isl_convex_hull.c

   1 /*
   2  * Copyright 2008-2009 Katholieke Universiteit Leuven
   3  *
   4  * Use of this software is governed by the GNU LGPLv2.1 license
   5  *
   6  * Written by Sven Verdoolaege, K.U.Leuven, Departement
   7  * Computerwetenschappen, Celestijnenlaan 200A, B-3001 Leuven, Belgium
   8  */
   9
  10 #include <isl/lp.h>
  11 #include <isl/map.h>
  12 #include "isl_map_private.h"
  13 #include <isl_mat_private.h>
  14 #include <isl/set.h>
  15 #include <isl/seq.h>
  16 #include "isl_equalities.h"
  17 #include "isl_tab.h"
  18
  19 static struct isl_basic_set *uset_convex_hull_wrap_bounded(struct isl_set *set);
  20
  21 static void swap_ineq(struct isl_basic_map *bmap, unsigned i, unsigned j)
  22 {
  23         isl_int *t;
  24
  25         if (i != j) {
  26                 t = bmap->ineq[i];
  27                 bmap->ineq[i] = bmap->ineq[j];
  28                 bmap->ineq[j] = t;
  29         }
  30 }
  31
  32 /* Return 1 if constraint c is redundant with respect to the constraints
  33  * in bmap.  If c is a lower [upper] bound in some variable and bmap
  34  * does not have a lower [upper] bound in that variable, then c cannot
  35  * be redundant and we do not need solve any lp.
  36  */
  37 int isl_basic_map_constraint_is_redundant(struct isl_basic_map **bmap,
  38         isl_int *c, isl_int *opt_n, isl_int *opt_d)
  39 {
  40         enum isl_lp_result res;
  41         unsigned total;
  42         int i, j;
  43
  44         if (!bmap)
  45                 return -1;
  46
  47         total = isl_basic_map_total_dim(*bmap);
  48         for (i = 0; i < total; ++i) {
  49                 int sign;
  50                 if (isl_int_is_zero(c[1+i]))
  51                         continue;
  52                 sign = isl_int_sgn(c[1+i]);
  53                 for (j = 0; j < (*bmap)->n_ineq; ++j)
  54                         if (sign == isl_int_sgn((*bmap)->ineq[j][1+i]))
  55                                 break;
  56                 if (j == (*bmap)->n_ineq)
  57                         break;
  58         }
  59         if (i < total)
  60                 return 0;
  61
  62         res = isl_basic_map_solve_lp(*bmap, 0, c, (*bmap)->ctx->one,
  63                                         opt_n, opt_d, NULL);
  64         if (res == isl_lp_unbounded)
  65                 return 0;
  66         if (res == isl_lp_error)
  67                 return -1;
  68         if (res == isl_lp_empty) {
  69                 *bmap = isl_basic_map_set_to_empty(*bmap);
  70                 return 0;
  71         }
  72         return !isl_int_is_neg(*opt_n);
  73 }
  74
  75 int isl_basic_set_constraint_is_redundant(struct isl_basic_set **bset,
  76         isl_int *c, isl_int *opt_n, isl_int *opt_d)
  77 {
  78         return isl_basic_map_constraint_is_redundant(
  79                         (struct isl_basic_map **)bset, c, opt_n, opt_d);
  80 }
  81
  82 /* Remove redundant
  83  * constraints.  If the minimal value along the normal of a constraint
  84  * is the same if the constraint is removed, then the constraint is redundant.
  85  *
  86  * Alternatively, we could have intersected the basic map with the
  87  * corresponding equality and the checked if the dimension was that
  88  * of a facet.
  89  */
  90 __isl_give isl_basic_map *isl_basic_map_remove_redundancies(
  91         __isl_take isl_basic_map *bmap)
  92 {
  93         struct isl_tab *tab;
  94
  95         if (!bmap)
  96                 return NULL;
  97
  98         bmap = isl_basic_map_gauss(bmap, NULL);
  99         if (ISL_F_ISSET(bmap, ISL_BASIC_MAP_EMPTY))
 100                 return bmap;
 101         if (ISL_F_ISSET(bmap, ISL_BASIC_MAP_NO_REDUNDANT))
 102                 return bmap;
 103         if (bmap->n_ineq <= 1)
 104                 return bmap;
 105
 106         tab = isl_tab_from_basic_map(bmap);
 107         if (isl_tab_detect_implicit_equalities(tab) < 0)
 108                 goto error;
 109         if (isl_tab_detect_redundant(tab) < 0)
 110                 goto error;
 111         bmap = isl_basic_map_update_from_tab(bmap, tab);
 112         isl_tab_free(tab);
 113         ISL_F_SET(bmap, ISL_BASIC_MAP_NO_IMPLICIT);
 114         ISL_F_SET(bmap, ISL_BASIC_MAP_NO_REDUNDANT);
 115         return bmap;
 116 error:
 117         isl_tab_free(tab);
 118         isl_basic_map_free(bmap);
 119         return NULL;
 120 }
 121
 122 __isl_give isl_basic_set *isl_basic_set_remove_redundancies(
 123         __isl_take isl_basic_set *bset)
 124 {
 125         return (struct isl_basic_set *)
 126                 isl_basic_map_remove_redundancies((struct isl_basic_map *)bset);
 127 }
 128
 129 /* Check if the set set is bound in the direction of the affine
 130  * constraint c and if so, set the constant term such that the
 131  * resulting constraint is a bounding constraint for the set.
 132  */
 133 static int uset_is_bound(struct isl_set *set, isl_int *c, unsigned len)
 134 {
 135         int first;
 136         int j;
 137         isl_int opt;
 138         isl_int opt_denom;
 139
 140         isl_int_init(opt);
 141         isl_int_init(opt_denom);
 142         first = 1;
 143         for (j = 0; j < set->n; ++j) {
 144                 enum isl_lp_result res;
 145
 146                 if (ISL_F_ISSET(set->p[j], ISL_BASIC_SET_EMPTY))
 147                         continue;
 148
 149                 res = isl_basic_set_solve_lp(set->p[j],
 150                                 0, c, set->ctx->one, &opt, &opt_denom, NULL);
 151                 if (res == isl_lp_unbounded)
 152                         break;
 153                 if (res == isl_lp_error)
 154                         goto error;
 155                 if (res == isl_lp_empty) {
 156                         set->p[j] = isl_basic_set_set_to_empty(set->p[j]);
 157                         if (!set->p[j])
 158                                 goto error;
 159                         continue;
 160                 }
 161                 if (first || isl_int_is_neg(opt)) {
 162                         if (!isl_int_is_one(opt_denom))
 163                                 isl_seq_scale(c, c, opt_denom, len);
 164                         isl_int_sub(c[0], c[0], opt);
 165                 }
 166                 first = 0;
 167         }
 168         isl_int_clear(opt);
 169         isl_int_clear(opt_denom);
 170         return j >= set->n;
 171 error:
 172         isl_int_clear(opt);
 173         isl_int_clear(opt_denom);
 174         return -1;
 175 }
 176
 177 struct isl_basic_set *isl_basic_set_set_rational(struct isl_basic_set *bset)
 178 {
 179         if (!bset)
 180                 return NULL;
 181
 182         if (ISL_F_ISSET(bset, ISL_BASIC_MAP_RATIONAL))
 183                 return bset;
 184
 185         bset = isl_basic_set_cow(bset);
 186         if (!bset)
 187                 return NULL;
 188
 189         ISL_F_SET(bset, ISL_BASIC_MAP_RATIONAL);
 190
 191         return isl_basic_set_finalize(bset);
 192 }
 193
 194 static struct isl_set *isl_set_set_rational(struct isl_set *set)
 195 {
 196         int i;
 197
 198         set = isl_set_cow(set);
 199         if (!set)
 200                 return NULL;
 201         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
 202                 set->p[i] = isl_basic_set_set_rational(set->p[i]);
 203                 if (!set->p[i])
 204                         goto error;
 205         }
 206         return set;
 207 error:
 208         isl_set_free(set);
 209         return NULL;
 210 }
 211
 212 static struct isl_basic_set *isl_basic_set_add_equality(
 213         struct isl_basic_set *bset, isl_int *c)
 214 {
 215         int i;
 216         unsigned dim;
 217
 218         if (!bset)
 219                 return NULL;
 220
 221         if (ISL_F_ISSET(bset, ISL_BASIC_SET_EMPTY))
 222                 return bset;
 223
 224         isl_assert(bset->ctx, isl_basic_set_n_param(bset) == 0, goto error);
 225         isl_assert(bset->ctx, bset->n_div == 0, goto error);
 226         dim = isl_basic_set_n_dim(bset);
 227         bset = isl_basic_set_cow(bset);
 228         bset = isl_basic_set_extend(bset, 0, dim, 0, 1, 0);
 229         i = isl_basic_set_alloc_equality(bset);
 230         if (i < 0)
 231                 goto error;
 232         isl_seq_cpy(bset->eq[i], c, 1 + dim);
 233         return bset;
 234 error:
 235         isl_basic_set_free(bset);
 236         return NULL;
 237 }
 238
 239 static struct isl_set *isl_set_add_basic_set_equality(struct isl_set *set, isl_int *c)
 240 {
 241         int i;
 242
 243         set = isl_set_cow(set);
 244         if (!set)
 245                 return NULL;
 246         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
 247                 set->p[i] = isl_basic_set_add_equality(set->p[i], c);
 248                 if (!set->p[i])
 249                         goto error;
 250         }
 251         return set;
 252 error:
 253         isl_set_free(set);
 254         return NULL;
 255 }
 256
 257 /* Given a union of basic sets, construct the constraints for wrapping
 258  * a facet around one of its ridges.
 259  * In particular, if each of n the d-dimensional basic sets i in "set"
 260  * contains the origin, satisfies the constraints x_1 >= 0 and x_2 >= 0
 261  * and is defined by the constraints
 262  *                                  [ 1 ]
 263  *                              A_i [ x ]  >= 0
 264  *
 265  * then the resulting set is of dimension n*(1+d) and has as constraints
 266  *
 267  *                                  [ a_i ]
 268  *                              A_i [ x_i ] >= 0
 269  *
 270  *                                    a_i   >= 0
 271  *
 272  *                      \sum_i x_{i,1} = 1
 273  */
 274 static struct isl_basic_set *wrap_constraints(struct isl_set *set)
 275 {
 276         struct isl_basic_set *lp;
 277         unsigned n_eq;
 278         unsigned n_ineq;
 279         int i, j, k;
 280         unsigned dim, lp_dim;
 281
 282         if (!set)
 283                 return NULL;
 284
 285         dim = 1 + isl_set_n_dim(set);
 286         n_eq = 1;
 287         n_ineq = set->n;
 288         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
 289                 n_eq += set->p[i]->n_eq;
 290                 n_ineq += set->p[i]->n_ineq;
 291         }
 292         lp = isl_basic_set_alloc(set->ctx, 0, dim * set->n, 0, n_eq, n_ineq);
 293         if (!lp)
 294                 return NULL;
 295         lp_dim = isl_basic_set_n_dim(lp);
 296         k = isl_basic_set_alloc_equality(lp);
 297         isl_int_set_si(lp->eq[k][0], -1);
 298         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
 299                 isl_int_set_si(lp->eq[k][1+dim*i], 0);
 300                 isl_int_set_si(lp->eq[k][1+dim*i+1], 1);
 301                 isl_seq_clr(lp->eq[k]+1+dim*i+2, dim-2);
 302         }
 303         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
 304                 k = isl_basic_set_alloc_inequality(lp);
 305                 isl_seq_clr(lp->ineq[k], 1+lp_dim);
 306                 isl_int_set_si(lp->ineq[k][1+dim*i], 1);
 307
 308                 for (j = 0; j < set->p[i]->n_eq; ++j) {
 309                         k = isl_basic_set_alloc_equality(lp);
 310                         isl_seq_clr(lp->eq[k], 1+dim*i);
 311                         isl_seq_cpy(lp->eq[k]+1+dim*i, set->p[i]->eq[j], dim);
 312                         isl_seq_clr(lp->eq[k]+1+dim*(i+1), dim*(set->n-i-1));
 313                 }
 314
 315                 for (j = 0; j < set->p[i]->n_ineq; ++j) {
 316                         k = isl_basic_set_alloc_inequality(lp);
 317                         isl_seq_clr(lp->ineq[k], 1+dim*i);
 318                         isl_seq_cpy(lp->ineq[k]+1+dim*i, set->p[i]->ineq[j], dim);
 319                         isl_seq_clr(lp->ineq[k]+1+dim*(i+1), dim*(set->n-i-1));
 320                 }
 321         }
 322         return lp;
 323 }
 324
 325 /* Given a facet "facet" of the convex hull of "set" and a facet "ridge"
 326  * of that facet, compute the other facet of the convex hull that contains
 327  * the ridge.
