isl_sample.c

   1 #include "isl_sample.h"
   2 #include "isl_sample_piplib.h"
   3 #include "isl_vec.h"
   4 #include "isl_mat.h"
   5 #include "isl_seq.h"
   6 #include "isl_map_private.h"
   7 #include "isl_equalities.h"
   8 #include "isl_tab.h"
   9 #include "isl_basis_reduction.h"
  10
  11 static struct isl_vec *empty_sample(struct isl_basic_set *bset)
  12 {
  13         struct isl_vec *vec;
  14
  15         vec = isl_vec_alloc(bset->ctx, 0);
  16         isl_basic_set_free(bset);
  17         return vec;
  18 }
  19
  20 /* Construct a zero sample of the same dimension as bset.
  21  * As a special case, if bset is zero-dimensional, this
  22  * function creates a zero-dimensional sample point.
  23  */
  24 static struct isl_vec *zero_sample(struct isl_basic_set *bset)
  25 {
  26         unsigned dim;
  27         struct isl_vec *sample;
  28
  29         dim = isl_basic_set_total_dim(bset);
  30         sample = isl_vec_alloc(bset->ctx, 1 + dim);
  31         if (sample) {
  32                 isl_int_set_si(sample->el[0], 1);
  33                 isl_seq_clr(sample->el + 1, dim);
  34         }
  35         isl_basic_set_free(bset);
  36         return sample;
  37 }
  38
  39 static struct isl_vec *interval_sample(struct isl_basic_set *bset)
  40 {
  41         int i;
  42         isl_int t;
  43         struct isl_vec *sample;
  44
  45         bset = isl_basic_set_simplify(bset);
  46         if (!bset)
  47                 return NULL;
  48         if (isl_basic_set_fast_is_empty(bset))
  49                 return empty_sample(bset);
  50         if (bset->n_eq == 0 && bset->n_ineq == 0)
  51                 return zero_sample(bset);
  52
  53         sample = isl_vec_alloc(bset->ctx, 2);
  54         isl_int_set_si(sample->block.data[0], 1);
  55
  56         if (bset->n_eq > 0) {
  57                 isl_assert(bset->ctx, bset->n_eq == 1, goto error);
  58                 isl_assert(bset->ctx, bset->n_ineq == 0, goto error);
  59                 if (isl_int_is_one(bset->eq[0][1]))
  60                         isl_int_neg(sample->el[1], bset->eq[0][0]);
  61                 else {
  62                         isl_assert(bset->ctx, isl_int_is_negone(bset->eq[0][1]),
  63                                    goto error);
  64                         isl_int_set(sample->el[1], bset->eq[0][0]);
  65                 }
  66                 isl_basic_set_free(bset);
  67                 return sample;
  68         }
  69
  70         isl_int_init(t);
  71         if (isl_int_is_one(bset->ineq[0][1]))
  72                 isl_int_neg(sample->block.data[1], bset->ineq[0][0]);
  73         else
  74                 isl_int_set(sample->block.data[1], bset->ineq[0][0]);
  75         for (i = 1; i < bset->n_ineq; ++i) {
  76                 isl_seq_inner_product(sample->block.data,
  77                                         bset->ineq[i], 2, &t);
  78                 if (isl_int_is_neg(t))
  79                         break;
  80         }
  81         isl_int_clear(t);
  82         if (i < bset->n_ineq) {
  83                 isl_vec_free(sample);
  84                 return empty_sample(bset);
  85         }
  86
  87         isl_basic_set_free(bset);
  88         return sample;
  89 error:
  90         isl_basic_set_free(bset);
  91         isl_vec_free(sample);
  92         return NULL;
  93 }
  94
  95 static struct isl_mat *independent_bounds(struct isl_basic_set *bset)
  96 {
  97         int i, j, n;
  98         struct isl_mat *dirs = NULL;
  99         struct isl_mat *bounds = NULL;
 100         unsigned dim;
 101
 102         if (!bset)
 103                 return NULL;
 104
 105         dim = isl_basic_set_n_dim(bset);
 106         bounds = isl_mat_alloc(bset->ctx, 1+dim, 1+dim);
 107         if (!bounds)
 108                 return NULL;
 109
 110         isl_int_set_si(bounds->row[0][0], 1);
 111         isl_seq_clr(bounds->row[0]+1, dim);
 112         bounds->n_row = 1;
 113
 114         if (bset->n_ineq == 0)
 115                 return bounds;
 116
 117         dirs = isl_mat_alloc(bset->ctx, dim, dim);
 118         if (!dirs) {
 119                 isl_mat_free(bounds);
 120                 return NULL;
 121         }
 122         isl_seq_cpy(dirs->row[0], bset->ineq[0]+1, dirs->n_col);
 123         isl_seq_cpy(bounds->row[1], bset->ineq[0], bounds->n_col);
 124         for (j = 1, n = 1; n < dim && j < bset->n_ineq; ++j) {
 125                 int pos;
 126
 127                 isl_seq_cpy(dirs->row[n], bset->ineq[j]+1, dirs->n_col);
 128
 129                 pos = isl_seq_first_non_zero(dirs->row[n], dirs->n_col);
 130                 if (pos < 0)
 131                         continue;
 132                 for (i = 0; i < n; ++i) {
