[col] < tab->n_param ||
+                    tab->col_var[col] >= tab->n_var - tab->n_div))
+                       continue;
+               for (var = tab->n_param; var < tab->n_var - tab->n_div; ++var) {
+                       if (!tab->var[var].is_row) {
+                               if (tab->var[var].index == col)
+                                       break;
+                               else
+                                       continue;
+                       }
+                       row = tab->var[var].index;
+                       if (isl_int_is_zero(tab->mat->row[row][off + col]))
+                               continue;
+                       if (isl_int_is_pos(tab->mat->row[row][off + col]))
+                               break;
+                       fprintf(stderr, "lexneg column %d (row %d)\n",
+                               col, row);
+               }
+               if (var >= tab->n_var - tab->n_div)
+                       fprintf(stderr, "zero column %d\n", col);
+       }
+}
+
+/* Report to the caller that the given constraint is part of an encountered
+ * conflict.
+ */
+static int report_conflicting_constraint(struct isl_tab *tab, int con)
+{
+       return tab->conflict(con, tab->conflict_user);
+}
+
+/* Given a conflicting row in the tableau, report all constraints
+ * involved in the row to the caller.  That is, the row itself
+ * (if represents a constraint) and all constraint columns with
+ * non-zero (and therefore negative) coefficient.
+ */
+static int report_conflict(struct isl_tab *tab, int row)
+{
+       int j;
+       isl_int *tr;
+
+       if (!tab->conflict)
+               return 0;
+
+       if (tab->row_var[row] < 0 &&
+           report_conflicting_constraint(tab, ~tab->row_var[row]) < 0)
+               return -1;
+
+       tr = tab->mat->row[row] + 2 + tab->M;
+
+       for (j = tab->n_dead; j < tab->n_col; ++j) {
+               if (tab->col_var[j] >= 0 &&
+                   (tab->col_var[j] < tab->n_param  ||
+                   tab->col_var[j] >= tab->n_var - tab->n_div))
+                       continue;
+
+               if (!isl_int_is_neg(tr[j]))
+                       continue;
+
+               if (tab->col_var[j] < 0 &&
+                   report_conflicting_constraint(tab, ~tab->col_var[j]) < 0)
+                       return -1;
+       }
+
+       return 0;
+}
+
 /* Resolve all known or obviously violated constraints through pivoting.
  * In particular, as long as we can find any violated constraint, we
  * look for a pivoting column that would result in the lexicographically
  * smallest increment in the sample point.  If there is no such column
  * then the tableau is infeasible.
  */
-static struct isl_tab *restore_lexmin(struct isl_tab *tab) WARN_UNUSED;
-static struct isl_tab *restore_lexmin(struct isl_tab *tab)
+static int restore_lexmin(struct isl_tab *tab) WARN_UNUSED;
+static int restore_lexmin(struct isl_tab *tab)
 {
        int row, col;
 
        if (!tab)
-               return NULL;
+               return -1;
        if (tab->empty)
-               return tab;
+               return 0;
        while ((row = first_neg(tab)) != -1) {
                col = lexmin_pivot_col(tab, row);
                if (col >= tab->n_col) {
+                       if (report_conflict(tab, row) < 0)
+                               return -1;
                        if (isl_tab_mark_empty(tab) < 0)
-                               goto error;
-                       return tab;
+                               return -1;
+                       return 0;
                }
                if (col < 0)
-                       goto error;
+                       return -1;
                if (isl_tab_pivot(tab, row, col) < 0)
-                       goto error;
+                       return -1;
        }
-       return tab;
-error:
-       isl_tab_free(tab);
-       return NULL;
+       return 0;
 }
 
 /* Given a row that represents an equality, look for an appropriate
@@ -1253,90 +1333,77 @@ static int is_constant(struct isl_tab *tab, int row)
  * In the end we try to use one of the two constraints to eliminate
  * a column.
  */
-static struct isl_tab *add_lexmin_eq(struct isl_tab *tab, isl_int *eq) WARN_UNUSED;
-static struct isl_tab *add_lexmin_eq(struct isl_tab *tab, isl_int *eq)
+static int add_lexmin_eq(struct isl_tab *tab, isl_int *eq) WARN_UNUSED;
+static int add_lexmin_eq(struct isl_tab *tab, isl_int *eq)
 {
        int r1, r2;
        int row;
        struct isl_tab_undo *snap;
 