 328  *
 329  * We first transform the set such that the facet constraint becomes
 330  *
 331  *                      x_1 >= 0
 332  *
 333  * I.e., the facet lies in
 334  *
 335  *                      x_1 = 0
 336  *
 337  * and on that facet, the constraint that defines the ridge is
 338  *
 339  *                      x_2 >= 0
 340  *
 341  * (This transformation is not strictly needed, all that is needed is
 342  * that the ridge contains the origin.)
 343  *
 344  * Since the ridge contains the origin, the cone of the convex hull
 345  * will be of the form
 346  *
 347  *                      x_1 >= 0
 348  *                      x_2 >= a x_1
 349  *
 350  * with this second constraint defining the new facet.
 351  * The constant a is obtained by settting x_1 in the cone of the
 352  * convex hull to 1 and minimizing x_2.
 353  * Now, each element in the cone of the convex hull is the sum
 354  * of elements in the cones of the basic sets.
 355  * If a_i is the dilation factor of basic set i, then the problem
 356  * we need to solve is
 357  *
 358  *                      min \sum_i x_{i,2}
 359  *                      st
 360  *                              \sum_i x_{i,1} = 1
 361  *                                  a_i   >= 0
 362  *                                [ a_i ]
 363  *                              A [ x_i ] >= 0
 364  *
 365  * with
 366  *                                  [  1  ]
 367  *                              A_i [ x_i ] >= 0
 368  *
 369  * the constraints of each (transformed) basic set.
 370  * If a = n/d, then the constraint defining the new facet (in the transformed
 371  * space) is
 372  *
 373  *                      -n x_1 + d x_2 >= 0
 374  *
 375  * In the original space, we need to take the same combination of the
 376  * corresponding constraints "facet" and "ridge".
 377  *
 378  * If a = -infty = "-1/0", then we just return the original facet constraint.
 379  * This means that the facet is unbounded, but has a bounded intersection
 380  * with the union of sets.
 381  */
 382 isl_int *isl_set_wrap_facet(__isl_keep isl_set *set,
 383         isl_int *facet, isl_int *ridge)
 384 {
 385         int i;
 386         isl_ctx *ctx;
 387         struct isl_mat *T = NULL;
 388         struct isl_basic_set *lp = NULL;
 389         struct isl_vec *obj;
 390         enum isl_lp_result res;
 391         isl_int num, den;
 392         unsigned dim;
 393
 394         if (!set)
 395                 return NULL;
 396         ctx = set->ctx;
 397         set = isl_set_copy(set);
 398         set = isl_set_set_rational(set);
 399
 400         dim = 1 + isl_set_n_dim(set);
 401         T = isl_mat_alloc(ctx, 3, dim);
 402         if (!T)
 403                 goto error;
 404         isl_int_set_si(T->row[0][0], 1);
 405         isl_seq_clr(T->row[0]+1, dim - 1);
 406         isl_seq_cpy(T->row[1], facet, dim);
 407         isl_seq_cpy(T->row[2], ridge, dim);
 408         T = isl_mat_right_inverse(T);
 409         set = isl_set_preimage(set, T);
 410         T = NULL;
 411         if (!set)
 412                 goto error;
 413         lp = wrap_constraints(set);
 414         obj = isl_vec_alloc(ctx, 1 + dim*set->n);
 415         if (!obj)
 416                 goto error;
 417         isl_int_set_si(obj->block.data[0], 0);
 418         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
 419                 isl_seq_clr(obj->block.data + 1 + dim*i, 2);
 420                 isl_int_set_si(obj->block.data[1 + dim*i+2], 1);
 421                 isl_seq_clr(obj->block.data + 1 + dim*i+3, dim-3);
 422         }
 423         isl_int_init(num);
 424         isl_int_init(den);
 425         res = isl_basic_set_solve_lp(lp, 0,
 426                             obj->block.data, ctx->one, &num, &den, NULL);
 427         if (res == isl_lp_ok) {
 428                 isl_int_neg(num, num);
 429                 isl_seq_combine(facet, num, facet, den, ridge, dim);
 430                 isl_seq_normalize(ctx, facet, dim);
 431         }
 432         isl_int_clear(num);
 433         isl_int_clear(den);
 434         isl_vec_free(obj);
 435         isl_basic_set_free(lp);
 436         isl_set_free(set);
 437         if (res == isl_lp_error)
 438                 return NULL;
 439         isl_assert(ctx, res == isl_lp_ok || res == isl_lp_unbounded,
 440                    return NULL);
 441         return facet;
 442 error:
 443         isl_basic_set_free(lp);
 444         isl_mat_free(T);
 445         isl_set_free(set);
 446         return NULL;
 447 }
 448
 449 /* Compute the constraint of a facet of "set".
 450  *
 451  * We first compute the intersection with a bounding constraint
 452  * that is orthogonal to one of the coordinate axes.
 453  * If the affine hull of this intersection has only one equality,
 454  * we have found a facet.
 455  * Otherwise, we wrap the current bounding constraint around
 456  * one of the equalities of the face (one that is not equal to
 457  * the current bounding constraint).
 458  * This process continues until we have found a facet.
 459  * The dimension of the intersection increases by at least
 460  * one on each iteration, so termination is guaranteed.
 461  */
 462 static __isl_give isl_mat *initial_facet_constraint(__isl_keep isl_set *set)
 463 {
 464         struct isl_set *slice = NULL;
 465         struct isl_basic_set *face = NULL;
 466         int i;
 467         unsigned dim = isl_set_n_dim(set);
 468         int is_bound;
 469         isl_mat *bounds;
 470
 471         isl_assert(set->ctx, set->n > 0, goto error);
 472         bounds = isl_mat_alloc(set->ctx, 1, 1 + dim);
 473         if (!bounds)
 474                 return NULL;
 475
 476         isl_seq_clr(bounds->row[0], dim);
 477         isl_int_set_si(bounds->row[0][1 + dim - 1], 1);
 478         is_bound = uset_is_bound(set, bounds->row[0], 1 + dim);
 479         if (is_bound < 0)
 480                 goto error;
 481         isl_assert(set->ctx, is_bound, goto error);
 482         isl_seq_normalize(set->ctx, bounds->row[0], 1 + dim);
 483         bounds->n_row = 1;
 484
 485         for (;;) {
 486                 slice = isl_set_copy(set);
 487                 slice = isl_set_add_basic_set_equality(slice, bounds->row[0]);
 488                 face = isl_set_affine_hull(slice);
 489                 if (!face)
 490                         goto error;
 491                 if (face->n_eq == 1) {
 492                         isl_basic_set_free(face);
 493                         break;
 494                 }
 495                 for (i = 0; i < face->n_eq; ++i)
 496                         if (!isl_seq_eq(bounds->row[0], face->eq[i], 1 + dim) &&
 497                             !isl_seq_is_neg(bounds->row[0],
 498                                                 face->eq[i], 1 + dim))
 499                                 break;
 500                 isl_assert(set->ctx, i < face->n_eq, goto error);
 501                 if (!isl_set_wrap_facet(set, bounds->row[0], face->eq[i]))
 502                         goto error;
 503                 isl_seq_normalize(set->ctx, bounds->row[0], bounds->n_col);
 504                 isl_basic_set_free(face);
 505         }
 506
 507         return bounds;
 508 error:
 509         isl_basic_set_free(face);
 510         isl_mat_free(bounds);
 511         return NULL;
 512 }
 513
 514 /* Given the bounding constraint "c" of a facet of the convex hull of "set",
 515  * compute a hyperplane description of the facet, i.e., compute the facets
 516  * of the facet.
 517  *
 518  * We compute an affine transformation that transforms the constraint
 519  *
 520  *                        [ 1 ]
 521  *                      c [ x ] = 0
 522  *
 523  * to the constraint
 524  *
 525  *                         z_1  = 0
 526  *
 527  * by computing the right inverse U of a matrix that starts with the rows
 528  *
 529  *                      [ 1 0 ]
 530  *                      [  c  ]
 531  *
 532  * Then
 533  *                      [ 1 ]     [ 1 ]
 534  *                      [ x ] = U [ z ]
 535  * and
 536  *                      [ 1 ]     [ 1 ]
 537  *                      [ z ] = Q [ x ]
 538  *
 539  * with Q = U^{-1}
 540  * Since z_1 is zero, we can drop this variable as well as the corresponding
 541  * column of U to obtain
 542  *
 543  *                      [ 1 ]      [ 1  ]
 544  *                      [ x ] = U' [ z' ]
 545  * and
 546  *                      [ 1  ]      [ 1 ]
 547  *                      [ z' ] = Q' [ x ]
 548  *
 549  * with Q' equal to Q, but without the corresponding row.
 550  * After computing the facets of the facet in the z' space,
 551  * we convert them back to the x space through Q.
 552  */
 553 static struct isl_basic_set *compute_facet(struct isl_set *set, isl_int *c)
 554 {
 555         struct isl_mat *m, *U, *Q;
 556         struct isl_basic_set *facet = NULL;
 557         struct isl_ctx *ctx;
 558         unsigned dim;
 559
 560         ctx = set->ctx;
 561         set = isl_set_copy(set);
 562         dim = isl_set_n_dim(set);
 563         m = isl_mat_alloc(set->ctx, 2, 1 + dim);
 564         if (!m)
 565                 goto error;
 566         isl_int_set_si(m->row[0][0], 1);
 567         isl_seq_clr(m->row[0]+1, dim);
 568         isl_seq_cpy(m->row[1], c, 1+dim);
 569         U = isl_mat_right_inverse(m);
 570         Q = isl_mat_right_inverse(isl_mat_copy(U));
 571         U = isl_mat_drop_cols(U, 1, 1);
 572         Q = isl_mat_drop_rows(Q, 1, 1);
 573         set = isl_set_preimage(set, U);
 574         facet = uset_convex_hull_wrap_bounded(set);
 575         facet = isl_basic_set_preimage(facet, Q);
 576         if (facet)
 577                 isl_assert(ctx, facet->n_eq == 0, goto error);
 578         return facet;
 579 error:
 580         isl_basic_set_free(facet);
 581         isl_set_free(set);
 582         return NULL;
 583 }
 584
 585 /* Given an initial facet constraint, compute the remaining facets.
 586  * We do this by running through all facets found so far and computing
 587  * the adjacent facets through wrapping, adding those facets that we
 588  * hadn't already found before.
 589  *
 590  * For each facet we have found so far, we first compute its facets
 591  * in the resulting convex hull.  That is, we compute the ridges
 592  * of the resulting convex hull contained in the facet.
 593  * We also compute the corresponding facet in the current approximation
 594  * of the convex hull.  There is no need to wrap around the ridges
 595  * in this facet since that would result in a facet that is already
 596  * present in the current approximation.
 597  *
 598  * This function can still be significantly optimized by checking which of
 599  * the facets of the basic sets are also facets of the convex hull and
 600  * using all the facets so far to help in constructing the facets of the
 601  * facets
 602  * and/or
 603  * using the technique in section "3.1 Ridge Generation" of
 604  * "Extended Convex Hull" by Fukuda et al.