 133                         int pos_i;
 134                         pos_i = isl_seq_first_non_zero(dirs->row[i], dirs->n_col);
 135                         if (pos_i < pos)
 136                                 continue;
 137                         if (pos_i > pos)
 138                                 break;
 139                         isl_seq_elim(dirs->row[n], dirs->row[i], pos,
 140                                         dirs->n_col, NULL);
 141                         pos = isl_seq_first_non_zero(dirs->row[n], dirs->n_col);
 142                         if (pos < 0)
 143                                 break;
 144                 }
 145                 if (pos < 0)
 146                         continue;
 147                 if (i < n) {
 148                         int k;
 149                         isl_int *t = dirs->row[n];
 150                         for (k = n; k > i; --k)
 151                                 dirs->row[k] = dirs->row[k-1];
 152                         dirs->row[i] = t;
 153                 }
 154                 ++n;
 155                 isl_seq_cpy(bounds->row[n], bset->ineq[j], bounds->n_col);
 156         }
 157         isl_mat_free(dirs);
 158         bounds->n_row = 1+n;
 159         return bounds;
 160 }
 161
 162 static void swap_inequality(struct isl_basic_set *bset, int a, int b)
 163 {
 164         isl_int *t = bset->ineq[a];
 165         bset->ineq[a] = bset->ineq[b];
 166         bset->ineq[b] = t;
 167 }
 168
 169 /* Skew into positive orthant and project out lineality space.
 170  *
 171  * We perform a unimodular transformation that turns a selected
 172  * maximal set of linearly independent bounds into constraints
 173  * on the first dimensions that impose that these first dimensions
 174  * are non-negative.  In particular, the constraint matrix is lower
 175  * triangular with positive entries on the diagonal and negative
 176  * entries below.
 177  * If "bset" has a lineality space then these constraints (and therefore
 178  * all constraints in bset) only involve the first dimensions.
 179  * The remaining dimensions then do not appear in any constraints and
 180  * we can select any value for them, say zero.  We therefore project
 181  * out this final dimensions and plug in the value zero later.  This
 182  * is accomplished by simply dropping the final columns of
 183  * the unimodular transformation.
 184  */
 185 static struct isl_basic_set *isl_basic_set_skew_to_positive_orthant(
 186         struct isl_basic_set *bset, struct isl_mat **T)
 187 {
 188         struct isl_mat *U = NULL;
 189         struct isl_mat *bounds = NULL;
 190         int i, j;
 191         unsigned old_dim, new_dim;
 192
 193         *T = NULL;
 194         if (!bset)
 195                 return NULL;
 196
 197         isl_assert(bset->ctx, isl_basic_set_n_param(bset) == 0, goto error);
 198         isl_assert(bset->ctx, bset->n_div == 0, goto error);
 199         isl_assert(bset->ctx, bset->n_eq == 0, goto error);
 200
 201         old_dim = isl_basic_set_n_dim(bset);
 202         /* Try to move (multiples of) unit rows up. */
 203         for (i = 0, j = 0; i < bset->n_ineq; ++i) {
 204                 int pos = isl_seq_first_non_zero(bset->ineq[i]+1, old_dim);
 205                 if (pos < 0)
 206                         continue;
 207                 if (isl_seq_first_non_zero(bset->ineq[i]+1+pos+1,
 208                                                 old_dim-pos-1) >= 0)
 209                         continue;
 210                 if (i != j)
 211                         swap_inequality(bset, i, j);
 212                 ++j;
 213         }
 214         bounds = independent_bounds(bset);
 215         if (!bounds)
 216                 goto error;
 217         new_dim = bounds->n_row - 1;
 218         bounds = isl_mat_left_hermite(bounds, 1, &U, NULL);
 219         if (!bounds)
 220                 goto error;
 221         U = isl_mat_drop_cols(U, 1 + new_dim, old_dim - new_dim);
 222         bset = isl_basic_set_preimage(bset, isl_mat_copy(U));
 223         if (!bset)
 224                 goto error;
 225         *T = U;
 226         isl_mat_free(bounds);
 227         return bset;
 228 error:
 229         isl_mat_free(bounds);
 230         isl_mat_free(U);
 231         isl_basic_set_free(bset);
 232         return NULL;
 233 }
 234
 235 /* Find a sample integer point, if any, in bset, which is known
 236  * to have equalities.  If bset contains no integer points, then
 237  * return a zero-length vector.
 238  * We simply remove the known equalities, compute a sample
 239  * in the resulting bset, using the specified recurse function,
 240  * and then transform the sample back to the original space.
