OSDN Git Service

Update FSF address.
[pf3gnuchains/gcc-fork.git] / gcc / lambda-mat.c
1 /* Integer matrix math routines
2    Copyright (C) 2003, 2004, 2005 Free Software Foundation, Inc.
3    Contributed by Daniel Berlin <dberlin@dberlin.org>.
4
5 This file is part of GCC.
6
7 GCC is free software; you can redistribute it and/or modify it under
8 the terms of the GNU General Public License as published by the Free
9 Software Foundation; either version 2, or (at your option) any later
10 version.
11
12 GCC is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
13 WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
14 FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License
15 for more details.
16
17 You should have received a copy of the GNU General Public License
18 along with GCC; see the file COPYING.  If not, write to the Free
19 Software Foundation, 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA
20 02110-1301, USA.  */
21 #include "config.h"
22 #include "system.h"
23 #include "coretypes.h"
24 #include "tm.h"
25 #include "ggc.h"
26 #include "varray.h"
27 #include "tree.h"
28 #include "lambda.h"
29
30 static void lambda_matrix_get_column (lambda_matrix, int, int, 
31                                       lambda_vector);
32
33 /* Allocate a matrix of M rows x  N cols.  */
34
35 lambda_matrix
36 lambda_matrix_new (int m, int n)
37 {
38   lambda_matrix mat;
39   int i;
40
41   mat = ggc_alloc (m * sizeof (lambda_vector));
42   
43   for (i = 0; i < m; i++)
44     mat[i] = lambda_vector_new (n);
45
46   return mat;
47 }
48
49 /* Copy the elements of M x N matrix MAT1 to MAT2.  */
50
51 void
52 lambda_matrix_copy (lambda_matrix mat1, lambda_matrix mat2,
53                     int m, int n)
54 {
55   int i;
56
57   for (i = 0; i < m; i++)
58     lambda_vector_copy (mat1[i], mat2[i], n);
59 }
60
61 /* Store the N x N identity matrix in MAT.  */
62
63 void
64 lambda_matrix_id (lambda_matrix mat, int size)
65 {
66   int i, j;
67
68   for (i = 0; i < size; i++)
69     for (j = 0; j < size; j++)
70       mat[i][j] = (i == j) ? 1 : 0;
71 }
72
73 /* Return true if MAT is the identity matrix of SIZE */
74
75 bool
76 lambda_matrix_id_p (lambda_matrix mat, int size)
77 {
78   int i, j;
79   for (i = 0; i < size; i++)
80     for (j = 0; j < size; j++)
81       {
82         if (i == j)
83           {
84             if (mat[i][j] != 1)
85               return false;
86           }
87         else
88           {
89             if (mat[i][j] != 0)
90               return false;
91           }
92       }
93   return true;
94 }
95
96 /* Negate the elements of the M x N matrix MAT1 and store it in MAT2.  */
97
98 void
99 lambda_matrix_negate (lambda_matrix mat1, lambda_matrix mat2, int m, int n)
100 {
101   int i;
102
103   for (i = 0; i < m; i++)
104     lambda_vector_negate (mat1[i], mat2[i], n);
105 }
106
107 /* Take the transpose of matrix MAT1 and store it in MAT2.
108    MAT1 is an M x N matrix, so MAT2 must be N x M.  */
109
110 void
111 lambda_matrix_transpose (lambda_matrix mat1, lambda_matrix mat2, int m, int n)
112 {
113   int i, j;
114
115   for (i = 0; i < n; i++)
116     for (j = 0; j < m; j++)
117       mat2[i][j] = mat1[j][i];
118 }
119
120
121 /* Add two M x N matrices together: MAT3 = MAT1+MAT2.  */
122
123 void
124 lambda_matrix_add (lambda_matrix mat1, lambda_matrix mat2,
125                    lambda_matrix mat3, int m, int n)
126 {
127   int i;
128
129   for (i = 0; i < m; i++)
130     lambda_vector_add (mat1[i], mat2[i], mat3[i], n);
131 }
132
133 /* MAT3 = CONST1 * MAT1 + CONST2 * MAT2.  All matrices are M x N.  */
134
135 void
136 lambda_matrix_add_mc (lambda_matrix mat1, int const1,
137                       lambda_matrix mat2, int const2,
138                       lambda_matrix mat3, int m, int n)
139 {
140   int i;
141
142   for (i = 0; i < m; i++)
143     lambda_vector_add_mc (mat1[i], const1, mat2[i], const2, mat3[i], n);
144 }
145
146 /* Multiply two matrices: MAT3 = MAT1 * MAT2.