 605  */
 606 static struct isl_basic_set *extend(struct isl_basic_set *hull,
 607         struct isl_set *set)
 608 {
 609         int i, j, f;
 610         int k;
 611         struct isl_basic_set *facet = NULL;
 612         struct isl_basic_set *hull_facet = NULL;
 613         unsigned dim;
 614
 615         if (!hull)
 616                 return NULL;
 617
 618         isl_assert(set->ctx, set->n > 0, goto error);
 619
 620         dim = isl_set_n_dim(set);
 621
 622         for (i = 0; i < hull->n_ineq; ++i) {
 623                 facet = compute_facet(set, hull->ineq[i]);
 624                 facet = isl_basic_set_add_equality(facet, hull->ineq[i]);
 625                 facet = isl_basic_set_gauss(facet, NULL);
 626                 facet = isl_basic_set_normalize_constraints(facet);
 627                 hull_facet = isl_basic_set_copy(hull);
 628                 hull_facet = isl_basic_set_add_equality(hull_facet, hull->ineq[i]);
 629                 hull_facet = isl_basic_set_gauss(hull_facet, NULL);
 630                 hull_facet = isl_basic_set_normalize_constraints(hull_facet);
 631                 if (!facet || !hull_facet)
 632                         goto error;
 633                 hull = isl_basic_set_cow(hull);
 634                 hull = isl_basic_set_extend_dim(hull,
 635                         isl_dim_copy(hull->dim), 0, 0, facet->n_ineq);
 636                 if (!hull)
 637                         goto error;
 638                 for (j = 0; j < facet->n_ineq; ++j) {
 639                         for (f = 0; f < hull_facet->n_ineq; ++f)
 640                                 if (isl_seq_eq(facet->ineq[j],
 641                                                 hull_facet->ineq[f], 1 + dim))
 642                                         break;
 643                         if (f < hull_facet->n_ineq)
 644                                 continue;
 645                         k = isl_basic_set_alloc_inequality(hull);
 646                         if (k < 0)
 647                                 goto error;
 648                         isl_seq_cpy(hull->ineq[k], hull->ineq[i], 1+dim);
 649                         if (!isl_set_wrap_facet(set, hull->ineq[k], facet->ineq[j]))
 650                                 goto error;
 651                 }
 652                 isl_basic_set_free(hull_facet);
 653                 isl_basic_set_free(facet);
 654         }
 655         hull = isl_basic_set_simplify(hull);
 656         hull = isl_basic_set_finalize(hull);
 657         return hull;
 658 error:
 659         isl_basic_set_free(hull_facet);
 660         isl_basic_set_free(facet);
 661         isl_basic_set_free(hull);
 662         return NULL;
 663 }
 664
 665 /* Special case for computing the convex hull of a one dimensional set.
 666  * We simply collect the lower and upper bounds of each basic set
 667  * and the biggest of those.
 668  */
 669 static struct isl_basic_set *convex_hull_1d(struct isl_set *set)
 670 {
 671         struct isl_mat *c = NULL;
 672         isl_int *lower = NULL;
 673         isl_int *upper = NULL;
 674         int i, j, k;
 675         isl_int a, b;
 676         struct isl_basic_set *hull;
 677
 678         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
 679                 set->p[i] = isl_basic_set_simplify(set->p[i]);
 680                 if (!set->p[i])
 681                         goto error;
 682         }
 683         set = isl_set_remove_empty_parts(set);
 684         if (!set)
 685                 goto error;
 686         isl_assert(set->ctx, set->n > 0, goto error);
 687         c = isl_mat_alloc(set->ctx, 2, 2);
 688         if (!c)
 689                 goto error;
 690
 691         if (set->p[0]->n_eq > 0) {
 692                 isl_assert(set->ctx, set->p[0]->n_eq == 1, goto error);
 693                 lower = c->row[0];
 694                 upper = c->row[1];
 695                 if (isl_int_is_pos(set->p[0]->eq[0][1])) {
 696                         isl_seq_cpy(lower, set->p[0]->eq[0], 2);
 697                         isl_seq_neg(upper, set->p[0]->eq[0], 2);
 698                 } else {
 699                         isl_seq_neg(lower, set->p[0]->eq[0], 2);
 700                         isl_seq_cpy(upper, set->p[0]->eq[0], 2);
 701                 }
 702         } else {
 703                 for (j = 0; j < set->p[0]->n_ineq; ++j) {
 704                         if (isl_int_is_pos(set->p[0]->ineq[j][1])) {
 705                                 lower = c->row[0];
 706                                 isl_seq_cpy(lower, set->p[0]->ineq[j], 2);
 707                         } else {
 708                                 upper = c->row[1];
 709                                 isl_seq_cpy(upper, set->p[0]->ineq[j], 2);
 710                         }
 711                 }
 712         }
 713
 714         isl_int_init(a);
 715         isl_int_init(b);
 716         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
 717                 struct isl_basic_set *bset = set->p[i];
 718                 int has_lower = 0;
 719                 int has_upper = 0;
 720
 721                 for (j = 0; j < bset->n_eq; ++j) {
 722                         has_lower = 1;
 723                         has_upper = 1;
 724                         if (lower) {
 725                                 isl_int_mul(a, lower[0], bset->eq[j][1]);
 726                                 isl_int_mul(b, lower[1], bset->eq[j][0]);
 727                                 if (isl_int_lt(a, b) && isl_int_is_pos(bset->eq[j][1]))
 728                                         isl_seq_cpy(lower, bset->eq[j], 2);
 729                                 if (isl_int_gt(a, b) && isl_int_is_neg(bset->eq[j][1]))
 730                                         isl_seq_neg(lower, bset->eq[j], 2);
 731                         }
 732                         if (upper) {
 733                                 isl_int_mul(a, upper[0], bset->eq[j][1]);
 734                                 isl_int_mul(b, upper[1], bset->eq[j][0]);
 735                                 if (isl_int_lt(a, b) && isl_int_is_pos(bset->eq[j][1]))
 736                                         isl_seq_neg(upper, bset->eq[j], 2);
 737                                 if (isl_int_gt(a, b) && isl_int_is_neg(bset->eq[j][1]))
 738                                         isl_seq_cpy(upper, bset->eq[j], 2);
 739                         }
 740                 }
 741                 for (j = 0; j < bset->n_ineq; ++j) {
 742                         if (isl_int_is_pos(bset->ineq[j][1]))
 743                                 has_lower = 1;
 744                         if (isl_int_is_neg(bset->ineq[j][1]))
 745                                 has_upper = 1;
 746                         if (lower && isl_int_is_pos(bset->ineq[j][1])) {
 747                                 isl_int_mul(a, lower[0], bset->ineq[j][1]);
 748                                 isl_int_mul(b, lower[1], bset->ineq[j][0]);
 749                                 if (isl_int_lt(a, b))
 750                                         isl_seq_cpy(lower, bset->ineq[j], 2);
 751                         }
 752                         if (upper && isl_int_is_neg(bset->ineq[j][1])) {
 753                                 isl_int_mul(a, upper[0], bset->ineq[j][1]);
 754                                 isl_int_mul(b, upper[1], bset->ineq[j][0]);
 755                                 if (isl_int_gt(a, b))
 756                                         isl_seq_cpy(upper, bset->ineq[j], 2);
 757                         }
 758                 }
 759                 if (!has_lower)
 760                         lower = NULL;
 761                 if (!has_upper)
 762                         upper = NULL;
 763         }
 764         isl_int_clear(a);
 765         isl_int_clear(b);
 766
 767         hull = isl_basic_set_alloc(set->ctx, 0, 1, 0, 0, 2);
 768         hull = isl_basic_set_set_rational(hull);
 769         if (!hull)
 770                 goto error;
 771         if (lower) {
 772                 k = isl_basic_set_alloc_inequality(hull);
 773                 isl_seq_cpy(hull->ineq[k], lower, 2);
 774         }
 775         if (upper) {
 776                 k = isl_basic_set_alloc_inequality(hull);
 777                 isl_seq_cpy(hull->ineq[k], upper, 2);
 778         }
 779         hull = isl_basic_set_finalize(hull);
 780         isl_set_free(set);
 781         isl_mat_free(c);
 782         return hull;
 783 error:
 784         isl_set_free(set);
 785         isl_mat_free(c);
 786         return NULL;
 787 }
 788
 789 /* Project out final n dimensions using Fourier-Motzkin */
 790 static struct isl_set *set_project_out(struct isl_ctx *ctx,
 791         struct isl_set *set, unsigned n)
 792 {
 793         return isl_set_remove_dims(set, isl_dim_set, isl_set_n_dim(set) - n, n);
 794 }
 795
 796 static struct isl_basic_set *convex_hull_0d(struct isl_set *set)
 797 {
 798         struct isl_basic_set *convex_hull;
 799
 800         if (!set)
 801                 return NULL;
 802
 803         if (isl_set_is_empty(set))
 804                 convex_hull = isl_basic_set_empty(isl_dim_copy(set->dim));
 805         else
 806                 convex_hull = isl_basic_set_universe(isl_dim_copy(set->dim));
 807         isl_set_free(set);
 808         return convex_hull;
 809 }
 810
 811 /* Compute the convex hull of a pair of basic sets without any parameters or
 812  * integer divisions using Fourier-Motzkin elimination.
 813  * The convex hull is the set of all points that can be written as
 814  * the sum of points from both basic sets (in homogeneous coordinates).
 815  * We set up the constraints in a space with dimensions for each of
 816  * the three sets and then project out the dimensions corresponding
 817  * to the two original basic sets, retaining only those corresponding
 818  * to the convex hull.
 819  */
 820 static struct isl_basic_set *convex_hull_pair_elim(struct isl_basic_set *bset1,
 821         struct isl_basic_set *bset2)
 822 {
 823         int i, j, k;
 824         struct isl_basic_set *bset[2];
 825         struct isl_basic_set *hull = NULL;
 826         unsigned dim;
 827
 828         if (!bset1 || !bset2)
 829                 goto error;
 830
 831         dim = isl_basic_set_n_dim(bset1);
 832         hull = isl_basic_set_alloc(bset1->ctx, 0, 2 + 3 * dim, 0,
 833                                 1 + dim + bset1->n_eq + bset2->n_eq,
 834                                 2 + bset1->n_ineq + bset2->n_ineq);
 835         bset[0] = bset1;
 836         bset[1] = bset2;
 837         for (i = 0; i < 2; ++i) {
 838                 for (j = 0; j < bset[i]->n_eq; ++j) {
 839                         k = isl_basic_set_alloc_equality(hull);
 840                         if (k < 0)
 841                                 goto error;
 842                         isl_seq_clr(hull->eq[k], (i+1) * (1+dim));
 843                         isl_seq_clr(hull->eq[k]+(i+2)*(1+dim), (1-i)*(1+dim));
 844                         isl_seq_cpy(hull->eq[k]+(i+1)*(1+dim), bset[i]->eq[j],
 845                                         1+dim);
 846                 }
 847                 for (j = 0; j < bset[i]->n_ineq; ++j) {
 848                         k = isl_basic_set_alloc_inequality(hull);
 849                         if (k < 0)
 850                                 goto error;
 851                         isl_seq_clr(hull->ineq[k], (i+1) * (1+dim));
 852                         isl_seq_clr(hull->ineq[k]+(i+2)*(1+dim), (1-i)*(1+dim));
 853                         isl_seq_cpy(hull->ineq[k]+(i+1)*(1+dim),
 854                                         bset[i]->ineq[j], 1+dim);
 855                 }
 856                 k = isl_basic_set_alloc_inequality(hull);
 857                 if (k < 0)
 858                         goto error;
 859                 isl_seq_clr(hull->ineq[k], 1+2+3*dim);
 860                 isl_int_set_si(hull->ineq[k][(i+1)*(1+dim)], 1);
 861         }
 862         for (j = 0; j < 1+dim; ++j) {
 863                 k = isl_basic_set_alloc_equality(hull);
 864                 if (k < 0)
 865                         goto error;
 866                 isl_seq_clr(hull->eq[k], 1+2+3*dim);
 867                 isl_int_set_si(hull->eq[k][j], -1);
 868                 isl_int_set_si(hull->eq[k][1+dim+j], 1);
 869                 isl_int_set_si(hull->eq[k][2*(1+dim)+j], 1);
 870         }
 871         hull = isl_basic_set_set_rational(hull);
 872         hull = isl_basic_set_remove_dims(hull, isl_dim_set, dim, 2*(1+dim));
 873         hull = isl_basic_set_remove_redundancies(hull);
 874         isl_basic_set_free(bset1);
 875         isl_basic_set_free(bset2);
 876         return hull;
 877 error:
 878         isl_basic_set_free(bset1);
 879         isl_basic_set_free(bset2);
 880         isl_basic_set_free(hull);
 881         return NULL;
 882 }
 883
 884 /* Is the set bounded for each value of the parameters?