 241  */
 242 static struct isl_vec *sample_eq(struct isl_basic_set *bset,
 243         struct isl_vec *(*recurse)(struct isl_basic_set *))
 244 {
 245         struct isl_mat *T;
 246         struct isl_vec *sample;
 247
 248         if (!bset)
 249                 return NULL;
 250
 251         bset = isl_basic_set_remove_equalities(bset, &T, NULL);
 252         sample = recurse(bset);
 253         if (!sample || sample->size == 0)
 254                 isl_mat_free(T);
 255         else
 256                 sample = isl_mat_vec_product(T, sample);
 257         return sample;
 258 }
 259
 260 /* Given a basic set "bset" and an affine function "f"/"denom",
 261  * check if bset is bounded and non-empty and if so, return the minimal
 262  * and maximal value attained by the affine function in "min" and "max".
 263  * The minimal value is rounded up to the nearest integer, while the
 264  * maximal value is rounded down.
 265  * The return value indicates whether the set was empty or unbounded.
 266  *
 267  * If we happen to find an integer point while looking for the minimal
 268  * or maximal value, then we record that value in "bset" and return early.
 269  */
 270 static enum isl_lp_result basic_set_range(struct isl_basic_set *bset,
 271         isl_int *f, isl_int denom, isl_int *min, isl_int *max)
 272 {
 273         unsigned dim;
 274         struct isl_tab *tab;
 275         enum isl_lp_result res;
 276
 277         if (!bset)
 278                 return isl_lp_error;
 279         if (isl_basic_set_fast_is_empty(bset))
 280                 return isl_lp_empty;
 281
 282         tab = isl_tab_from_basic_set(bset);
 283         res = isl_tab_min(tab, f, denom, min, NULL, 0);
 284         if (res != isl_lp_ok)
 285                 goto done;
 286
 287         if (isl_tab_sample_is_integer(tab)) {
 288                 isl_vec_free(bset->sample);
 289                 bset->sample = isl_tab_get_sample_value(tab);
 290                 if (!bset->sample)
 291                         goto error;
 292                 isl_int_set(*max, *min);
 293                 goto done;
 294         }
 295
 296         dim = isl_basic_set_total_dim(bset);
 297         isl_seq_neg(f, f, 1 + dim);
 298         res = isl_tab_min(tab, f, denom, max, NULL, 0);
 299         isl_seq_neg(f, f, 1 + dim);
 300         isl_int_neg(*max, *max);
 301
 302         if (isl_tab_sample_is_integer(tab)) {
 303                 isl_vec_free(bset->sample);
 304                 bset->sample = isl_tab_get_sample_value(tab);
 305                 if (!bset->sample)
 306                         goto error;
 307         }
 308
 309 done:
 310         isl_tab_free(tab);
 311         return res;
 312 error:
 313         isl_tab_free(tab);
 314         return isl_lp_error;
 315 }
 316
 317 /* Perform a basis reduction on "bset" and return the inverse of
 318  * the new basis, i.e., an affine mapping from the new coordinates to the old,
 319  * in *T.
 320  */
 321 static struct isl_basic_set *basic_set_reduced(struct isl_basic_set *bset,
 322         struct isl_mat **T)
 323 {
 324         unsigned gbr_only_first;
 325
 326         *T = NULL;
 327         if (!bset)
 328                 return NULL;
 329
 330         gbr_only_first = bset->ctx->gbr_only_first;
 331         bset->ctx->gbr_only_first = bset->ctx->gbr == ISL_GBR_ONCE;
 332         *T = isl_basic_set_reduced_basis(bset);
 333         bset->ctx->gbr_only_first = gbr_only_first;
 334
 335         *T = isl_mat_lin_to_aff(*T);
 336         *T = isl_mat_right_inverse(*T);
 337
 338         bset = isl_basic_set_preimage(bset, isl_mat_copy(*T));
 339         if (!bset)
 340                 goto error;
 341
 342         return bset;
 343 error:
 344         isl_mat_free(*T);
 345         *T = NULL;
 346         return NULL;
 347 }
 348
 349 static struct isl_vec *sample_bounded(struct isl_basic_set *bset);
 350
 351 /* Given a basic set "bset" whose first coordinate ranges between
 352  * "min" and "max", step through all values from min to max, until
 353  * the slice of bset with the first coordinate fixed to one of these
 354  * values contains an integer point.  If such a point is found, return it.
 355  * If none of the slices contains any integer point, then bset itself
 356  * doesn't contain any integer point and an empty sample is returned.
 357  */
 358 static struct isl_vec *sample_scan(struct isl_basic_set *bset,
 359         isl_int min, isl_int max)
 360 {
 361         unsigned total;
 362         struct isl_basic_set *slice = NULL;
 363         struct isl_vec *sample = NULL;
 364         isl_int tmp;
 365
 366         total = isl_basic_set_total_dim(bset);
 367
 368         isl_int_init(tmp);
 369         for (isl_int_set(tmp, min); isl_int_le(tmp, max);
 370              isl_int_add_ui(tmp, tmp, 1)) {
 371                 int k;
 372
 373                 slice = isl_basic_set_copy(bset);
 374                 slice = isl_basic_set_cow(slice);
 375                 slice = isl_basic_set_extend_constraints(slice, 1, 0);
 376                 k = isl_basic_set_alloc_equality(slice);
 377                 if (k < 0)
 378                         goto error;
 379                 isl_int_set(slice->eq[k][0], tmp);
 380                 isl_int_set_si(slice->eq[k][1], -1);
 381                 isl_seq_clr(slice->eq[k] + 2, total - 1);
 382                 slice = isl_basic_set_simplify(slice);
 383                 sample = sample_bounded(slice);
 384                 slice = NULL;
 385                 if (!sample)
 386                         goto error;
 387                 if (sample->size > 0)
 388                         break;
 389                 isl_vec_free(sample);
 390                 sample = NULL;
 391         }
 392         if (!sample)
 393                 sample = empty_sample(bset);
 394         else
 395                 isl_basic_set_free(bset);
 396         isl_int_clear(tmp);
 397         return sample;
 398 error:
 399         isl_basic_set_free(bset);
 400         isl_basic_set_free(slice);
 401         isl_int_clear(tmp);
 402         return NULL;
 403 }
 404
 405 /* Given a basic set that is known to be bounded, find and return
 406  * an integer point in the basic set, if there is any.