147    MAT1 is an M x R matrix, and MAT2 is R x N.  The resulting MAT2
148    must therefore be M x N.  */
149
150 void
151 lambda_matrix_mult (lambda_matrix mat1, lambda_matrix mat2,
152                     lambda_matrix mat3, int m, int r, int n)
153 {
154
155   int i, j, k;
156
157   for (i = 0; i < m; i++)
158     {
159       for (j = 0; j < n; j++)
160         {
161           mat3[i][j] = 0;
162           for (k = 0; k < r; k++)
163             mat3[i][j] += mat1[i][k] * mat2[k][j];
164         }
165     }
166 }
167
168 /* Get column COL from the matrix MAT and store it in VEC.  MAT has
169    N rows, so the length of VEC must be N.  */
170
171 static void
172 lambda_matrix_get_column (lambda_matrix mat, int n, int col,
173                           lambda_vector vec)
174 {
175   int i;
176
177   for (i = 0; i < n; i++)
178     vec[i] = mat[i][col];
179 }
180
181 /* Delete rows r1 to r2 (not including r2).  */
182
183 void
184 lambda_matrix_delete_rows (lambda_matrix mat, int rows, int from, int to)
185 {
186   int i;
187   int dist;
188   dist = to - from;
189
190   for (i = to; i < rows; i++)
191     mat[i - dist] = mat[i];
192
193   for (i = rows - dist; i < rows; i++)
194     mat[i] = NULL;
195 }
196
197 /* Swap rows R1 and R2 in matrix MAT.  */
198
199 void
200 lambda_matrix_row_exchange (lambda_matrix mat, int r1, int r2)
201 {
202   lambda_vector row;
203
204   row = mat[r1];
205   mat[r1] = mat[r2];
206   mat[r2] = row;
207 }
208
209 /* Add a multiple of row R1 of matrix MAT with N columns to row R2:
210    R2 = R2 + CONST1 * R1.  */
211
212 void
213 lambda_matrix_row_add (lambda_matrix mat, int n, int r1, int r2, int const1)
214 {
215   int i;
216
217   if (const1 == 0)
218     return;
219
220   for (i = 0; i < n; i++)
221     mat[r2][i] += const1 * mat[r1][i];
222 }
223
224 /* Negate row R1 of matrix MAT which has N columns.  */
225
226 void
227 lambda_matrix_row_negate (lambda_matrix mat, int n, int r1)
228 {
229   lambda_vector_negate (mat[r1], mat[r1], n);
230 }
231
232 /* Multiply row R1 of matrix MAT with N columns by CONST1.  */
233
234 void
235 lambda_matrix_row_mc (lambda_matrix mat, int n, int r1, int const1)
236 {
237   int i;
238
239   for (i = 0; i < n; i++)
240     mat[r1][i] *= const1;
241 }
242
243 /* Exchange COL1 and COL2 in matrix MAT. M is the number of rows.  */
244
245 void
246 lambda_matrix_col_exchange (lambda_matrix mat, int m, int col1, int col2)
247 {
248   int i;
249   int tmp;
250   for (i = 0; i < m; i++)
251     {
252       tmp = mat[i][col1];
253       mat[i][col1] = mat[i][col2];
254       mat[i][col2] = tmp;
255     }
256 }
257
258 /* Add a multiple of column C1 of matrix MAT with M rows to column C2:
259    C2 = C2 + CONST1 * C1.  */
260
261 void
262 lambda_matrix_col_add (lambda_matrix mat, int m, int c1, int c2, int const1)
263 {
264   int i;
265
266   if (const1 == 0)
267     return;
268
269   for (i = 0; i < m; i++)
270     mat[i][c2] += const1 * mat[i][c1];
271 }
272
273 /* Negate column C1 of matrix MAT which has M rows.  */
274
275 void
276 lambda_matrix_col_negate (lambda_matrix mat, int m, int c1)
277 {
278   int i;
279
280   for (i = 0; i < m; i++)
281     mat[i][c1] *= -1;
282 }
283
284 /* Multiply column C1 of matrix MAT with M rows by CONST1.  */
285
286 void
287 lambda_matrix_col_mc (lambda_matrix mat, int m, int c1, int const1)
288 {
289   int i;
290
291   for (i = 0; i < m; i++)
292     mat[i][c1] *= const1;
293 }
294
295 /* Compute the inverse of the N x N matrix MAT and store it in INV.