 885  */
 886 int isl_basic_set_is_bounded(__isl_keep isl_basic_set *bset)
 887 {
 888         struct isl_tab *tab;
 889         int bounded;
 890
 891         if (!bset)
 892                 return -1;
 893         if (isl_basic_set_fast_is_empty(bset))
 894                 return 1;
 895
 896         tab = isl_tab_from_recession_cone(bset, 1);
 897         bounded = isl_tab_cone_is_bounded(tab);
 898         isl_tab_free(tab);
 899         return bounded;
 900 }
 901
 902 /* Is the image bounded for each value of the parameters and
 903  * the domain variables?
 904  */
 905 int isl_basic_map_image_is_bounded(__isl_keep isl_basic_map *bmap)
 906 {
 907         unsigned nparam = isl_basic_map_dim(bmap, isl_dim_param);
 908         unsigned n_in = isl_basic_map_dim(bmap, isl_dim_in);
 909         int bounded;
 910
 911         bmap = isl_basic_map_copy(bmap);
 912         bmap = isl_basic_map_cow(bmap);
 913         bmap = isl_basic_map_move_dims(bmap, isl_dim_param, nparam,
 914                                         isl_dim_in, 0, n_in);
 915         bounded = isl_basic_set_is_bounded((isl_basic_set *)bmap);
 916         isl_basic_map_free(bmap);
 917
 918         return bounded;
 919 }
 920
 921 /* Is the set bounded for each value of the parameters?
 922  */
 923 int isl_set_is_bounded(__isl_keep isl_set *set)
 924 {
 925         int i;
 926
 927         if (!set)
 928                 return -1;
 929
 930         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
 931                 int bounded = isl_basic_set_is_bounded(set->p[i]);
 932                 if (!bounded || bounded < 0)
 933                         return bounded;
 934         }
 935         return 1;
 936 }
 937
 938 /* Compute the lineality space of the convex hull of bset1 and bset2.
 939  *
 940  * We first compute the intersection of the recession cone of bset1
 941  * with the negative of the recession cone of bset2 and then compute
 942  * the linear hull of the resulting cone.
 943  */
 944 static struct isl_basic_set *induced_lineality_space(
 945         struct isl_basic_set *bset1, struct isl_basic_set *bset2)
 946 {
 947         int i, k;
 948         struct isl_basic_set *lin = NULL;
 949         unsigned dim;
 950
 951         if (!bset1 || !bset2)
 952                 goto error;
 953
 954         dim = isl_basic_set_total_dim(bset1);
 955         lin = isl_basic_set_alloc_dim(isl_basic_set_get_dim(bset1), 0,
 956                                         bset1->n_eq + bset2->n_eq,
 957                                         bset1->n_ineq + bset2->n_ineq);
 958         lin = isl_basic_set_set_rational(lin);
 959         if (!lin)
 960                 goto error;
 961         for (i = 0; i < bset1->n_eq; ++i) {
 962                 k = isl_basic_set_alloc_equality(lin);
 963                 if (k < 0)
 964                         goto error;
 965                 isl_int_set_si(lin->eq[k][0], 0);
 966                 isl_seq_cpy(lin->eq[k] + 1, bset1->eq[i] + 1, dim);
 967         }
 968         for (i = 0; i < bset1->n_ineq; ++i) {
 969                 k = isl_basic_set_alloc_inequality(lin);
 970                 if (k < 0)
 971                         goto error;
 972                 isl_int_set_si(lin->ineq[k][0], 0);
 973                 isl_seq_cpy(lin->ineq[k] + 1, bset1->ineq[i] + 1, dim);
 974         }
 975         for (i = 0; i < bset2->n_eq; ++i) {
 976                 k = isl_basic_set_alloc_equality(lin);
 977                 if (k < 0)
 978                         goto error;
 979                 isl_int_set_si(lin->eq[k][0], 0);
 980                 isl_seq_neg(lin->eq[k] + 1, bset2->eq[i] + 1, dim);
 981         }
 982         for (i = 0; i < bset2->n_ineq; ++i) {
 983                 k = isl_basic_set_alloc_inequality(lin);
 984                 if (k < 0)
 985                         goto error;
 986                 isl_int_set_si(lin->ineq[k][0], 0);
 987                 isl_seq_neg(lin->ineq[k] + 1, bset2->ineq[i] + 1, dim);
 988         }
 989
 990         isl_basic_set_free(bset1);
 991         isl_basic_set_free(bset2);
 992         return isl_basic_set_affine_hull(lin);
 993 error:
 994         isl_basic_set_free(lin);
 995         isl_basic_set_free(bset1);
 996         isl_basic_set_free(bset2);
 997         return NULL;
 998 }
 999
1000 static struct isl_basic_set *uset_convex_hull(struct isl_set *set);
1001
1002 /* Given a set and a linear space "lin" of dimension n > 0,
1003  * project the linear space from the set, compute the convex hull
1004  * and then map the set back to the original space.
1005  *
1006  * Let
1007  *
1008  *      M x = 0
1009  *
1010  * describe the linear space.  We first compute the Hermite normal
1011  * form H = M U of M = H Q, to obtain
1012  *
1013  *      H Q x = 0
1014  *
1015  * The last n rows of H will be zero, so the last n variables of x' = Q x
1016  * are the one we want to project out.  We do this by transforming each
1017  * basic set A x >= b to A U x' >= b and then removing the last n dimensions.
1018  * After computing the convex hull in x'_1, i.e., A' x'_1 >= b',
1019  * we transform the hull back to the original space as A' Q_1 x >= b',
1020  * with Q_1 all but the last n rows of Q.
1021  */
1022 static struct isl_basic_set *modulo_lineality(struct isl_set *set,
1023         struct isl_basic_set *lin)
1024 {
1025         unsigned total = isl_basic_set_total_dim(lin);
1026         unsigned lin_dim;
1027         struct isl_basic_set *hull;
1028         struct isl_mat *M, *U, *Q;
1029
1030         if (!set || !lin)
1031                 goto error;
1032         lin_dim = total - lin->n_eq;
1033         M = isl_mat_sub_alloc(set->ctx, lin->eq, 0, lin->n_eq, 1, total);
1034         M = isl_mat_left_hermite(M, 0, &U, &Q);
1035         if (!M)
1036                 goto error;
1037         isl_mat_free(M);
1038         isl_basic_set_free(lin);
1039
1040         Q = isl_mat_drop_rows(Q, Q->n_row - lin_dim, lin_dim);
1041
1042         U = isl_mat_lin_to_aff(U);
1043         Q = isl_mat_lin_to_aff(Q);
1044
1045         set = isl_set_preimage(set, U);
1046         set = isl_set_remove_dims(set, isl_dim_set, total - lin_dim, lin_dim);
1047         hull = uset_convex_hull(set);
1048         hull = isl_basic_set_preimage(hull, Q);
1049
1050         return hull;
1051 error:
1052         isl_basic_set_free(lin);
1053         isl_set_free(set);
1054         return NULL;
1055 }
1056
1057 /* Given two polyhedra with as constraints h_{ij} x >= 0 in homegeneous space,
1058  * set up an LP for solving
1059  *
1060  *      \sum_j \alpha_{1j} h_{1j} = \sum_j \alpha_{2j} h_{2j}
1061  *
1062  * \alpha{i0} corresponds to the (implicit) positivity constraint 1 >= 0
1063  * The next \alpha{ij} correspond to the equalities and come in pairs.
1064  * The final \alpha{ij} correspond to the inequalities.
1065  */
1066 static struct isl_basic_set *valid_direction_lp(
1067         struct isl_basic_set *bset1, struct isl_basic_set *bset2)
1068 {
1069         struct isl_dim *dim;
1070         struct isl_basic_set *lp;
1071         unsigned d;
1072         int n;
1073         int i, j, k;
1074
1075         if (!bset1 || !bset2)
1076                 goto error;
1077         d = 1 + isl_basic_set_total_dim(bset1);
1078         n = 2 +
1079             2 * bset1->n_eq + bset1->n_ineq + 2 * bset2->n_eq + bset2->n_ineq;
1080         dim = isl_dim_set_alloc(bset1->ctx, 0, n);
1081         lp = isl_basic_set_alloc_dim(dim, 0, d, n);
1082         if (!lp)
1083                 goto error;
1084         for (i = 0; i < n; ++i) {
1085                 k = isl_basic_set_alloc_inequality(lp);
1086                 if (k < 0)
1087                         goto error;
1088                 isl_seq_clr(lp->ineq[k] + 1, n);
1089                 isl_int_set_si(lp->ineq[k][0], -1);
1090                 isl_int_set_si(lp->ineq[k][1 + i], 1);
1091         }
1092         for (i = 0; i < d; ++i) {
1093                 k = isl_basic_set_alloc_equality(lp);
1094                 if (k < 0)
1095                         goto error;
1096                 n = 0;
1097                 isl_int_set_si(lp->eq[k][n], 0); n++;
1098                 /* positivity constraint 1 >= 0 */
1099                 isl_int_set_si(lp->eq[k][n], i == 0); n++;
1100                 for (j = 0; j < bset1->n_eq; ++j) {
1101                         isl_int_set(lp->eq[k][n], bset1->eq[j][i]); n++;
1102                         isl_int_neg(lp->eq[k][n], bset1->eq[j][i]); n++;
1103                 }
1104                 for (j = 0; j < bset1->n_ineq; ++j) {
1105                         isl_int_set(lp->eq[k][n], bset1->ineq[j][i]); n++;
1106                 }
1107                 /* positivity constraint 1 >= 0 */
1108                 isl_int_set_si(lp->eq[k][n], -(i == 0)); n++;
1109                 for (j = 0; j < bset2->n_eq; ++j) {
1110                         isl_int_neg(lp->eq[k][n], bset2->eq[j][i]); n++;
1111                         isl_int_set(lp->eq[k][n], bset2->eq[j][i]); n++;
1112                 }
1113                 for (j = 0; j < bset2->n_ineq; ++j) {
1114                         isl_int_neg(lp->eq[k][n], bset2->ineq[j][i]); n++;
1115                 }
1116         }
1117         lp = isl_basic_set_gauss(lp, NULL);
1118         isl_basic_set_free(bset1);
1119         isl_basic_set_free(bset2);
1120         return lp;
1121 error:
1122         isl_basic_set_free(bset1);
1123         isl_basic_set_free(bset2);
1124         return NULL;
1125 }
1126
1127 /* Compute a vector s in the homogeneous space such that <s, r> > 0
1128  * for all rays in the homogeneous space of the two cones that correspond
1129  * to the input polyhedra bset1 and bset2.
1130  *
1131  * We compute s as a vector that satisfies
1132  *
1133  *      s = \sum_j \alpha_{ij} h_{ij}   for i = 1,2                     (*)
1134  *
1135  * with h_{ij} the normals of the facets of polyhedron i
1136  * (including the "positivity constraint" 1 >= 0) and \alpha_{ij}
1137  * strictly positive numbers.  For simplicity we impose \alpha_{ij} >= 1.
1138  * We first set up an LP with as variables the \alpha{ij}.
1139  * In this formulation, for each polyhedron i,
1140  * the first constraint is the positivity constraint, followed by pairs
1141  * of variables for the equalities, followed by variables for the inequalities.
1142  * We then simply pick a feasible solution and compute s using (*).
1143  *
1144  * Note that we simply pick any valid direction and make no attempt
1145  * to pick a "good" or even the "best" valid direction.