        if (!tab)
-               return NULL;
+               return -1;
        snap = isl_tab_snap(tab);
        r1 = isl_tab_add_row(tab, eq);
        if (r1 < 0)
-               goto error;
+               return -1;
        tab->con[r1].is_nonneg = 1;
        if (isl_tab_push_var(tab, isl_tab_undo_nonneg, &tab->con[r1]) < 0)
-               goto error;
+               return -1;
 
        row = tab->con[r1].index;
        if (is_constant(tab, row)) {
                if (!isl_int_is_zero(tab->mat->row[row][1]) ||
                    (tab->M && !isl_int_is_zero(tab->mat->row[row][2]))) {
                        if (isl_tab_mark_empty(tab) < 0)
-                               goto error;
-                       return tab;
+                               return -1;
+                       return 0;
                }
                if (isl_tab_rollback(tab, snap) < 0)
-                       goto error;
-               return tab;
+                       return -1;
+               return 0;
        }
 
-       tab = restore_lexmin(tab);
-       if (!tab || tab->empty)
-               return tab;
+       if (restore_lexmin(tab) < 0)
+               return -1;
+       if (tab->empty)
+               return 0;
 
        isl_seq_neg(eq, eq, 1 + tab->n_var);
 
        r2 = isl_tab_add_row(tab, eq);
        if (r2 < 0)
-               goto error;
+               return -1;
        tab->con[r2].is_nonneg = 1;
        if (isl_tab_push_var(tab, isl_tab_undo_nonneg, &tab->con[r2]) < 0)
-               goto error;
+               return -1;
 
-       tab = restore_lexmin(tab);
-       if (!tab || tab->empty)
-               return tab;
+       if (restore_lexmin(tab) < 0)
+               return -1;
+       if (tab->empty)
+               return 0;
 
        if (!tab->con[r1].is_row) {
                if (isl_tab_kill_col(tab, tab->con[r1].index) < 0)
-                       goto error;
+                       return -1;
        } else if (!tab->con[r2].is_row) {
                if (isl_tab_kill_col(tab, tab->con[r2].index) < 0)
-                       goto error;
-       } else if (isl_int_is_zero(tab->mat->row[tab->con[r1].index][1])) {
-               unsigned off = 2 + tab->M;
-               int i;
-               int row = tab->con[r1].index;
-               i = isl_seq_first_non_zero(tab->mat->row[row]+off+tab->n_dead,
-                                               tab->n_col - tab->n_dead);
-               if (i != -1) {
-                       if (isl_tab_pivot(tab, row, tab->n_dead + i) < 0)
-                               goto error;
-                       if (isl_tab_kill_col(tab, tab->n_dead + i) < 0)
-                               goto error;
-               }
+                       return -1;
        }
 
        if (tab->bmap) {
                tab->bmap = isl_basic_map_add_ineq(tab->bmap, eq);
                if (isl_tab_push(tab, isl_tab_undo_bmap_ineq) < 0)
-                       goto error;
+                       return -1;
                isl_seq_neg(eq, eq, 1 + tab->n_var);
                tab->bmap = isl_basic_map_add_ineq(tab->bmap, eq);
                isl_seq_neg(eq, eq, 1 + tab->n_var);
                if (isl_tab_push(tab, isl_tab_undo_bmap_ineq) < 0)
-                       goto error;
+                       return -1;
                if (!tab->bmap)
-                       goto error;
+                       return -1;
        }
 
-       return tab;
-error:
-       isl_tab_free(tab);
-       return NULL;
+       return 0;
 }
 
 /* Add an inequality to the tableau, resolving violations using
@@ -1367,8 +1434,9 @@ static struct isl_tab *add_lexmin_ineq(struct isl_tab *tab, isl_int *ineq)
                return tab;
        }
 