296
297    We don't _really_ compute the inverse of MAT.  Instead we compute
298    det(MAT)*inv(MAT), and we return det(MAT) to the caller as the function
299    result.  This is necessary to preserve accuracy, because we are dealing
300    with integer matrices here.
301
302    The algorithm used here is a column based Gauss-Jordan elimination on MAT
303    and the identity matrix in parallel.  The inverse is the result of applying
304    the same operations on the identity matrix that reduce MAT to the identity
305    matrix.
306
307    When MAT is a 2 x 2 matrix, we don't go through the whole process, because
308    it is easily inverted by inspection and it is a very common case.  */
309
310 static int lambda_matrix_inverse_hard (lambda_matrix, lambda_matrix, int);
311
312 int
313 lambda_matrix_inverse (lambda_matrix mat, lambda_matrix inv, int n)
314 {
315   if (n == 2)
316     {
317       int a, b, c, d, det;
318       a = mat[0][0];
319       b = mat[1][0];
320       c = mat[0][1];
321       d = mat[1][1];      
322       inv[0][0] =  d;
323       inv[0][1] = -c;
324       inv[1][0] = -b;
325       inv[1][1] =  a;
326       det = (a * d - b * c);
327       if (det < 0)
328         {
329           det *= -1;
330           inv[0][0] *= -1;
331           inv[1][0] *= -1;
332           inv[0][1] *= -1;
333           inv[1][1] *= -1;
334         }
335       return det;
336     }
337   else
338     return lambda_matrix_inverse_hard (mat, inv, n);
339 }
340
341 /* If MAT is not a special case, invert it the hard way.  */
342
343 static int
344 lambda_matrix_inverse_hard (lambda_matrix mat, lambda_matrix inv, int n)
345 {
346   lambda_vector row;
347   lambda_matrix temp;
348   int i, j;
349   int determinant;
350
351   temp = lambda_matrix_new (n, n);
352   lambda_matrix_copy (mat, temp, n, n);
353   lambda_matrix_id (inv, n);
354
355   /* Reduce TEMP to a lower triangular form, applying the same operations on
356      INV which starts as the identity matrix.  N is the number of rows and
357      columns.  */
358   for (j = 0; j < n; j++)
359     {
360       row = temp[j];
361
362       /* Make every element in the current row positive.  */
363       for (i = j; i < n; i++)
364         if (row[i] < 0)
365           {
366             lambda_matrix_col_negate (temp, n, i);
367             lambda_matrix_col_negate (inv, n, i);
368           }
369
370       /* Sweep the upper triangle.  Stop when only the diagonal element in the
371          current row is nonzero.  */
372       while (lambda_vector_first_nz (row, n, j + 1) < n)
373         {
374           int min_col = lambda_vector_min_nz (row, n, j);
375           lambda_matrix_col_exchange (temp, n, j, min_col);
376           lambda_matrix_col_exchange (inv, n, j, min_col);
377
378           for (i = j + 1; i < n; i++)
379             {
380               int factor;
381
382               factor = -1 * row[i];
383               if (row[j] != 1)
384                 factor /= row[j];
385
386               lambda_matrix_col_add (temp, n, j, i, factor);
387               lambda_matrix_col_add (inv, n, j, i, factor);
388             }
389         }
390     }
391
392   /* Reduce TEMP from a lower triangular to the identity matrix.  Also compute
393      the determinant, which now is simply the product of the elements on the
394      diagonal of TEMP.  If one of these elements is 0, the matrix has 0 as an
395      eigenvalue so it is singular and hence not invertible.  */
396   determinant = 1;
397   for (j = n - 1; j >= 0; j--)
398     {
399       int diagonal;
400
401       row = temp[j];
402       diagonal = row[j];
403
404       /* The matrix must not be singular.  */
405       gcc_assert (diagonal);
406
407       determinant = determinant * diagonal;