 407  *
 408  * After handling some trivial cases, we check the range of the
 409  * first coordinate.  If this coordinate can only attain one integer
 410  * value, we are happy.  Otherwise, we perform basis reduction and
 411  * determine the new range.
 412  *
 413  * Then we step through all possible values in the range in sample_scan.
 414  *
 415  * If any basis reduction was performed, the sample value found, if any,
 416  * is transformed back to the original space.
 417  */
 418 static struct isl_vec *sample_bounded(struct isl_basic_set *bset)
 419 {
 420         unsigned dim;
 421         unsigned gbr;
 422         struct isl_ctx *ctx;
 423         struct isl_vec *sample;
 424         struct isl_vec *obj = NULL;
 425         struct isl_mat *T = NULL;
 426         isl_int min, max;
 427         enum isl_lp_result res;
 428
 429         if (!bset)
 430                 return NULL;
 431
 432         if (isl_basic_set_fast_is_empty(bset))
 433                 return empty_sample(bset);
 434
 435         dim = isl_basic_set_total_dim(bset);
 436         if (dim == 0)
 437                 return zero_sample(bset);
 438         if (dim == 1)
 439                 return interval_sample(bset);
 440         if (bset->n_eq > 0)
 441                 return sample_eq(bset, sample_bounded);
 442
 443         ctx = bset->ctx;
 444         gbr = ctx->gbr;
 445
 446         isl_int_init(min);
 447         isl_int_init(max);
 448         obj = isl_vec_alloc(bset->ctx, 1 + dim);
 449         if (!obj)
 450                 goto error;
 451         isl_seq_clr(obj->el, 1+ dim);
 452         isl_int_set_si(obj->el[1], 1);
 453
 454         res = basic_set_range(bset, obj->el, bset->ctx->one, &min, &max);
 455         if (res == isl_lp_error)
 456                 goto error;
 457         isl_assert(bset->ctx, res != isl_lp_unbounded, goto error);
 458         if (bset->sample) {
 459                 sample = isl_vec_copy(bset->sample);
 460                 isl_basic_set_free(bset);
 461                 goto out;
 462         }
 463         if (res == isl_lp_empty || isl_int_lt(max, min)) {
 464                 sample = empty_sample(bset);
 465                 goto out;
 466         }
 467
 468         if (ctx->gbr != ISL_GBR_NEVER && isl_int_ne(min, max)) {
 469                 if (ctx->gbr == ISL_GBR_ONCE)
 470                         ctx->gbr = ISL_GBR_NEVER;
 471
 472                 bset = basic_set_reduced(bset, &T);
 473                 if (!bset)
 474                         goto error;
 475
 476                 res = basic_set_range(bset, obj->el, bset->ctx->one, &min, &max);
 477                 if (res == isl_lp_error)
 478                         goto error;
 479                 isl_assert(bset->ctx, res != isl_lp_unbounded, goto error);
 480                 if (bset->sample) {
 481                         sample = isl_vec_copy(bset->sample);
 482                         isl_basic_set_free(bset);
 483                         goto out;
 484                 }
 485                 if (res == isl_lp_empty || isl_int_lt(max, min)) {
 486                         sample = empty_sample(bset);
 487                         goto out;
 488                 }
 489         }
 490
 491         sample = sample_scan(bset, min, max);
 492 out:
 493         if (T) {
 494                 if (!sample || sample->size == 0)
 495                         isl_mat_free(T);
 496                 else
 497                         sample = isl_mat_vec_product(T, sample);
 498         }
 499         isl_vec_free(obj);
 500         isl_int_clear(min);
 501         isl_int_clear(max);
 502         ctx->gbr = gbr;
 503         return sample;
 504 error:
 505         ctx->gbr = gbr;
 506         isl_mat_free(T);
 507         isl_basic_set_free(bset);
 508         isl_vec_free(obj);
 509         isl_int_clear(min);
 510         isl_int_clear(max);
 511         return NULL;
 512 }
 513
 514 /* Given a basic set "bset" and a value "sample" for the first coordinates
 515  * of bset, plug in these values and drop the corresponding coordinates.