1146  */
1147 static struct isl_vec *valid_direction(
1148         struct isl_basic_set *bset1, struct isl_basic_set *bset2)
1149 {
1150         struct isl_basic_set *lp;
1151         struct isl_tab *tab;
1152         struct isl_vec *sample = NULL;
1153         struct isl_vec *dir;
1154         unsigned d;
1155         int i;
1156         int n;
1157
1158         if (!bset1 || !bset2)
1159                 goto error;
1160         lp = valid_direction_lp(isl_basic_set_copy(bset1),
1161                                 isl_basic_set_copy(bset2));
1162         tab = isl_tab_from_basic_set(lp);
1163         sample = isl_tab_get_sample_value(tab);
1164         isl_tab_free(tab);
1165         isl_basic_set_free(lp);
1166         if (!sample)
1167                 goto error;
1168         d = isl_basic_set_total_dim(bset1);
1169         dir = isl_vec_alloc(bset1->ctx, 1 + d);
1170         if (!dir)
1171                 goto error;
1172         isl_seq_clr(dir->block.data + 1, dir->size - 1);
1173         n = 1;
1174         /* positivity constraint 1 >= 0 */
1175         isl_int_set(dir->block.data[0], sample->block.data[n]); n++;
1176         for (i = 0; i < bset1->n_eq; ++i) {
1177                 isl_int_sub(sample->block.data[n],
1178                             sample->block.data[n], sample->block.data[n+1]);
1179                 isl_seq_combine(dir->block.data,
1180                                 bset1->ctx->one, dir->block.data,
1181                                 sample->block.data[n], bset1->eq[i], 1 + d);
1182
1183                 n += 2;
1184         }
1185         for (i = 0; i < bset1->n_ineq; ++i)
1186                 isl_seq_combine(dir->block.data,
1187                                 bset1->ctx->one, dir->block.data,
1188                                 sample->block.data[n++], bset1->ineq[i], 1 + d);
1189         isl_vec_free(sample);
1190         isl_seq_normalize(bset1->ctx, dir->el, dir->size);
1191         isl_basic_set_free(bset1);
1192         isl_basic_set_free(bset2);
1193         return dir;
1194 error:
1195         isl_vec_free(sample);
1196         isl_basic_set_free(bset1);
1197         isl_basic_set_free(bset2);
1198         return NULL;
1199 }
1200
1201 /* Given a polyhedron b_i + A_i x >= 0 and a map T = S^{-1},
1202  * compute b_i' + A_i' x' >= 0, with
1203  *
1204  *      [ b_i A_i ]        [ y' ]                             [ y' ]
1205  *      [  1   0  ] S^{-1} [ x' ] >= 0  or      [ b_i' A_i' ] [ x' ] >= 0
1206  *
1207  * In particular, add the "positivity constraint" and then perform
1208  * the mapping.
1209  */
1210 static struct isl_basic_set *homogeneous_map(struct isl_basic_set *bset,
1211         struct isl_mat *T)
1212 {
1213         int k;
1214
1215         if (!bset)
1216                 goto error;
1217         bset = isl_basic_set_extend_constraints(bset, 0, 1);
1218         k = isl_basic_set_alloc_inequality(bset);
1219         if (k < 0)
1220                 goto error;
1221         isl_seq_clr(bset->ineq[k] + 1, isl_basic_set_total_dim(bset));
1222         isl_int_set_si(bset->ineq[k][0], 1);
1223         bset = isl_basic_set_preimage(bset, T);
1224         return bset;
1225 error:
1226         isl_mat_free(T);
1227         isl_basic_set_free(bset);
1228         return NULL;
1229 }
1230
1231 /* Compute the convex hull of a pair of basic sets without any parameters or
1232  * integer divisions, where the convex hull is known to be pointed,
1233  * but the basic sets may be unbounded.
1234  *
1235  * We turn this problem into the computation of a convex hull of a pair
1236  * _bounded_ polyhedra by "changing the direction of the homogeneous
1237  * dimension".  This idea is due to Matthias Koeppe.
1238  *
1239  * Consider the cones in homogeneous space that correspond to the
1240  * input polyhedra.  The rays of these cones are also rays of the
1241  * polyhedra if the coordinate that corresponds to the homogeneous
1242  * dimension is zero.  That is, if the inner product of the rays
1243  * with the homogeneous direction is zero.
1244  * The cones in the homogeneous space can also be considered to
1245  * correspond to other pairs of polyhedra by chosing a different
1246  * homogeneous direction.  To ensure that both of these polyhedra
1247  * are bounded, we need to make sure that all rays of the cones
1248  * correspond to vertices and not to rays.
1249  * Let s be a direction such that <s, r> > 0 for all rays r of both cones.
1250  * Then using s as a homogeneous direction, we obtain a pair of polytopes.
1251  * The vector s is computed in valid_direction.
1252  *
1253  * Note that we need to consider _all_ rays of the cones and not just
1254  * the rays that correspond to rays in the polyhedra.  If we were to
1255  * only consider those rays and turn them into vertices, then we
1256  * may inadvertently turn some vertices into rays.
1257  *
1258  * The standard homogeneous direction is the unit vector in the 0th coordinate.
1259  * We therefore transform the two polyhedra such that the selected
1260  * direction is mapped onto this standard direction and then proceed
1261  * with the normal computation.
1262  * Let S be a non-singular square matrix with s as its first row,
1263  * then we want to map the polyhedra to the space
1264  *
1265  *      [ y' ]     [ y ]                [ y ]          [ y' ]
1266  *      [ x' ] = S [ x ]        i.e.,   [ x ] = S^{-1} [ x' ]
1267  *
1268  * We take S to be the unimodular completion of s to limit the growth
1269  * of the coefficients in the following computations.
1270  *
1271  * Let b_i + A_i x >= 0 be the constraints of polyhedron i.
1272  * We first move to the homogeneous dimension
1273  *
1274  *      b_i y + A_i x >= 0              [ b_i A_i ] [ y ]    [ 0 ]
1275  *          y         >= 0      or      [  1   0  ] [ x ] >= [ 0 ]
1276  *
1277  * Then we change directoin
1278  *
1279  *      [ b_i A_i ]        [ y' ]                             [ y' ]
1280  *      [  1   0  ] S^{-1} [ x' ] >= 0  or      [ b_i' A_i' ] [ x' ] >= 0
1281  *
1282  * Then we compute the convex hull of the polytopes b_i' + A_i' x' >= 0
1283  * resulting in b' + A' x' >= 0, which we then convert back
1284  *
1285  *                  [ y ]                       [ y ]
1286  *      [ b' A' ] S [ x ] >= 0  or      [ b A ] [ x ] >= 0
1287  *
1288  * The polyhedron b + A x >= 0 is then the convex hull of the input polyhedra.
1289  */
1290 static struct isl_basic_set *convex_hull_pair_pointed(
1291         struct isl_basic_set *bset1, struct isl_basic_set *bset2)
1292 {
1293         struct isl_ctx *ctx = NULL;
1294         struct isl_vec *dir = NULL;
1295         struct isl_mat *T = NULL;
1296         struct isl_mat *T2 = NULL;
1297         struct isl_basic_set *hull;
1298         struct isl_set *set;
1299
1300         if (!bset1 || !bset2)
1301                 goto error;
1302         ctx = bset1->ctx;
1303         dir = valid_direction(isl_basic_set_copy(bset1),
1304                                 isl_basic_set_copy(bset2));
1305         if (!dir)
1306                 goto error;
1307         T = isl_mat_alloc(bset1->ctx, dir->size, dir->size);
1308         if (!T)
1309                 goto error;
1310         isl_seq_cpy(T->row[0], dir->block.data, dir->size);
1311         T = isl_mat_unimodular_complete(T, 1);
1312         T2 = isl_mat_right_inverse(isl_mat_copy(T));
1313
1314         bset1 = homogeneous_map(bset1, isl_mat_copy(T2));
1315         bset2 = homogeneous_map(bset2, T2);
1316         set = isl_set_alloc_dim(isl_basic_set_get_dim(bset1), 2, 0);
1317         set = isl_set_add_basic_set(set, bset1);
1318         set = isl_set_add_basic_set(set, bset2);
1319         hull = uset_convex_hull(set);
1320         hull = isl_basic_set_preimage(hull, T);
1321
1322         isl_vec_free(dir);
1323
1324         return hull;
1325 error:
1326         isl_vec_free(dir);
1327         isl_basic_set_free(bset1);
1328         isl_basic_set_free(bset2);
1329         return NULL;
1330 }
1331
1332 static struct isl_basic_set *uset_convex_hull_wrap(struct isl_set *set);
1333 static struct isl_basic_set *modulo_affine_hull(
1334         struct isl_set *set, struct isl_basic_set *affine_hull);
1335
1336 /* Compute the convex hull of a pair of basic sets without any parameters or
1337  * integer divisions.
1338  *
1339  * This function is called from uset_convex_hull_unbounded, which
1340  * means that the complete convex hull is unbounded.  Some pairs
1341  * of basic sets may still be bounded, though.
1342  * They may even lie inside a lower dimensional space, in which
1343  * case they need to be handled inside their affine hull since
1344  * the main algorithm assumes that the result is full-dimensional.
1345  *
1346  * If the convex hull of the two basic sets would have a non-trivial
1347  * lineality space, we first project out this lineality space.
1348  */
1349 static struct isl_basic_set *convex_hull_pair(struct isl_basic_set *bset1,
1350         struct isl_basic_set *bset2)
1351 {
1352         isl_basic_set *lin, *aff;
1353         int bounded1, bounded2;
1354
1355         if (bset1->ctx->opt->convex == ISL_CONVEX_HULL_FM)
1356                 return convex_hull_pair_elim(bset1, bset2);
1357
1358         aff = isl_set_affine_hull(isl_basic_set_union(isl_basic_set_copy(bset1),
1359                                                     isl_basic_set_copy(bset2)));
1360         if (!aff)
1361                 goto error;
1362         if (aff->n_eq != 0)
1363                 return modulo_affine_hull(isl_basic_set_union(bset1, bset2), aff);
1364         isl_basic_set_free(aff);
1365
1366         bounded1 = isl_basic_set_is_bounded(bset1);
1367         bounded2 = isl_basic_set_is_bounded(bset2);
1368
1369         if (bounded1 < 0 || bounded2 < 0)
1370                 goto error;
1371
1372         if (bounded1 && bounded2)
1373                 uset_convex_hull_wrap(isl_basic_set_union(bset1, bset2));
1374
1375         if (bounded1 || bounded2)
1376                 return convex_hull_pair_pointed(bset1, bset2);
1377
1378         lin = induced_lineality_space(isl_basic_set_copy(bset1),
1379                                       isl_basic_set_copy(bset2));
1380         if (!lin)
1381                 goto error;
1382         if (isl_basic_set_is_universe(lin)) {
1383                 isl_basic_set_free(bset1);
1384                 isl_basic_set_free(bset2);
1385                 return lin;
1386         }
1387         if (lin->n_eq < isl_basic_set_total_dim(lin)) {
1388                 struct isl_set *set;
1389                 set = isl_set_alloc_dim(isl_basic_set_get_dim(bset1), 2, 0);
1390                 set = isl_set_add_basic_set(set, bset1);
1391                 set = isl_set_add_basic_set(set, bset2);
1392                 return modulo_lineality(set, lin);
1393         }
1394         isl_basic_set_free(lin);
1395
1396         return convex_hull_pair_pointed(bset1, bset2);
1397 error:
1398         isl_basic_set_free(bset1);
1399         isl_basic_set_free(bset2);
1400         return NULL;
1401 }
1402
1403 /* Compute the lineality space of a basic set.
1404  * We currently do not allow the basic set to have any divs.
1405  * We basically just drop the constants and turn every inequality
1406  * into an equality.
1407  */
1408 struct isl_basic_set *isl_basic_set_lineality_space(struct isl_basic_set *bset)
1409 {
1410         int i, k;
1411         struct isl_basic_set *lin = NULL;
1412         unsigned dim;
1413
1414         if (!bset)
1415                 goto error;
1416         isl_assert(bset->ctx, bset->n_div == 0, goto error);
1417         dim = isl_basic_set_total_dim(bset);
1418
1419         lin = isl_basic_set_alloc_dim(isl_basic_set_get_dim(bset), 0, dim, 0);
1420         if (!lin)
1421                 goto error;
1422         for (i = 0; i < bset->n_eq; ++i) {
1423                 k = isl_basic_set_alloc_equality(lin);
1424                 if (k < 0)
1425                         goto error;
1426                 isl_int_set_si(lin->eq[k][0], 0);
1427                 isl_seq_cpy(lin->eq[k] + 1, bset->eq[i] + 1, dim);
1428         }
1429         lin = isl_basic_set_gauss(lin, NULL);
1430         if (!lin)
1431                 goto error;
1432         for (i = 0; i < bset->n_ineq && lin->n_eq < dim; ++i) {
1433                 k = isl_basic_set_alloc_equality(lin);
1434                 if (k < 0)
1435                         goto error;
1436                 isl_int_set_si(lin->eq[k][0], 0);
1437                 isl_seq_cpy(lin->eq[k] + 1, bset->ineq[i] + 1, dim);
1438                 lin = isl_basic_set_gauss(lin, NULL);
1439                 if (!lin)
1440                         goto error;
1441         }
1442         isl_basic_set_free(bset);
1443         return lin;
1444 error:
1445         isl_basic_set_free(lin);
1446         isl_basic_set_free(bset);
1447         return NULL;
1448 }
1449
1450 /* Compute the (linear) hull of the lineality spaces of the basic sets in the
1451  * "underlying" set "set".