408
409       /* If the diagonal is not 1, then multiply the each row by the
410          diagonal so that the middle number is now 1, rather than a
411          rational.  */
412       if (diagonal != 1)
413         {
414           for (i = 0; i < j; i++)
415             lambda_matrix_col_mc (inv, n, i, diagonal);
416           for (i = j + 1; i < n; i++)
417             lambda_matrix_col_mc (inv, n, i, diagonal);
418
419           row[j] = diagonal = 1;
420         }
421
422       /* Sweep the lower triangle column wise.  */
423       for (i = j - 1; i >= 0; i--)
424         {
425           if (row[i])
426             {
427               int factor = -row[i];
428               lambda_matrix_col_add (temp, n, j, i, factor);
429               lambda_matrix_col_add (inv, n, j, i, factor);
430             }
431
432         }
433     }
434
435   return determinant;
436 }
437
438 /* Decompose a N x N matrix MAT to a product of a lower triangular H
439    and a unimodular U matrix such that MAT = H.U.  N is the size of
440    the rows of MAT.  */
441
442 void
443 lambda_matrix_hermite (lambda_matrix mat, int n,
444                        lambda_matrix H, lambda_matrix U)
445 {
446   lambda_vector row;
447   int i, j, factor, minimum_col;
448
449   lambda_matrix_copy (mat, H, n, n);
450   lambda_matrix_id (U, n);
451
452   for (j = 0; j < n; j++)
453     {
454       row = H[j];
455
456       /* Make every element of H[j][j..n] positive.  */
457       for (i = j; i < n; i++)
458         {
459           if (row[i] < 0)
460             {
461               lambda_matrix_col_negate (H, n, i);
462               lambda_vector_negate (U[i], U[i], n);
463             }
464         }
465
466       /* Stop when only the diagonal element is nonzero.  */
467       while (lambda_vector_first_nz (row, n, j + 1) < n)
468         {
469           minimum_col = lambda_vector_min_nz (row, n, j);
470           lambda_matrix_col_exchange (H, n, j, minimum_col);
471           lambda_matrix_row_exchange (U, j, minimum_col);
472
473           for (i = j + 1; i < n; i++)
474             {
475               factor = row[i] / row[j];
476               lambda_matrix_col_add (H, n, j, i, -1 * factor);
477               lambda_matrix_row_add (U, n, i, j, factor);
478             }
479         }
480     }
481 }
482
483 /* Given an M x N integer matrix A, this function determines an M x
484    M unimodular matrix U, and an M x N echelon matrix S such that
485    "U.A = S".  This decomposition is also known as "right Hermite".
486    
487    Ref: Algorithm 2.1 page 33 in "Loop Transformations for
488    Restructuring Compilers" Utpal Banerjee.  */
489
490 void
491 lambda_matrix_right_hermite (lambda_matrix A, int m, int n,
492                              lambda_matrix S, lambda_matrix U)
493 {
494   int i, j, i0 = 0;
495
496   lambda_matrix_copy (A, S, m, n);
497   lambda_matrix_id (U, m);
498
499   for (j = 0; j < n; j++)
500     {
501       if (lambda_vector_first_nz (S[j], m, i0) < m)
502         {
503           ++i0;
504           for (i = m - 1; i >= i0; i--)
505             {
506               while (S[i][j] != 0)
507                 {
508                   int sigma, factor, a, b;
509
510                   a = S[i-1][j];
511                   b = S[i][j];
512                   sigma = (a * b < 0) ? -1: 1;
513                   a = abs (a);
514                   b = abs (b);
515                   factor = sigma * (a / b);
516
517                   lambda_matrix_row_add (S, n, i, i-1, -factor);
518                   lambda_matrix_row_exchange (S, i, i-1);
519
520                   lambda_matrix_row_add (U, m, i, i-1, -factor);
521                   lambda_matrix_row_exchange (U, i, i-1);