-       tab = restore_lexmin(tab);
-       if (tab && !tab->empty && tab->con[r].is_row &&
+       if (restore_lexmin(tab) < 0)
+               goto error;
+       if (!tab->empty && tab->con[r].is_row &&
                 isl_tab_row_is_redundant(tab, tab->con[r].index))
                if (isl_tab_mark_redundant(tab, tab->con[r].index) < 0)
                        goto error;
@@ -1579,8 +1647,9 @@ static struct isl_tab *cut_to_integer_lexmin(struct isl_tab *tab)
                        if (row < 0)
                                goto error;
                } while ((var = next_non_integer_var(tab, var, &flags)) != -1);
-               tab = restore_lexmin(tab);
-               if (!tab || tab->empty)
+               if (restore_lexmin(tab) < 0)
+                       goto error;
+               if (tab->empty)
                        break;
        }
        return tab;
@@ -1992,8 +2061,8 @@ static struct isl_tab *tab_for_lexmin(struct isl_basic_map *bmap,
                if (!tab || tab->empty)
                        return tab;
        }
-       if (bmap->n_eq)
-               tab = restore_lexmin(tab);
+       if (bmap->n_eq && restore_lexmin(tab) < 0)
+               goto error;
        for (i = 0; i < bmap->n_ineq; ++i) {
                if (max)
                        isl_seq_neg(bmap->ineq[i] + 1 + tab->n_param,
@@ -2130,7 +2199,8 @@ static void context_lex_add_eq(struct isl_context *context, isl_int *eq,
        struct isl_context_lex *clex = (struct isl_context_lex *)context;
        if (isl_tab_extend_cons(clex->tab, 2) < 0)
                goto error;
-       clex->tab = add_lexmin_eq(clex->tab, eq);
+       if (add_lexmin_eq(clex->tab, eq) < 0)
+               goto error;
        if (check) {
                int v = tab_has_valid_sample(clex->tab, eq, 1);
                if (v < 0)
@@ -2489,7 +2559,8 @@ static struct isl_context *isl_context_lex_alloc(struct isl_basic_set *dom)
        clex->context.op = &isl_context_lex_op;
 
        clex->tab = context_tab_for_lexmin(isl_basic_set_copy(dom));
-       clex->tab = restore_lexmin(clex->tab);
+       if (restore_lexmin(clex->tab) < 0)
+               goto error;
        clex->tab = check_integer_feasible(clex->tab);
        if (!clex->tab)
                goto error;
@@ -2969,7 +3040,8 @@ static void propagate_equalities(struct isl_context_gbr *cgbr,
                if (isl_tab_kill_col(tab, j) < 0)
                        goto error;
 
-               tab = restore_lexmin(tab);
+               if (restore_lexmin(tab) < 0)
+                       goto error;
        }
 
        isl_vec_free(eq);
@@ -3615,6 +3687,7 @@ error:
 static void find_solutions(struct isl_sol *sol, struct isl_tab *tab)
 {
        struct isl_context *context;
+       int r;
 
        if (!tab || sol->error)
                goto error;
@@ -3626,7 +3699,7 @@ static void find_solutions(struct isl_sol *sol, struct isl_tab *tab)
        if (context->op->is_empty(context))
                goto done;
 
-       for (; tab && !tab->empty; tab = restore_lexmin(tab)) {
+       for (r = 0; r >= 0 && tab && !tab->empty; r = restore_lexmin(tab)) {
                int flags;
                int row;
                enum isl_tab_row_sign sgn;
@@ -3720,6 +3793,8 @@ static void find_solutions(struct isl_sol *sol, struct isl_tab *tab)
                if (row < 0)
                        goto error;
        }
+       if (r < 0)
+               goto error;
 done:
        sol_add(sol, tab);
        isl_tab_free(tab);
@@ -4431,6 +4506,9 @@ struct isl_map *isl_tab_basic_map_partial_lexopt(
        isl_assert(bmap->ctx,
            isl_basic_map_compatible_domain(bmap, dom), goto error);
 