1452  */
1453 static struct isl_basic_set *uset_combined_lineality_space(struct isl_set *set)
1454 {
1455         int i;
1456         struct isl_set *lin = NULL;
1457
1458         if (!set)
1459                 return NULL;
1460         if (set->n == 0) {
1461                 struct isl_dim *dim = isl_set_get_dim(set);
1462                 isl_set_free(set);
1463                 return isl_basic_set_empty(dim);
1464         }
1465
1466         lin = isl_set_alloc_dim(isl_set_get_dim(set), set->n, 0);
1467         for (i = 0; i < set->n; ++i)
1468                 lin = isl_set_add_basic_set(lin,
1469                     isl_basic_set_lineality_space(isl_basic_set_copy(set->p[i])));
1470         isl_set_free(set);
1471         return isl_set_affine_hull(lin);
1472 }
1473
1474 /* Compute the convex hull of a set without any parameters or
1475  * integer divisions.
1476  * In each step, we combined two basic sets until only one
1477  * basic set is left.
1478  * The input basic sets are assumed not to have a non-trivial
1479  * lineality space.  If any of the intermediate results has
1480  * a non-trivial lineality space, it is projected out.
1481  */
1482 static struct isl_basic_set *uset_convex_hull_unbounded(struct isl_set *set)
1483 {
1484         struct isl_basic_set *convex_hull = NULL;
1485
1486         convex_hull = isl_set_copy_basic_set(set);
1487         set = isl_set_drop_basic_set(set, convex_hull);
1488         if (!set)
1489                 goto error;
1490         while (set->n > 0) {
1491                 struct isl_basic_set *t;
1492                 t = isl_set_copy_basic_set(set);
1493                 if (!t)
1494                         goto error;
1495                 set = isl_set_drop_basic_set(set, t);
1496                 if (!set)
1497                         goto error;
1498                 convex_hull = convex_hull_pair(convex_hull, t);
1499                 if (set->n == 0)
1500                         break;
1501                 t = isl_basic_set_lineality_space(isl_basic_set_copy(convex_hull));
1502                 if (!t)
1503                         goto error;
1504                 if (isl_basic_set_is_universe(t)) {
1505                         isl_basic_set_free(convex_hull);
1506                         convex_hull = t;
1507                         break;
1508                 }
1509                 if (t->n_eq < isl_basic_set_total_dim(t)) {
1510                         set = isl_set_add_basic_set(set, convex_hull);
1511                         return modulo_lineality(set, t);
1512                 }
1513                 isl_basic_set_free(t);
1514         }
1515         isl_set_free(set);
1516         return convex_hull;
1517 error:
1518         isl_set_free(set);
1519         isl_basic_set_free(convex_hull);
1520         return NULL;
1521 }
1522
1523 /* Compute an initial hull for wrapping containing a single initial
1524  * facet.
1525  * This function assumes that the given set is bounded.
1526  */
1527 static struct isl_basic_set *initial_hull(struct isl_basic_set *hull,
1528         struct isl_set *set)
1529 {
1530         struct isl_mat *bounds = NULL;
1531         unsigned dim;
1532         int k;
1533
1534         if (!hull)
1535                 goto error;
1536         bounds = initial_facet_constraint(set);
1537         if (!bounds)
1538                 goto error;
1539         k = isl_basic_set_alloc_inequality(hull);
1540         if (k < 0)
1541                 goto error;
1542         dim = isl_set_n_dim(set);
1543         isl_assert(set->ctx, 1 + dim == bounds->n_col, goto error);
1544         isl_seq_cpy(hull->ineq[k], bounds->row[0], bounds->n_col);
1545         isl_mat_free(bounds);
1546
1547         return hull;
1548 error:
1549         isl_basic_set_free(hull);
1550         isl_mat_free(bounds);
1551         return NULL;
1552 }
1553
1554 struct max_constraint {
1555         struct isl_mat *c;
1556         int             count;
1557         int             ineq;
1558 };
1559
1560 static int max_constraint_equal(const void *entry, const void *val)
1561 {
1562         struct max_constraint *a = (struct max_constraint *)entry;
1563         isl_int *b = (isl_int *)val;
1564
1565         return isl_seq_eq(a->c->row[0] + 1, b, a->c->n_col - 1);
1566 }
1567
1568 static void update_constraint(struct isl_ctx *ctx, struct isl_hash_table *table,
1569         isl_int *con, unsigned len, int n, int ineq)
1570 {
1571         struct isl_hash_table_entry *entry;
1572         struct max_constraint *c;
1573         uint32_t c_hash;
1574
1575         c_hash = isl_seq_get_hash(con + 1, len);
1576         entry = isl_hash_table_find(ctx, table, c_hash, max_constraint_equal,
1577                         con + 1, 0);
1578         if (!entry)
1579                 return;
1580         c = entry->data;
1581         if (c->count < n) {
1582                 isl_hash_table_remove(ctx, table, entry);
1583                 return;
1584         }
1585         c->count++;
1586         if (isl_int_gt(c->c->row[0][0], con[0]))
1587                 return;
1588         if (isl_int_eq(c->c->row[0][0], con[0])) {
1589                 if (ineq)
1590                         c->ineq = ineq;
1591                 return;
1592         }
1593         c->c = isl_mat_cow(c->c);
1594         isl_int_set(c->c->row[0][0], con[0]);
1595         c->ineq = ineq;
1596 }
1597
1598 /* Check whether the constraint hash table "table" constains the constraint
1599  * "con".
1600  */
1601 static int has_constraint(struct isl_ctx *ctx, struct isl_hash_table *table,
1602         isl_int *con, unsigned len, int n)
1603 {
1604         struct isl_hash_table_entry *entry;
1605         struct max_constraint *c;
1606         uint32_t c_hash;
1607
1608         c_hash = isl_seq_get_hash(con + 1, len);
1609         entry = isl_hash_table_find(ctx, table, c_hash, max_constraint_equal,
1610                         con + 1, 0);
1611         if (!entry)
1612                 return 0;
1613         c = entry->data;
1614         if (c->count < n)
1615                 return 0;
1616         return isl_int_eq(c->c->row[0][0], con[0]);
1617 }
1618
1619 /* Check for inequality constraints of a basic set without equalities
1620  * such that the same or more stringent copies of the constraint appear
1621  * in all of the basic sets.  Such constraints are necessarily facet
1622  * constraints of the convex hull.
1623  *
1624  * If the resulting basic set is by chance identical to one of
1625  * the basic sets in "set", then we know that this basic set contains
1626  * all other basic sets and is therefore the convex hull of set.
1627  * In this case we set *is_hull to 1.
1628  */
1629 static struct isl_basic_set *common_constraints(struct isl_basic_set *hull,
1630         struct isl_set *set, int *is_hull)
1631 {
1632         int i, j, s, n;
1633         int min_constraints;
1634         int best;
1635         struct max_constraint *constraints = NULL;
1636         struct isl_hash_table *table = NULL;
1637         unsigned total;
1638
1639         *is_hull = 0;
1640
1641         for (i = 0; i < set->n; ++i)
1642                 if (set->p[i]->n_eq == 0)
1643                         break;
1644         if (i >= set->n)
1645                 return hull;
1646         min_constraints = set->p[i]->n_ineq;
1647         best = i;
1648         for (i = best + 1; i < set->n; ++i) {
1649                 if (set->p[i]->n_eq != 0)
1650                         continue;
1651                 if (set->p[i]->n_ineq >= min_constraints)
1652                         continue;
1653                 min_constraints = set->p[i]->n_ineq;
1654                 best = i;
1655         }
1656         constraints = isl_calloc_array(hull->ctx, struct max_constraint,
1657                                         min_constraints);
1658         if (!constraints)
1659                 return hull;
1660         table = isl_alloc_type(hull->ctx, struct isl_hash_table);
1661         if (isl_hash_table_init(hull->ctx, table, min_constraints))
1662                 goto error;
1663
1664         total = isl_dim_total(set->dim);
1665         for (i = 0; i < set->p[best]->n_ineq; ++i) {
1666                 constraints[i].c = isl_mat_sub_alloc(hull->ctx,
1667                         set->p[best]->ineq + i, 0, 1, 0, 1 + total);
1668                 if (!constraints[i].c)
1669                         goto error;
1670                 constraints[i].ineq = 1;
1671         }
1672         for (i = 0; i < min_constraints; ++i) {
1673                 struct isl_hash_table_entry *entry;
1674                 uint32_t c_hash;
1675                 c_hash = isl_seq_get_hash(constraints[i].c->row[0] + 1, total);
1676                 entry = isl_hash_table_find(hull->ctx, table, c_hash,
1677                         max_constraint_equal, constraints[i].c->row[0] + 1, 1);
1678                 if (!entry)
1679                         goto error;
1680                 isl_assert(hull->ctx, !entry->data, goto error);
1681                 entry->data = &constraints[i];
1682         }
1683
1684         n = 0;
1685         for (s = 0; s < set->n; ++s) {
1686                 if (s == best)
1687                         continue;
1688
1689                 for (i = 0; i < set->p[s]->n_eq; ++i) {
1690                         isl_int *eq = set->p[s]->eq[i];
1691                         for (j = 0; j < 2; ++j) {
1692                                 isl_seq_neg(eq, eq, 1 + total);
1693                                 update_constraint(hull->ctx, table,
1694                                                             eq, total, n, 0);
1695                         }
1696                 }
1697                 for (i = 0; i < set->p[s]->n_ineq; ++i) {
1698                         isl_int *ineq = set->p[s]->ineq[i];
1699                         update_constraint(hull->ctx, table, ineq, total, n,
1700                                 set->p[s]->n_eq == 0);
1701                 }
1702                 ++n;
1703         }
1704
1705         for (i = 0; i < min_constraints; ++i) {
1706                 if (constraints[i].count < n)
1707                         continue;
1708                 if (!constraints[i].ineq)
1709                         continue;
1710                 j = isl_basic_set_alloc_inequality(hull);
1711                 if (j < 0)
1712                         goto error;
1713                 isl_seq_cpy(hull->ineq[j], constraints[i].c->row[0], 1 + total);
1714         }
1715
1716         for (s = 0; s < set->n; ++s) {
1717                 if (set->p[s]->n_eq)
1718                         continue;
1719                 if (set->p[s]->n_ineq != hull->n_ineq)
1720                         continue;
1721                 for (i = 0; i < set->p[s]->n_ineq; ++i) {
1722                         isl_int *ineq = set->p[s]->ineq[i];
1723                         if (!has_constraint(hull->ctx, table, ineq, total, n))
1724                                 break;
1725                 }
1726                 if (i == set->p[s]->n_ineq)
1727                         *is_hull = 1;
1728         }
1729
1730         isl_hash_table_clear(table);
1731         for (i = 0; i < min_constraints; ++i)
1732                 isl_mat_free(constraints[i].c);
1733         free(constraints);
1734         free(table);
1735         return hull;
1736 error:
1737         isl_hash_table_clear(table);
1738         free(table);
1739         if (constraints)
1740                 for (i = 0; i < min_constraints; ++i)
1741                         isl_mat_free(constraints[i].c);
1742         free(constraints);
1743         return hull;
1744 }
1745
1746 /* Create a template for the convex hull of "set" and fill it up
1747  * obvious facet constraints, if any.  If the result happens to
1748  * be the convex hull of "set" then *is_hull is set to 1.