522                 }
523             }
524         }
525     }
526 }
527
528 /* Given an M x N integer matrix A, this function determines an M x M
529    unimodular matrix V, and an M x N echelon matrix S such that "A =
530    V.S".  This decomposition is also known as "left Hermite".
531    
532    Ref: Algorithm 2.2 page 36 in "Loop Transformations for
533    Restructuring Compilers" Utpal Banerjee.  */
534
535 void
536 lambda_matrix_left_hermite (lambda_matrix A, int m, int n,
537                              lambda_matrix S, lambda_matrix V)
538 {
539   int i, j, i0 = 0;
540
541   lambda_matrix_copy (A, S, m, n);
542   lambda_matrix_id (V, m);
543
544   for (j = 0; j < n; j++)
545     {
546       if (lambda_vector_first_nz (S[j], m, i0) < m)
547         {
548           ++i0;
549           for (i = m - 1; i >= i0; i--)
550             {
551               while (S[i][j] != 0)
552                 {
553                   int sigma, factor, a, b;
554
555                   a = S[i-1][j];
556                   b = S[i][j];
557                   sigma = (a * b < 0) ? -1: 1;
558                   a = abs (a);
559       b = abs (b);
560                   factor = sigma * (a / b);
561
562                   lambda_matrix_row_add (S, n, i, i-1, -factor);
563                   lambda_matrix_row_exchange (S, i, i-1);
564
565                   lambda_matrix_col_add (V, m, i-1, i, factor);
566                   lambda_matrix_col_exchange (V, m, i, i-1);
567                 }
568             }
569         }
570     }
571 }
572
573 /* When it exists, return the first nonzero row in MAT after row
574    STARTROW.  Otherwise return rowsize.  */
575
576 int
577 lambda_matrix_first_nz_vec (lambda_matrix mat, int rowsize, int colsize,
578                             int startrow)
579 {
580   int j;
581   bool found = false;
582
583   for (j = startrow; (j < rowsize) && !found; j++)
584     {
585       if ((mat[j] != NULL)
586           && (lambda_vector_first_nz (mat[j], colsize, startrow) < colsize))
587         found = true;
588     }
589
590   if (found)
591     return j - 1;
592   return rowsize;
593 }
594
595 /* Calculate the projection of E sub k to the null space of B.  */
596
597 void
598 lambda_matrix_project_to_null (lambda_matrix B, int rowsize,
599                                int colsize, int k, lambda_vector x)
600 {
601   lambda_matrix M1, M2, M3, I;
602   int determinant;
603
604   /* Compute c(I-B^T inv(B B^T) B) e sub k.  */
605
606   /* M1 is the transpose of B.  */
607   M1 = lambda_matrix_new (colsize, colsize);
608   lambda_matrix_transpose (B, M1, rowsize, colsize);
609
610   /* M2 = B * B^T */
611   M2 = lambda_matrix_new (colsize, colsize);
612   lambda_matrix_mult (B, M1, M2, rowsize, colsize, rowsize);
613
614   /* M3 = inv(M2) */
615   M3 = lambda_matrix_new (colsize, colsize);
616   determinant = lambda_matrix_inverse (M2, M3, rowsize);
617
618   /* M2 = B^T (inv(B B^T)) */
619   lambda_matrix_mult (M1, M3, M2, colsize, rowsize, rowsize);
620
621   /* M1 = B^T (inv(B B^T)) B */
622   lambda_matrix_mult (M2, B, M1, colsize, rowsize, colsize);
623   lambda_matrix_negate (M1, M1, colsize, colsize);
624
625   I = lambda_matrix_new (colsize, colsize);
626   lambda_matrix_id (I, colsize);
627
628   lambda_matrix_add_mc (I, determinant, M1, 1, M2, colsize, colsize);
629
630   lambda_matrix_get_column (M2, colsize, k - 1, x);
631
632 }
633
634 /* Multiply a vector VEC by a matrix MAT.
635    MAT is an M*N matrix, and VEC is a vector with length N.  The result
636    is stored in DEST which must be a vector of length M.  */
637
638 void
639 lambda_matrix_vector_mult (lambda_matrix matrix, int m, int n,
640                            lambda_vector vec, lambda_vector dest)
641 {
642   int i, j;
643
644   lambda_vector_clear (dest, m);
645   for (i = 0; i < m; i++)
646     for (j = 0; j < n; j++)
647       dest[i] += matrix[i][j] * vec[j];
648 }
649
650 /* Print out an M x N matrix MAT to OUTFILE.  */
651
652 void
653 print_lambda_matrix (FILE * outfile, lambda_matrix matrix, int m, int n)
654 {
655   int i;
656
657   for (i = 0; i < m; i++)
658     print_lambda_vector (outfile, matrix[i], n);
659   fprintf (outfile, "\n");
660 }
661