+       if (isl_basic_set_dim(dom, isl_dim_all) == 0)
+               return basic_map_partial_lexopt(bmap, dom, empty, max);
+
        bmap = isl_basic_map_intersect_domain(bmap, isl_basic_set_copy(dom));
        bmap = isl_basic_map_detect_equalities(bmap);
        bmap = isl_basic_map_remove_redundancies(bmap);
@@ -4598,3 +4676,282 @@ int isl_basic_map_foreach_lexmax(__isl_keep isl_basic_map *bmap,
 {
        return isl_basic_map_foreach_lexopt(bmap, 1, fn, user);
 }
+
+/* Check if the given sequence of len variables starting at pos
+ * represents a trivial (i.e., zero) solution.
+ * The variables are assumed to be non-negative and to come in pairs,
+ * with each pair representing a variable of unrestricted sign.
+ * The solution is trivial if each such pair in the sequence consists
+ * of two identical values, meaning that the variable being represented
+ * has value zero.
+ */
+static int region_is_trivial(struct isl_tab *tab, int pos, int len)
+{
+       int i;
+
+       if (len == 0)
+               return 0;
+
+       for (i = 0; i < len; i +=  2) {
+               int neg_row;
+               int pos_row;
+
+               neg_row = tab->var[pos + i].is_row ?
+                               tab->var[pos + i].index : -1;
+               pos_row = tab->var[pos + i + 1].is_row ?
+                               tab->var[pos + i + 1].index : -1;
+
+               if ((neg_row < 0 ||
+                    isl_int_is_zero(tab->mat->row[neg_row][1])) &&
+                   (pos_row < 0 ||
+                    isl_int_is_zero(tab->mat->row[pos_row][1])))
+                       continue;
+
+               if (neg_row < 0 || pos_row < 0)
+                       return 0;
+               if (isl_int_ne(tab->mat->row[neg_row][1],
+                              tab->mat->row[pos_row][1]))
+                       return 0;
+       }
+
+       return 1;
+}
+
+/* Return the index of the first trivial region or -1 if all regions
+ * are non-trivial.
+ */
+static int first_trivial_region(struct isl_tab *tab,
+       int n_region, struct isl_region *region)
+{
+       int i;
+
+       for (i = 0; i < n_region; ++i) {
+               if (region_is_trivial(tab, region[i].pos, region[i].len))
+                       return i;
+       }
+
+       return -1;
+}
+
+/* Check if the solution is optimal, i.e., whether the first
+ * n_op entries are zero.
+ */
+static int is_optimal(__isl_keep isl_vec *sol, int n_op)
+{
+       int i;
+
+       for (i = 0; i < n_op; ++i)
+               if (!isl_int_is_zero(sol->el[1 + i]))
+                       return 0;
+       return 1;
+}
+
+/* Add constraints to "tab" that ensure that any solution is significantly
+ * better that that represented by "sol".  That is, find the first
+ * relevant (within first n_op) non-zero coefficient and force it (along
+ * with all previous coefficients) to be zero.
+ * If the solution is already optimal (all relevant coefficients are zero),
+ * then just mark the table as empty.
+ */
+static int force_better_solution(struct isl_tab *tab,
+       __isl_keep isl_vec *sol, int n_op)
+{
+       int i;
+       isl_ctx *ctx;
+       isl_vec *v = NULL;
+
+       if (!sol)
+               return -1;
+
+       for (i = 0; i < n_op; ++i)
+               if (!isl_int_is_zero(sol->el[1 + i]))
+                       break;
+
+       if (i == n_op) {
+               if (isl_tab_mark_empty(tab) < 0)
+                       return -1;
+               return 0;
+       }
+
+       ctx = isl_vec_get_ctx(sol);
+       v = isl_vec_alloc(ctx, 1 + tab->n_var);
+       if (!v)
+               return -1;
+
+       for (; i >= 0; --i) {
+               v = isl_vec_clr(v);
+               isl_int_set_si(v->el[1 + i], -1);
+               if (add_lexmin_eq(tab, v->el) < 0)
+                       goto error;
+       }
+
+       isl_vec_free(v);
+       return 0;
+error:
+       isl_vec_free(v);
+       return -1;
+}
+
+struct isl_trivial {
+       int update;
+       int region;
+       int side;
+       struct isl_tab_undo *snap;
+};
+
+/* Return the lexicographically smallest non-trivial solution of the
+ * given ILP problem.
+ *
+ * All variables are assumed to be non-negative.
+ *
+ * n_op is the number of initial coordinates to optimize.
+ * That is, once a solution has been found, we will only continue looking
+ * for solution that result in significantly better values for those
+ * initial coordinates.  That is, we only continue looking for solutions
+ * that increase the number of initial zeros in this sequence.
+ *
+ * A solution is non-trivial, if it is non-trivial on each of the
+ * specified regions.  Each region represents a sequence of pairs
+ * of variables.  A solution is non-trivial on such a region if
+ * at least one of these pairs consists of different values, i.e.,
+ * such that the non-negative variable represented by the pair is non-zero.
+ *
+ * Whenever a conflict is encountered, all constraints involved are
+ * reported to the caller through a call to "conflict".