1749  */
1750 static struct isl_basic_set *proto_hull(struct isl_set *set, int *is_hull)
1751 {
1752         struct isl_basic_set *hull;
1753         unsigned n_ineq;
1754         int i;
1755
1756         n_ineq = 1;
1757         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
1758                 n_ineq += set->p[i]->n_eq;
1759                 n_ineq += set->p[i]->n_ineq;
1760         }
1761         hull = isl_basic_set_alloc_dim(isl_dim_copy(set->dim), 0, 0, n_ineq);
1762         hull = isl_basic_set_set_rational(hull);
1763         if (!hull)
1764                 return NULL;
1765         return common_constraints(hull, set, is_hull);
1766 }
1767
1768 static struct isl_basic_set *uset_convex_hull_wrap(struct isl_set *set)
1769 {
1770         struct isl_basic_set *hull;
1771         int is_hull;
1772
1773         hull = proto_hull(set, &is_hull);
1774         if (hull && !is_hull) {
1775                 if (hull->n_ineq == 0)
1776                         hull = initial_hull(hull, set);
1777                 hull = extend(hull, set);
1778         }
1779         isl_set_free(set);
1780
1781         return hull;
1782 }
1783
1784 /* Compute the convex hull of a set without any parameters or
1785  * integer divisions.  Depending on whether the set is bounded,
1786  * we pass control to the wrapping based convex hull or
1787  * the Fourier-Motzkin elimination based convex hull.
1788  * We also handle a few special cases before checking the boundedness.
1789  */
1790 static struct isl_basic_set *uset_convex_hull(struct isl_set *set)
1791 {
1792         struct isl_basic_set *convex_hull = NULL;
1793         struct isl_basic_set *lin;
1794
1795         if (isl_set_n_dim(set) == 0)
1796                 return convex_hull_0d(set);
1797
1798         set = isl_set_coalesce(set);
1799         set = isl_set_set_rational(set);
1800
1801         if (!set)
1802                 goto error;
1803         if (!set)
1804                 return NULL;
1805         if (set->n == 1) {
1806                 convex_hull = isl_basic_set_copy(set->p[0]);
1807                 isl_set_free(set);
1808                 return convex_hull;
1809         }
1810         if (isl_set_n_dim(set) == 1)
1811                 return convex_hull_1d(set);
1812
1813         if (isl_set_is_bounded(set) &&
1814             set->ctx->opt->convex == ISL_CONVEX_HULL_WRAP)
1815                 return uset_convex_hull_wrap(set);
1816
1817         lin = uset_combined_lineality_space(isl_set_copy(set));
1818         if (!lin)
1819                 goto error;
1820         if (isl_basic_set_is_universe(lin)) {
1821                 isl_set_free(set);
1822                 return lin;
1823         }
1824         if (lin->n_eq < isl_basic_set_total_dim(lin))
1825                 return modulo_lineality(set, lin);
1826         isl_basic_set_free(lin);
1827
1828         return uset_convex_hull_unbounded(set);
1829 error:
1830         isl_set_free(set);
1831         isl_basic_set_free(convex_hull);
1832         return NULL;
1833 }
1834
1835 /* This is the core procedure, where "set" is a "pure" set, i.e.,
1836  * without parameters or divs and where the convex hull of set is
1837  * known to be full-dimensional.
1838  */
1839 static struct isl_basic_set *uset_convex_hull_wrap_bounded(struct isl_set *set)
1840 {
1841         struct isl_basic_set *convex_hull = NULL;
1842
1843         if (!set)
1844                 goto error;
1845
1846         if (isl_set_n_dim(set) == 0) {
1847                 convex_hull = isl_basic_set_universe(isl_dim_copy(set->dim));
1848                 isl_set_free(set);
1849                 convex_hull = isl_basic_set_set_rational(convex_hull);
1850                 return convex_hull;
1851         }
1852
1853         set = isl_set_set_rational(set);
1854         set = isl_set_coalesce(set);
1855         if (!set)
1856                 goto error;
1857         if (set->n == 1) {
1858                 convex_hull = isl_basic_set_copy(set->p[0]);
1859                 isl_set_free(set);
1860                 return convex_hull;
1861         }
1862         if (isl_set_n_dim(set) == 1)
1863                 return convex_hull_1d(set);
1864
1865         return uset_convex_hull_wrap(set);
1866 error:
1867         isl_set_free(set);
1868         return NULL;
1869 }
1870
1871 /* Compute the convex hull of set "set" with affine hull "affine_hull",
1872  * We first remove the equalities (transforming the set), compute the
1873  * convex hull of the transformed set and then add the equalities back
1874  * (after performing the inverse transformation.
1875  */
1876 static struct isl_basic_set *modulo_affine_hull(
1877         struct isl_set *set, struct isl_basic_set *affine_hull)
1878 {
1879         struct isl_mat *T;
1880         struct isl_mat *T2;
1881         struct isl_basic_set *dummy;
1882         struct isl_basic_set *convex_hull;
1883
1884         dummy = isl_basic_set_remove_equalities(
1885                         isl_basic_set_copy(affine_hull), &T, &T2);
1886         if (!dummy)
1887                 goto error;
1888         isl_basic_set_free(dummy);
1889         set = isl_set_preimage(set, T);
1890         convex_hull = uset_convex_hull(set);
1891         convex_hull = isl_basic_set_preimage(convex_hull, T2);
1892         convex_hull = isl_basic_set_intersect(convex_hull, affine_hull);
1893         return convex_hull;
1894 error:
1895         isl_basic_set_free(affine_hull);
1896         isl_set_free(set);
1897         return NULL;
1898 }
1899
1900 /* Compute the convex hull of a map.
1901  *
1902  * The implementation was inspired by "Extended Convex Hull" by Fukuda et al.,
1903  * specifically, the wrapping of facets to obtain new facets.
1904  */
1905 struct isl_basic_map *isl_map_convex_hull(struct isl_map *map)
1906 {
1907         struct isl_basic_set *bset;
1908         struct isl_basic_map *model = NULL;
1909         struct isl_basic_set *affine_hull = NULL;
1910         struct isl_basic_map *convex_hull = NULL;
1911         struct isl_set *set = NULL;
1912         struct isl_ctx *ctx;
1913
1914         if (!map)
1915                 goto error;
1916
1917         ctx = map->ctx;
1918         if (map->n == 0) {
1919                 convex_hull = isl_basic_map_empty_like_map(map);
1920                 isl_map_free(map);
1921                 return convex_hull;
1922         }
1923
1924         map = isl_map_detect_equalities(map);
1925         map = isl_map_align_divs(map);
1926         if (!map)
1927                 goto error;
1928         model = isl_basic_map_copy(map->p[0]);
1929         set = isl_map_underlying_set(map);
1930         if (!set)
1931                 goto error;
1932
1933         affine_hull = isl_set_affine_hull(isl_set_copy(set));
1934         if (!affine_hull)
1935                 goto error;
1936         if (affine_hull->n_eq != 0)
1937                 bset = modulo_affine_hull(set, affine_hull);
1938         else {
1939                 isl_basic_set_free(affine_hull);
1940                 bset = uset_convex_hull(set);
1941         }
1942
1943         convex_hull = isl_basic_map_overlying_set(bset, model);
1944         if (!convex_hull)
1945                 return NULL;
1946
1947         ISL_F_SET(convex_hull, ISL_BASIC_MAP_NO_IMPLICIT);
1948         ISL_F_SET(convex_hull, ISL_BASIC_MAP_ALL_EQUALITIES);
1949         ISL_F_CLR(convex_hull, ISL_BASIC_MAP_RATIONAL);
1950         return convex_hull;
1951 error:
1952         isl_set_free(set);
1953         isl_basic_map_free(model);
1954         return NULL;
1955 }
1956
1957 struct isl_basic_set *isl_set_convex_hull(struct isl_set *set)
1958 {
1959         return (struct isl_basic_set *)
1960                 isl_map_convex_hull((struct isl_map *)set);
1961 }
1962
1963 __isl_give isl_basic_map *isl_map_polyhedral_hull(__isl_take isl_map *map)
1964 {
1965         isl_basic_map *hull;
1966
1967         hull = isl_map_convex_hull(map);
1968         return isl_basic_map_remove_divs(hull);
1969 }
1970
1971 __isl_give isl_basic_set *isl_set_polyhedral_hull(__isl_take isl_set *set)
1972 {
1973         return (isl_basic_set *)isl_map_polyhedral_hull((isl_map *)set);
1974 }
1975
1976 struct sh_data_entry {
1977         struct isl_hash_table   *table;
1978         struct isl_tab          *tab;
1979 };
1980
1981 /* Holds the data needed during the simple hull computation.
1982  * In particular,
1983  *      n               the number of basic sets in the original set
1984  *      hull_table      a hash table of already computed constraints
1985  *                      in the simple hull
1986  *      p               for each basic set,
1987  *              table           a hash table of the constraints
1988  *              tab             the tableau corresponding to the basic set
1989  */
1990 struct sh_data {
1991         struct isl_ctx          *ctx;
1992         unsigned                n;
1993         struct isl_hash_table   *hull_table;
1994         struct sh_data_entry    p[1];
1995 };
1996
1997 static void sh_data_free(struct sh_data *data)
1998 {
1999         int i;
2000
2001         if (!data)
2002                 return;
2003         isl_hash_table_free(data->ctx, data->hull_table);
2004         for (i = 0; i < data->n; ++i) {
2005                 isl_hash_table_free(data->ctx, data->p[i].table);
2006                 isl_tab_free(data->p[i].tab);
2007         }
2008         free(data);
2009 }
2010
2011 struct ineq_cmp_data {
2012         unsigned        len;
2013         isl_int         *p;
2014 };
2015
2016 static int has_ineq(const void *entry, const void *val)
2017 {
2018         isl_int *row = (isl_int *)entry;
2019         struct ineq_cmp_data *v = (struct ineq_cmp_data *)val;
2020
2021         return isl_seq_eq(row + 1, v->p + 1, v->len) ||
2022                isl_seq_is_neg(row + 1, v->p + 1, v->len);
2023 }
2024
2025 static int hash_ineq(struct isl_ctx *ctx, struct isl_hash_table *table,
2026                         isl_int *ineq, unsigned len)
2027 {
2028         uint32_t c_hash;
2029         struct ineq_cmp_data v;
2030         struct isl_hash_table_entry *entry;
2031
2032         v.len = len;
2033         v.p = ineq;
2034         c_hash = isl_seq_get_hash(ineq + 1, len);
2035         entry = isl_hash_table_find(ctx, table, c_hash, has_ineq, &v, 1);
2036         if (!entry)
2037                 return - 1;
2038         entry->data = ineq;
2039         return 0;
2040 }
2041
2042 /* Fill hash table "table" with the constraints of "bset".
2043  * Equalities are added as two inequalities.
2044  * The value in the hash table is a pointer to the (in)equality of "bset".
2045  */
2046 static int hash_basic_set(struct isl_hash_table *table,
2047                                 struct isl_basic_set *bset)
2048 {
2049         int i, j;
2050         unsigned dim = isl_basic_set_total_dim(bset);
2051
2052         for (i = 0; i < bset->n_eq; ++i) {
2053                 for (j = 0; j < 2; ++j) {
2054                         isl_seq_neg(bset->eq[i], bset->eq[i], 1 + dim);
2055                         if (hash_ineq(bset->ctx, table, bset->eq[i], dim) < 0)
2056                                 return -1;
2057                 }
2058         }
2059         for (i = 0; i < bset->n_ineq; ++i) {
2060                 if (hash_ineq(bset->ctx, table, bset->ineq[i], dim) < 0)
2061                         return -1;
2062         }
2063         return 0;
2064 }
2065
2066 static struct sh_data *sh_data_alloc(struct isl_set *set, unsigned n_ineq)
2067 {
2068         struct sh_data *data;
2069         int i;
2070
2071         data = isl_calloc(set->ctx, struct sh_data,
2072                 sizeof(struct sh_data) +
2073                 (set->n - 1) * sizeof(struct sh_data_entry));
2074         if (!data)
2075                 return NULL;
2076         data->ctx = set->ctx;
2077         data->n = set->n;
2078         data->hull_table = isl_hash_table_alloc(set->ctx, n_ineq);
2079         if (!data->hull_table)
2080                 goto error;
2081         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
2082                 data->p[i].table = isl_hash_table_alloc(set->ctx,
2083                                     2 * set->p[i]->n_eq + set->p[i]->n_ineq);
2084                 if (!data->p[i].table)
2085                         goto error;
2086                 if (hash_basic_set(data->p[i].table, set->p[i]) < 0)
2087                         goto error;
2088         }
2089         return data;
2090 error:
2091         sh_data_free(data);
2092         return NULL;
2093 }
2094
2095 /* Check if inequality "ineq" is a bound for basic set "j" or if
2096  * it can be relaxed (by increasing the constant term) to become
2097  * a bound for that basic set.  In the latter case, the constant
2098  * term is updated.