 516  *
 517  * We do this by computing the preimage of the transformation
 518  *
 519  *           [ 1 0 ]
 520  *      x =  [ s 0 ] x'
 521  *           [ 0 I ]
 522  *
 523  * where [1 s] is the sample value and I is the identity matrix of the
 524  * appropriate dimension.
 525  */
 526 static struct isl_basic_set *plug_in(struct isl_basic_set *bset,
 527         struct isl_vec *sample)
 528 {
 529         int i;
 530         unsigned total;
 531         struct isl_mat *T;
 532
 533         if (!bset || !sample)
 534                 goto error;
 535
 536         total = isl_basic_set_total_dim(bset);
 537         T = isl_mat_alloc(bset->ctx, 1 + total, 1 + total - (sample->size - 1));
 538         if (!T)
 539                 goto error;
 540
 541         for (i = 0; i < sample->size; ++i) {
 542                 isl_int_set(T->row[i][0], sample->el[i]);
 543                 isl_seq_clr(T->row[i] + 1, T->n_col - 1);
 544         }
 545         for (i = 0; i < T->n_col - 1; ++i) {
 546                 isl_seq_clr(T->row[sample->size + i], T->n_col);
 547                 isl_int_set_si(T->row[sample->size + i][1 + i], 1);
 548         }
 549         isl_vec_free(sample);
 550
 551         bset = isl_basic_set_preimage(bset, T);
 552         return bset;
 553 error:
 554         isl_basic_set_free(bset);
 555         isl_vec_free(sample);
 556         return NULL;
 557 }
 558
 559 /* Given a basic set "bset", return any (possibly non-integer) point
 560  * in the basic set.
 561  */
 562 static struct isl_vec *rational_sample(struct isl_basic_set *bset)
 563 {
 564         struct isl_tab *tab;
 565         struct isl_vec *sample;
 566
 567         if (!bset)
 568                 return NULL;
 569
 570         tab = isl_tab_from_basic_set(bset);
 571         sample = isl_tab_get_sample_value(tab);
 572         isl_tab_free(tab);
 573
 574         isl_basic_set_free(bset);
 575
 576         return sample;
 577 }
 578
 579 /* Given a linear cone "cone" and a rational point "vec",
 580  * construct a polyhedron with shifted copies of the constraints in "cone",
 581  * i.e., a polyhedron with "cone" as its recession cone, such that each
 582  * point x in this polyhedron is such that the unit box positioned at x
 583  * lies entirely inside the affine cone 'vec + cone'.
 584  * Any rational point in this polyhedron may therefore be rounded up
 585  * to yield an integer point that lies inside said affine cone.
 586  *
 587  * Denote the constraints of cone by "<a_i, x> >= 0" and the rational
 588  * point "vec" by v/d.
 589  * Let b_i = <a_i, v>.  Then the affine cone 'vec + cone' is given
 590  * by <a_i, x> - b/d >= 0.
 591  * The polyhedron <a_i, x> - ceil{b/d} >= 0 is a subset of this affine cone.
 592  * We prefer this polyhedron over the actual affine cone because it doesn't
 593  * require a scaling of the constraints.
 594  * If each of the vertices of the unit cube positioned at x lies inside
 595  * this polyhedron, then the whole unit cube at x lies inside the affine cone.
 596  * We therefore impose that x' = x + \sum e_i, for any selection of unit
 597  * vectors lies inside the polyhedron, i.e.,
 598  *
 599  *      <a_i, x'> - ceil{b/d} = <a_i, x> + sum a_i - ceil{b/d} >= 0
 600  *
 601  * The most stringent of these constraints is the one that selects
 602  * all negative a_i, so the polyhedron we are looking for has constraints
 603  *
 604  *      <a_i, x> + sum_{a_i < 0} a_i - ceil{b/d} >= 0
 605  *
 606  * Note that if cone were known to have only non-negative rays
 607  * (which can be accomplished by a unimodular transformation),
 608  * then we would only have to check the points x' = x + e_i
 609  * and we only have to add the smallest negative a_i (if any)
 610  * instead of the sum of all negative a_i.
 611  */
 612 static struct isl_basic_set *shift_cone(struct isl_basic_set *cone,
 613         struct isl_vec *vec)
 614 {
 615         int i, j, k;
 616         unsigned total;
 617
 618         struct isl_basic_set *shift = NULL;
 619
 620         if (!cone || !vec)
 621                 goto error;
 622
 623         isl_assert(cone->ctx, cone->n_eq == 0, goto error);
 624
 625         total = isl_basic_set_total_dim(cone);
 626
 627         shift = isl_basic_set_alloc_dim(isl_basic_set_get_dim(cone),
 628                                         0, 0, cone->n_ineq);
 629
 630         for (i = 0; i < cone->n_ineq; ++i) {
 631                 k = isl_basic_set_alloc_inequality(shift);
 632                 if (k < 0)
 633                         goto error;
 634                 isl_seq_cpy(shift->ineq[k] + 1, cone->ineq[i] + 1, total);
 635                 isl_seq_inner_product(shift->ineq[k] + 1, vec->el + 1, total,
 636                                       &shift->ineq[k][0]);
 637                 isl_int_cdiv_q(shift->ineq[k][0],
 638                                shift->ineq[k][0], vec->el[0]);
 639                 isl_int_neg(shift->ineq[k][0], shift->ineq[k][0]);
 640                 for (j = 0; j < total; ++j) {
 641                         if (isl_int_is_nonneg(shift->ineq[k][1 + j]))
 642                                 continue;
 643                         isl_int_add(shift->ineq[k][0],
 644                                     shift->ineq[k][0], shift->ineq[k][1 + j]);
 645                 }
 646         }
 647
 648         isl_basic_set_free(cone);
 649         isl_vec_free(vec);
 650
 651         return isl_basic_set_finalize(shift);
 652 error:
 653         isl_basic_set_free(shift);
 654         isl_basic_set_free(cone);
 655         isl_vec_free(vec);
 656         return NULL;
 657 }
 658
 659 /* Given a rational point vec in a (transformed) basic set,
 660  * such that cone is the recession cone of the original basic set,
 661  * "round up" the rational point to an integer point.