+ *
+ * We perform a simple branch-and-bound backtracking search.
+ * Each level in the search represents initially trivial region that is forced
+ * to be non-trivial.
+ * At each level we consider n cases, where n is the length of the region.
+ * In terms of the n/2 variables of unrestricted signs being encoded by
+ * the region, we consider the cases
+ *     x_0 >= 1
+ *     x_0 <= -1
+ *     x_0 = 0 and x_1 >= 1
+ *     x_0 = 0 and x_1 <= -1
+ *     x_0 = 0 and x_1 = 0 and x_2 >= 1
+ *     x_0 = 0 and x_1 = 0 and x_2 <= -1
+ *     ...
+ * The cases are considered in this order, assuming that each pair
+ * x_i_a x_i_b represents the value x_i_b - x_i_a.
+ * That is, x_0 >= 1 is enforced by adding the constraint
+ *     x_0_b - x_0_a >= 1
+ */
+__isl_give isl_vec *isl_tab_basic_set_non_trivial_lexmin(
+       __isl_take isl_basic_set *bset, int n_op, int n_region,
+       struct isl_region *region,
+       int (*conflict)(int con, void *user), void *user)
+{
+       int i, j;
+       int need_update = 0;
+       int r;
+       isl_ctx *ctx = isl_basic_set_get_ctx(bset);
+       isl_vec *v = NULL;
+       isl_vec *sol = isl_vec_alloc(ctx, 0);
+       struct isl_tab *tab;
+       struct isl_trivial *triv = NULL;
+       int level, init;
+
+       tab = tab_for_lexmin(isl_basic_map_from_range(bset), NULL, 0, 0);
+       if (!tab)
+               goto error;
+       tab->conflict = conflict;
+       tab->conflict_user = user;
+
+       v = isl_vec_alloc(ctx, 1 + tab->n_var);
+       triv = isl_calloc_array(ctx, struct isl_trivial, n_region);
+       if (!v || !triv)
+               goto error;
+
+       level = 0;
+       init = 1;
+
+       while (level >= 0) {
+               int side, base;
+
+               if (init) {
+                       tab = cut_to_integer_lexmin(tab);
+                       if (!tab)
+                               goto error;
+                       if (tab->empty)
+                               goto backtrack;
+                       r = first_trivial_region(tab, n_region, region);
+                       if (r < 0) {
+                               for (i = 0; i < level; ++i)
+                                       triv[i].update = 1;
+                               isl_vec_free(sol);
+                               sol = isl_tab_get_sample_value(tab);
+                               if (!sol)
+                                       goto error;
+                               if (is_optimal(sol, n_op))
+                                       break;
+                               goto backtrack;
+                       }
+                       if (level >= n_region)
+                               isl_die(ctx, isl_error_internal,
+                                       "nesting level too deep", goto error);
+                       if (isl_tab_extend_cons(tab,
+                                           2 * region[r].len + 2 * n_op) < 0)
+                               goto error;
+                       triv[level].region = r;
+                       triv[level].side = 0;
+               }
+
+               r = triv[level].region;
+               side = triv[level].side;
+               base = 2 * (side/2);
+
+               if (side >= region[r].len) {
+backtrack:
+                       level--;
+                       init = 0;
+                       if (level >= 0)
+                               if (isl_tab_rollback(tab, triv[level].snap) < 0)
+                                       goto error;
+                       continue;
+               }
+
+               if (triv[level].update) {
+                       if (force_better_solution(tab, sol, n_op) < 0)
+                               goto error;
+                       triv[level].update = 0;
+               }
+
+               if (side == base && base >= 2) {
+                       for (j = base - 2; j < base; ++j) {
+                               v = isl_vec_clr(v);
+                               isl_int_set_si(v->el[1 + region[r].pos + j], 1);
+                               if (add_lexmin_eq(tab, v->el) < 0)
+                                       goto error;
+                       }
+               }
+
+               triv[level].snap = isl_tab_snap(tab);
+               if (isl_tab_push_basis(tab) < 0)
+                       goto error;
+
+               v = isl_vec_clr(v);
+               isl_int_set_si(v->el[0], -1);
+               isl_int_set_si(v->el[1 + region[r].pos + side], -1);
+               isl_int_set_si(v->el[1 + region[r].pos + (side ^ 1)], 1);
+               tab = add_lexmin_ineq(tab, v->el);
+
+               triv[level].side++;
+               level++;
+               init = 1;
+       }
+
+       free(triv);
+       isl_vec_free(v);
+       isl_tab_free(tab);
+       isl_basic_set_free(bset);
+
+       return sol;
+error:
+       free(triv);
+       isl_vec_free(v);
+       isl_tab_free(tab);
+       isl_basic_set_free(bset);
+       isl_vec_free(sol);
+       return NULL;
+}