2099  * Return 1 if "ineq" is a bound
2100  *        0 if "ineq" may attain arbitrarily small values on basic set "j"
2101  *       -1 if some error occurred
2102  */
2103 static int is_bound(struct sh_data *data, struct isl_set *set, int j,
2104                         isl_int *ineq)
2105 {
2106         enum isl_lp_result res;
2107         isl_int opt;
2108
2109         if (!data->p[j].tab) {
2110                 data->p[j].tab = isl_tab_from_basic_set(set->p[j]);
2111                 if (!data->p[j].tab)
2112                         return -1;
2113         }
2114
2115         isl_int_init(opt);
2116
2117         res = isl_tab_min(data->p[j].tab, ineq, data->ctx->one,
2118                                 &opt, NULL, 0);
2119         if (res == isl_lp_ok && isl_int_is_neg(opt))
2120                 isl_int_sub(ineq[0], ineq[0], opt);
2121
2122         isl_int_clear(opt);
2123
2124         return (res == isl_lp_ok || res == isl_lp_empty) ? 1 :
2125                res == isl_lp_unbounded ? 0 : -1;
2126 }
2127
2128 /* Check if inequality "ineq" from basic set "i" can be relaxed to
2129  * become a bound on the whole set.  If so, add the (relaxed) inequality
2130  * to "hull".
2131  *
2132  * We first check if "hull" already contains a translate of the inequality.
2133  * If so, we are done.
2134  * Then, we check if any of the previous basic sets contains a translate
2135  * of the inequality.  If so, then we have already considered this
2136  * inequality and we are done.
2137  * Otherwise, for each basic set other than "i", we check if the inequality
2138  * is a bound on the basic set.
2139  * For previous basic sets, we know that they do not contain a translate
2140  * of the inequality, so we directly call is_bound.
2141  * For following basic sets, we first check if a translate of the
2142  * inequality appears in its description and if so directly update
2143  * the inequality accordingly.
2144  */
2145 static struct isl_basic_set *add_bound(struct isl_basic_set *hull,
2146         struct sh_data *data, struct isl_set *set, int i, isl_int *ineq)
2147 {
2148         uint32_t c_hash;
2149         struct ineq_cmp_data v;
2150         struct isl_hash_table_entry *entry;
2151         int j, k;
2152
2153         if (!hull)
2154                 return NULL;
2155
2156         v.len = isl_basic_set_total_dim(hull);
2157         v.p = ineq;
2158         c_hash = isl_seq_get_hash(ineq + 1, v.len);
2159
2160         entry = isl_hash_table_find(hull->ctx, data->hull_table, c_hash,
2161                                         has_ineq, &v, 0);
2162         if (entry)
2163                 return hull;
2164
2165         for (j = 0; j < i; ++j) {
2166                 entry = isl_hash_table_find(hull->ctx, data->p[j].table,
2167                                                 c_hash, has_ineq, &v, 0);
2168                 if (entry)
2169                         break;
2170         }
2171         if (j < i)
2172                 return hull;
2173
2174         k = isl_basic_set_alloc_inequality(hull);
2175         isl_seq_cpy(hull->ineq[k], ineq, 1 + v.len);
2176         if (k < 0)
2177                 goto error;
2178
2179         for (j = 0; j < i; ++j) {
2180                 int bound;
2181                 bound = is_bound(data, set, j, hull->ineq[k]);
2182                 if (bound < 0)
2183                         goto error;
2184                 if (!bound)
2185                         break;
2186         }
2187         if (j < i) {
2188                 isl_basic_set_free_inequality(hull, 1);
2189                 return hull;
2190         }
2191
2192         for (j = i + 1; j < set->n; ++j) {
2193                 int bound, neg;
2194                 isl_int *ineq_j;
2195                 entry = isl_hash_table_find(hull->ctx, data->p[j].table,
2196                                                 c_hash, has_ineq, &v, 0);
2197                 if (entry) {
2198                         ineq_j = entry->data;
2199                         neg = isl_seq_is_neg(ineq_j + 1,
2200                                              hull->ineq[k] + 1, v.len);
2201                         if (neg)
2202                                 isl_int_neg(ineq_j[0], ineq_j[0]);
2203                         if (isl_int_gt(ineq_j[0], hull->ineq[k][0]))
2204                                 isl_int_set(hull->ineq[k][0], ineq_j[0]);
2205                         if (neg)
2206                                 isl_int_neg(ineq_j[0], ineq_j[0]);
2207                         continue;
2208                 }
2209                 bound = is_bound(data, set, j, hull->ineq[k]);
2210                 if (bound < 0)
2211                         goto error;
2212                 if (!bound)
2213                         break;
2214         }
2215         if (j < set->n) {
2216                 isl_basic_set_free_inequality(hull, 1);
2217                 return hull;
2218         }
2219
2220         entry = isl_hash_table_find(hull->ctx, data->hull_table, c_hash,
2221                                         has_ineq, &v, 1);
2222         if (!entry)
2223                 goto error;
2224         entry->data = hull->ineq[k];
2225
2226         return hull;
2227 error:
2228         isl_basic_set_free(hull);
2229         return NULL;
2230 }
2231
2232 /* Check if any inequality from basic set "i" can be relaxed to
2233  * become a bound on the whole set.  If so, add the (relaxed) inequality
2234  * to "hull".
2235  */
2236 static struct isl_basic_set *add_bounds(struct isl_basic_set *bset,
2237         struct sh_data *data, struct isl_set *set, int i)
2238 {
2239         int j, k;
2240         unsigned dim = isl_basic_set_total_dim(bset);
2241
2242         for (j = 0; j < set->p[i]->n_eq; ++j) {
2243                 for (k = 0; k < 2; ++k) {
2244                         isl_seq_neg(set->p[i]->eq[j], set->p[i]->eq[j], 1+dim);
2245                         bset = add_bound(bset, data, set, i, set->p[i]->eq[j]);
2246                 }
2247         }
2248         for (j = 0; j < set->p[i]->n_ineq; ++j)
2249                 bset = add_bound(bset, data, set, i, set->p[i]->ineq[j]);
2250         return bset;
2251 }
2252
2253 /* Compute a superset of the convex hull of set that is described
2254  * by only translates of the constraints in the constituents of set.
2255  */
2256 static struct isl_basic_set *uset_simple_hull(struct isl_set *set)
2257 {
2258         struct sh_data *data = NULL;
2259         struct isl_basic_set *hull = NULL;
2260         unsigned n_ineq;
2261         int i;
2262
2263         if (!set)
2264                 return NULL;
2265
2266         n_ineq = 0;
2267         for (i = 0; i < set->n; ++i) {
2268                 if (!set->p[i])
2269                         goto error;
2270                 n_ineq += 2 * set->p[i]->n_eq + set->p[i]->n_ineq;
2271         }
2272
2273         hull = isl_basic_set_alloc_dim(isl_dim_copy(set->dim), 0, 0, n_ineq);
2274         if (!hull)
2275                 goto error;
2276
2277         data = sh_data_alloc(set, n_ineq);
2278         if (!data)
2279                 goto error;
2280
2281         for (i = 0; i < set->n; ++i)
2282                 hull = add_bounds(hull, data, set, i);
2283
2284         sh_data_free(data);
2285         isl_set_free(set);
2286
2287         return hull;
2288 error:
2289         sh_data_free(data);
2290         isl_basic_set_free(hull);
2291         isl_set_free(set);
2292         return NULL;
2293 }
2294
2295 /* Compute a superset of the convex hull of map that is described
2296  * by only translates of the constraints in the constituents of map.
2297  */
2298 struct isl_basic_map *isl_map_simple_hull(struct isl_map *map)
2299 {
2300         struct isl_set *set = NULL;
2301         struct isl_basic_map *model = NULL;
2302         struct isl_basic_map *hull;
2303         struct isl_basic_map *affine_hull;
2304         struct isl_basic_set *bset = NULL;
2305
2306         if (!map)
2307                 return NULL;
2308         if (map->n == 0) {
2309                 hull = isl_basic_map_empty_like_map(map);
2310                 isl_map_free(map);
2311                 return hull;
2312         }
2313         if (map->n == 1) {
2314                 hull = isl_basic_map_copy(map->p[0]);
2315                 isl_map_free(map);
2316                 return hull;
2317         }
2318
2319         map = isl_map_detect_equalities(map);
2320         affine_hull = isl_map_affine_hull(isl_map_copy(map));
2321         map = isl_map_align_divs(map);
2322         model = isl_basic_map_copy(map->p[0]);
2323
2324         set = isl_map_underlying_set(map);
2325
2326         bset = uset_simple_hull(set);
2327
2328         hull = isl_basic_map_overlying_set(bset, model);
2329
2330         hull = isl_basic_map_intersect(hull, affine_hull);
2331         hull = isl_basic_map_remove_redundancies(hull);
2332         ISL_F_SET(hull, ISL_BASIC_MAP_NO_IMPLICIT);
2333         ISL_F_SET(hull, ISL_BASIC_MAP_ALL_EQUALITIES);
2334
2335         return hull;
2336 }
2337
2338 struct isl_basic_set *isl_set_simple_hull(struct isl_set *set)
2339 {
2340         return (struct isl_basic_set *)
2341                 isl_map_simple_hull((struct isl_map *)set);
2342 }
2343
2344 /* Given a set "set", return parametric bounds on the dimension "dim".
2345  */
2346 static struct isl_basic_set *set_bounds(struct isl_set *set, int dim)
2347 {
2348         unsigned set_dim = isl_set_dim(set, isl_dim_set);
2349         set = isl_set_copy(set);
2350         set = isl_set_eliminate_dims(set, dim + 1, set_dim - (dim + 1));
2351         set = isl_set_eliminate_dims(set, 0, dim);
2352         return isl_set_convex_hull(set);
2353 }
2354
2355 /* Computes a "simple hull" and then check if each dimension in the
2356  * resulting hull is bounded by a symbolic constant.  If not, the
2357  * hull is intersected with the corresponding bounds on the whole set.
2358  */
2359 struct isl_basic_set *isl_set_bounded_simple_hull(struct isl_set *set)
2360 {
2361         int i, j;
2362         struct isl_basic_set *hull;
2363         unsigned nparam, left;
2364         int removed_divs = 0;
2365
2366         hull = isl_set_simple_hull(isl_set_copy(set));
2367         if (!hull)
2368                 goto error;
2369
2370         nparam = isl_basic_set_dim(hull, isl_dim_param);
2371         for (i = 0; i < isl_basic_set_dim(hull, isl_dim_set); ++i) {
2372                 int lower = 0, upper = 0;
2373                 struct isl_basic_set *bounds;
2374
2375                 left = isl_basic_set_total_dim(hull) - nparam - i - 1;
2376                 for (j = 0; j < hull->n_eq; ++j) {
2377                         if (isl_int_is_zero(hull->eq[j][1 + nparam + i]))
2378                                 continue;
2379                         if (isl_seq_first_non_zero(hull->eq[j]+1+nparam+i+1,
2380                                                     left) == -1)
2381                                 break;
2382                 }
2383                 if (j < hull->n_eq)
2384                         continue;
2385
2386                 for (j = 0; j < hull->n_ineq; ++j) {
2387                         if (isl_int_is_zero(hull->ineq[j][1 + nparam + i]))
2388                                 continue;
2389                         if (isl_seq_first_non_zero(hull->ineq[j]+1+nparam+i+1,
2390                                                     left) != -1 ||
2391                             isl_seq_first_non_zero(hull->ineq[j]+1+nparam,
2392                                                     i) != -1)
2393                                 continue;
2394                         if (isl_int_is_pos(hull->ineq[j][1 + nparam + i]))
2395                                 lower = 1;
2396                         else
2397                                 upper = 1;
2398                         if (lower && upper)
2399                                 break;
2400                 }
2401
2402                 if (lower && upper)
2403                         continue;
2404
2405                 if (!removed_divs) {
2406                         set = isl_set_remove_divs(set);
2407                         if (!set)
2408                                 goto error;
2409                         removed_divs = 1;
2410                 }
2411                 bounds = set_bounds(set, i);
2412                 hull = isl_basic_set_intersect(hull, bounds);
2413                 if (!hull)
2414                         goto error;
2415         }
2416
2417         isl_set_free(set);
2418         return hull;
2419 error:
2420         isl_set_free(set);
2421         return NULL;
2422 }