 662  *
 663  * We first check if the rational point just happens to be integer.
 664  * If not, we transform the cone in the same way as the basic set,
 665  * pick a point x in this cone shifted to the rational point such that
 666  * the whole unit cube at x is also inside this affine cone.
 667  * Then we simply round up the coordinates of x and return the
 668  * resulting integer point.
 669  */
 670 static struct isl_vec *round_up_in_cone(struct isl_vec *vec,
 671         struct isl_basic_set *cone, struct isl_mat *U)
 672 {
 673         unsigned total;
 674
 675         if (!vec || !cone || !U)
 676                 goto error;
 677
 678         isl_assert(vec->ctx, vec->size != 0, goto error);
 679         if (isl_int_is_one(vec->el[0])) {
 680                 isl_mat_free(U);
 681                 isl_basic_set_free(cone);
 682                 return vec;
 683         }
 684
 685         total = isl_basic_set_total_dim(cone);
 686         cone = isl_basic_set_preimage(cone, U);
 687         cone = isl_basic_set_remove_dims(cone, 0, total - (vec->size - 1));
 688
 689         cone = shift_cone(cone, vec);
 690
 691         vec = rational_sample(cone);
 692         vec = isl_vec_ceil(vec);
 693         return vec;
 694 error:
 695         isl_mat_free(U);
 696         isl_vec_free(vec);
 697         isl_basic_set_free(cone);
 698         return NULL;
 699 }
 700
 701 /* Concatenate two integer vectors, i.e., two vectors with denominator
 702  * (stored in element 0) equal to 1.
 703  */
 704 static struct isl_vec *vec_concat(struct isl_vec *vec1, struct isl_vec *vec2)
 705 {
 706         struct isl_vec *vec;
 707
 708         if (!vec1 || !vec2)
 709                 goto error;
 710         isl_assert(vec1->ctx, vec1->size > 0, goto error);
 711         isl_assert(vec2->ctx, vec2->size > 0, goto error);
 712         isl_assert(vec1->ctx, isl_int_is_one(vec1->el[0]), goto error);
 713         isl_assert(vec2->ctx, isl_int_is_one(vec2->el[0]), goto error);
 714
 715         vec = isl_vec_alloc(vec1->ctx, vec1->size + vec2->size - 1);
 716         if (!vec)
 717                 goto error;
 718
 719         isl_seq_cpy(vec->el, vec1->el, vec1->size);
 720         isl_seq_cpy(vec->el + vec1->size, vec2->el + 1, vec2->size - 1);
 721
 722         isl_vec_free(vec1);
 723         isl_vec_free(vec2);
 724
 725         return vec;
 726 error:
 727         isl_vec_free(vec1);
 728         isl_vec_free(vec2);
 729         return NULL;
 730 }
 731
 732 /* Drop all constraints in bset that involve any of the dimensions
 733  * first to first+n-1.
 734  */
 735 static struct isl_basic_set *drop_constraints_involving
 736         (struct isl_basic_set *bset, unsigned first, unsigned n)
 737 {
 738         int i;
 739
 740         if (!bset)
 741                 return NULL;
 742
 743         bset = isl_basic_set_cow(bset);
 744
 745         for (i = bset->n_ineq - 1; i >= 0; --i) {
 746                 if (isl_seq_first_non_zero(bset->ineq[i] + 1 + first, n) == -1)
 747                         continue;
 748                 isl_basic_set_drop_inequality(bset, i);
 749         }
 750
 751         return bset;
 752 }
 753
 754 /* Give a basic set "bset" with recession cone "cone", compute and
 755  * return an integer point in bset, if any.
 756  *
 757  * If the recession cone is full-dimensional, then we know that
 758  * bset contains an infinite number of integer points and it is
 759  * fairly easy to pick one of them.
 760  * If the recession cone is not full-dimensional, then we first
 761  * transform bset such that the bounded directions appear as
 762  * the first dimensions of the transformed basic set.
 763  * We do this by using a unimodular transformation that transforms
 764  * the equalities in the recession cone to equalities on the first
 765  * dimensions.
 766  *
 767  * The transformed set is then projected onto its bounded dimensions.
