Introduce quantifiers inference manager (#5821)
[cvc5.git] / src / theory / quantifiers_engine.h
index 77713744b9971229161b6be4b1773c44d721acf4..5a371ff09e0c61db58c1d2954027dd54c4b03633 100644 (file)
@@ -4,8 +4,8 @@
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  **   Andrew Reynolds, Morgan Deters, Haniel Barbosa
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+ ** in the top-level source directory and their institutional affiliations.
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  **
 
 #include "cvc4_private.h"
 
-#ifndef __CVC4__THEORY__QUANTIFIERS_ENGINE_H
-#define __CVC4__THEORY__QUANTIFIERS_ENGINE_H
+#ifndef CVC4__THEORY__QUANTIFIERS_ENGINE_H
+#define CVC4__THEORY__QUANTIFIERS_ENGINE_H
 
-#include <iostream>
 #include <map>
-#include <memory>
 #include <unordered_map>
 
 #include "context/cdhashset.h"
 #include "context/cdlist.h"
 #include "expr/attribute.h"
-#include "options/quantifiers_modes.h"
-#include "theory/quantifiers/inst_match.h"
+#include "expr/term_canonize.h"
+#include "theory/quantifiers/ematching/trigger_trie.h"
+#include "theory/quantifiers/equality_query.h"
+#include "theory/quantifiers/first_order_model.h"
+#include "theory/quantifiers/fmf/model_builder.h"
+#include "theory/quantifiers/instantiate.h"
 #include "theory/quantifiers/quant_util.h"
-#include "theory/theory.h"
-#include "util/hash.h"
+#include "theory/quantifiers/quantifiers_attributes.h"
+#include "theory/quantifiers/quantifiers_inference_manager.h"
+#include "theory/quantifiers/quantifiers_state.h"
+#include "theory/quantifiers/skolemize.h"
+#include "theory/quantifiers/sygus/term_database_sygus.h"
+#include "theory/quantifiers/term_database.h"
+#include "theory/quantifiers/term_enumeration.h"
+#include "theory/quantifiers/term_util.h"
 #include "util/statistics_registry.h"
 
 namespace CVC4 {
@@ -38,67 +46,30 @@ class TheoryEngine;
 
 namespace theory {
 
-class QuantifiersEngine;
+class DecisionManager;
 
 namespace quantifiers {
-  //TODO: organize this more/review this, github issue #1163
-  //TODO: include these instead of doing forward declarations? #1307
-  //utilities
-  class TermDb;
-  class TermDbSygus;
-  class TermUtil;
-  class TermCanonize;
-  class Instantiate;
-  class Skolemize;
-  class TermEnumeration;
-  class FirstOrderModel;
-  class QuantAttributes;
-  class QuantEPR;
-  class QuantRelevance;
-  class RelevantDomain;
-  class BvInverter;
-  class InstPropagator;
-  class EqualityInference;
-  class EqualityQueryQuantifiersEngine;
-  //modules, these are "subsolvers" of the quantifiers theory.
-  class InstantiationEngine;
-  class ModelEngine;
-  class BoundedIntegers;
-  class QuantConflictFind;
-  class RewriteEngine;
-  class QModelBuilder;
-  class ConjectureGenerator;
-  class CegInstantiation;
-  class LtePartialInst;
-  class AlphaEquivalence;
-  class InstStrategyEnum;
-  class InstStrategyCegqi;
-  class QuantDSplit;
-  class QuantAntiSkolem;
-  class EqualityInference;
-}/* CVC4::theory::quantifiers */
-
-namespace inst {
-  class TriggerTrie;
-}/* CVC4::theory::inst */
-
+class QuantifiersModules;
+}
 
+// TODO: organize this more/review this, github issue #1163
 class QuantifiersEngine {
+  friend class ::CVC4::TheoryEngine;
   typedef context::CDHashMap< Node, bool, NodeHashFunction > BoolMap;
   typedef context::CDList<Node> NodeList;
   typedef context::CDList<bool> BoolList;
   typedef context::CDHashSet<Node, NodeHashFunction> NodeSet;
 