 768  * Note that to compute this projection, we can simply drop all constraints
 769  * involving any of the unbounded dimensions since these constraints
 770  * cannot be combined to produce a constraint on the bounded dimensions.
 771  * To see this, assume that there is such a combination of constraints
 772  * that produces a constraint on the bounded dimensions.  This means
 773  * that some combination of the unbounded dimensions has both an upper
 774  * bound and a lower bound in terms of the bounded dimensions, but then
 775  * this combination would be a bounded direction too and would have been
 776  * transformed into a bounded dimensions.
 777  *
 778  * We then compute a sample value in the bounded dimensions.
 779  * If no such value can be found, then the original set did not contain
 780  * any integer points and we are done.
 781  * Otherwise, we plug in the value we found in the bounded dimensions,
 782  * project out these bounded dimensions and end up with a set with
 783  * a full-dimensional recession cone.
 784  * A sample point in this set is computed by "rounding up" any
 785  * rational point in the set.
 786  *
 787  * The sample points in the bounded and unbounded dimensions are
 788  * then combined into a single sample point and transformed back
 789  * to the original space.
 790  */
 791 static struct isl_vec *sample_with_cone(struct isl_basic_set *bset,
 792         struct isl_basic_set *cone)
 793 {
 794         unsigned total;
 795         unsigned cone_dim;
 796         struct isl_mat *M, *U;
 797         struct isl_vec *sample;
 798         struct isl_vec *cone_sample;
 799         struct isl_ctx *ctx;
 800         struct isl_basic_set *bounded;
 801
 802         if (!bset || !cone)
 803                 goto error;
 804
 805         ctx = bset->ctx;
 806         total = isl_basic_set_total_dim(cone);
 807         cone_dim = total - cone->n_eq;
 808
 809         M = isl_mat_sub_alloc(bset->ctx, cone->eq, 0, cone->n_eq, 1, total);
 810         M = isl_mat_left_hermite(M, 0, &U, NULL);
 811         if (!M)
 812                 goto error;
 813         isl_mat_free(M);
 814
 815         U = isl_mat_lin_to_aff(U);
 816         bset = isl_basic_set_preimage(bset, isl_mat_copy(U));
 817
 818         bounded = isl_basic_set_copy(bset);
 819         bounded = drop_constraints_involving(bounded, total - cone_dim, cone_dim);
 820         bounded = isl_basic_set_drop_dims(bounded, total - cone_dim, cone_dim);
 821         sample = sample_bounded(bounded);
 822         if (!sample || sample->size == 0) {
 823                 isl_basic_set_free(bset);
 824                 isl_basic_set_free(cone);
 825                 isl_mat_free(U);
 826                 return sample;
 827         }
 828         bset = plug_in(bset, isl_vec_copy(sample));
 829         cone_sample = rational_sample(bset);
 830         cone_sample = round_up_in_cone(cone_sample, cone, isl_mat_copy(U));
 831         sample = vec_concat(sample, cone_sample);
 832         sample = isl_mat_vec_product(U, sample);
 833         return sample;
 834 error:
 835         isl_basic_set_free(cone);
 836         isl_basic_set_free(bset);
 837         return NULL;
 838 }
 839
 840 /* Compute and return a sample point in bset using generalized basis
 841  * reduction.  We first check if the input set has a non-trivial
 842  * recession cone.  If so, we perform some extra preprocessing in
 843  * sample_with_cone.  Otherwise, we directly perform generalized basis
 844  * reduction.
 845  */
 846 static struct isl_vec *gbr_sample(struct isl_basic_set *bset)
 847 {
 848         unsigned dim;
 849         struct isl_basic_set *cone;
 850
 851         dim = isl_basic_set_total_dim(bset);
 852
 853         cone = isl_basic_set_recession_cone(isl_basic_set_copy(bset));
 854
 855         if (cone->n_eq < dim)
 856                 return sample_with_cone(bset, cone);
 857
 858         isl_basic_set_free(cone);
 859         return sample_bounded(bset);
 860 }
 861
 862 static struct isl_vec *pip_sample(struct isl_basic_set *bset)
 863 {
 864         struct isl_mat *T;
 865         struct isl_ctx *ctx;
 866         struct isl_vec *sample;
 867
 868         bset = isl_basic_set_skew_to_positive_orthant(bset, &T);
 869         if (!bset)
 870                 return NULL;
 871
 872         ctx = bset->ctx;
 873         sample = isl_pip_basic_set_sample(bset);
 874
 875         if (sample && sample->size != 0)
 876                 sample = isl_mat_vec_product(T, sample);
 877         else
 878                 isl_mat_free(T);
 879
 880         return sample;
 881 }
 882
 883 static struct isl_vec *basic_set_sample(struct isl_basic_set *bset, int bounded)
 884 {
 885         struct isl_ctx *ctx;
 886         unsigned dim;
 887         if (!bset)
 888                 return NULL;
 889
 890         ctx = bset->ctx;
 891         if (isl_basic_set_fast_is_empty(bset))
 892                 return empty_sample(bset);
 893
 894         dim = isl_basic_set_n_dim(bset);
 895         isl_assert(ctx, isl_basic_set_n_param(bset) == 0, goto error);
 896         isl_assert(ctx, bset->n_div == 0, goto error);
 897
 898         if (bset->sample && bset->sample->size == 1 + dim) {
 899                 int contains = isl_basic_set_contains(bset, bset->sample);
 900                 if (contains < 0)
 901                         goto error;
 902                 if (contains) {
 903                         struct isl_vec *sample = isl_vec_copy(bset->sample);
 904                         isl_basic_set_free(bset);
 905                         return sample;
 906                 }
 907         }
 908         isl_vec_free(bset->sample);
 909         bset->sample = NULL;
 910
 911         if (bset->n_eq > 0)
 912                 return sample_eq(bset, isl_basic_set_sample_vec);
 913         if (dim == 0)
 914                 return zero_sample(bset);
 915         if (dim == 1)
 916                 return interval_sample(bset);
 917
 918         switch (bset->ctx->ilp_solver) {
 919         case ISL_ILP_PIP:
 920                 return pip_sample(bset);
 921         case ISL_ILP_GBR:
 922                 return bounded ? sample_bounded(bset) : gbr_sample(bset);
 923         }
 924         isl_assert(bset->ctx, 0, );
 925 error:
 926         isl_basic_set_free(bset);
 927         return NULL;
 928 }
 929
 930 __isl_give isl_vec *isl_basic_set_sample_vec(__isl_take isl_basic_set *bset)
 931 {
 932         return basic_set_sample(bset, 0);
 933 }
 934
 935 /* Compute an integer sample in "bset", where the caller guarantees
 936  * that "bset" is bounded.
 937  */
 938 struct isl_vec *isl_basic_set_sample_bounded(struct isl_basic_set *bset)
 939 {
 940         return basic_set_sample(bset, 1);
 941 }
 942
 943 __isl_give isl_basic_set *isl_basic_set_from_vec(__isl_take isl_vec *vec)
 944 {
 945         int i;
 946         int k;
 947         struct isl_basic_set *bset = NULL;
 948         struct isl_ctx *ctx;
 949         unsigned dim;
 950
 951         if (!vec)
 952                 return NULL;
 953         ctx = vec->ctx;
 954         isl_assert(ctx, vec->size != 0, goto error);
 955
 956         bset = isl_basic_set_alloc(ctx, 0, vec->size - 1, 0, vec->size - 1, 0);
 957         if (!bset)
 958                 goto error;
 959         dim = isl_basic_set_n_dim(bset);
 960         for (i = dim - 1; i >= 0; --i) {
 961                 k = isl_basic_set_alloc_equality(bset);
 962                 if (k < 0)
 963                         goto error;
 964                 isl_seq_clr(bset->eq[k], 1 + dim);
 965                 isl_int_neg(bset->eq[k][0], vec->el[1 + i]);
 966                 isl_int_set(bset->eq[k][1 + i], vec->el[0]);
 967         }
 968         isl_vec_free(vec);
 969
 970         return bset;
 971 error:
 972         isl_basic_set_free(bset);
 973         isl_vec_free(vec);
 974         return NULL;
 975 }
 976
 977 __isl_give isl_basic_map *isl_basic_map_sample(__isl_take isl_basic_map *bmap)
 978 {
 979         struct isl_basic_set *bset;
 980         struct isl_vec *sample_vec;
 981
 982         bset = isl_basic_map_underlying_set(isl_basic_map_copy(bmap));
 983         sample_vec = isl_basic_set_sample_vec(bset);
 984         if (!sample_vec)
 985                 goto error;
 986         if (sample_vec->size == 0) {
 987                 struct isl_basic_map *sample;
 988                 sample = isl_basic_map_empty_like(bmap);
 989                 isl_vec_free(sample_vec);
 990                 isl_basic_map_free(bmap);
 991                 return sample;
 992         }
 993         bset = isl_basic_set_from_vec(sample_vec);
 994         return isl_basic_map_overlying_set(bset, bmap);
 995 error:
 996         isl_basic_map_free(bmap);
 997         return NULL;
 998 }
 999
1000 __isl_give isl_basic_map *isl_map_sample(__isl_take isl_map *map)
1001 {
1002         int i;
1003         isl_basic_map *sample = NULL;
1004
1005         if (!map)
1006                 goto error;
1007
1008         for (i = 0; i < map->n; ++i) {
1009                 sample = isl_basic_map_sample(isl_basic_map_copy(map->p[i]));
1010                 if (!sample)
1011                         goto error;
1012                 if (!ISL_F_ISSET(sample, ISL_BASIC_MAP_EMPTY))
1013                         break;
1014                 isl_basic_map_free(sample);
1015         }
1016         if (i == map->n)
1017                 sample = isl_basic_map_empty_like_map(map);
1018         isl_map_free(map);
1019         return sample;
1020 error:
1021         isl_map_free(map);
1022         return NULL;
1023 }
1024
1025 __isl_give isl_basic_set *isl_set_sample(__isl_take isl_set *set)
1026 {
1027         return (isl_basic_set *) isl_map_sample((isl_map *)set);
1028 }