-public:
-  QuantifiersEngine(context::Context* c, context::UserContext* u, TheoryEngine* te);
+ public:
+  QuantifiersEngine(quantifiers::QuantifiersState& qstate,
+                    quantifiers::QuantifiersInferenceManager& qim,
+                    ProofNodeManager* pnm);
   ~QuantifiersEngine();
   //---------------------- external interface
   /** get theory engine */
-  TheoryEngine* getTheoryEngine() const { return d_te; }
-  /** get default sat context for quantifiers engine */
-  context::Context* getSatContext();
-  /** get default sat context for quantifiers engine */
-  context::UserContext* getUserContext();
+  TheoryEngine* getTheoryEngine() const;
+  /** Get the decision manager */
+  DecisionManager* getDecisionManager();
   /** get default output channel for the quantifiers engine */
   OutputChannel& getOutputChannel();
   /** get default valuation for the quantifiers engine */
@@ -107,20 +78,12 @@ public:
   const LogicInfo& getLogicInfo() const;
   //---------------------- end external interface
   //---------------------- utilities
+  /** get the master equality engine */
+  eq::EqualityEngine* getMasterEqualityEngine() const;
   /** get equality query */
   EqualityQuery* getEqualityQuery() const;
-  /** get the equality inference */
-  quantifiers::EqualityInference* getEqualityInference() const;
-  /** get relevant domain */
-  quantifiers::RelevantDomain* getRelevantDomain() const;
-  /** get the BV inverter utility */
-  quantifiers::BvInverter* getBvInverter() const;
-  /** get quantifier relevance */
-  quantifiers::QuantRelevance* getQuantifierRelevance() const;
   /** get the model builder */
   quantifiers::QModelBuilder* getModelBuilder() const;
-  /** get utility for EPR */
-  quantifiers::QuantEPR* getQuantEPR() const;
   /** get model */
   quantifiers::FirstOrderModel* getModel() const;
   /** get term database */
@@ -130,7 +93,7 @@ public:
   /** get term utilities */
   quantifiers::TermUtil* getTermUtil() const;
   /** get term canonizer */
-  quantifiers::TermCanonize* getTermCanonize() const;
+  expr::TermCanonize* getTermCanonize() const;
   /** get quantifiers attributes */
   quantifiers::QuantAttributes* getQuantAttributes() const;
   /** get instantiate utility */
@@ -142,34 +105,78 @@ public:
   /** get trigger database */
   inst::TriggerTrie* getTriggerDatabase() const;
   //---------------------- end utilities
-  //---------------------- modules
-  /** get bounded integers utility */
-  quantifiers::BoundedIntegers* getBoundedIntegers() const;
-  /** Conflict find mechanism for quantifiers */
-  quantifiers::QuantConflictFind* getConflictFind() const;
-  /** rewrite rules utility */
-  quantifiers::RewriteEngine* getRewriteEngine() const;
-  /** ceg instantiation */
-  quantifiers::CegInstantiation* getCegInstantiation() const;
-  /** get full saturation */
-  quantifiers::InstStrategyEnum* getInstStrategyEnum() const;
-  /** get inst strategy cbqi */
-  quantifiers::InstStrategyCegqi* getInstStrategyCegqi() const;
-  //---------------------- end modules
  private:
-  /** owner of quantified formulas */
+  //---------------------- private initialization
+  /**
+   * Finish initialize, which passes pointers to the objects that quantifiers
+   * engine needs but were not available when it was created. This is
+   * called after theories have been created but before they have finished
+   * initialization.
+   *
+   * @param te The theory engine
+   * @param dm The decision manager of the theory engine
+   * @param mee The master equality engine of the theory engine
+   */
+  void finishInit(TheoryEngine* te,
+                  DecisionManager* dm,
+                  eq::EqualityEngine* mee);
+  //---------------------- end private initialization
+  /**
+   * Maps quantified formulas to the module that owns them, if any module has
+   * specifically taken ownership of it.
+   */
   std::map< Node, QuantifiersModule * > d_owner;
+  /**
+   * The priority value associated with the ownership of quantified formulas
+   * in the domain of the above map, where higher values take higher
+   * precendence.
+   */
   std::map< Node, int > d_owner_priority;
-public:
+ public:
   /** get owner */
   QuantifiersModule * getOwner( Node q );
-  /** set owner */
+  /**
+   * Set owner of quantified formula q to module m with given priority. If
+   * the quantified formula has previously been assigned an owner with
+   * lower priority, that owner is overwritten.
+   */
   void setOwner( Node q, QuantifiersModule * m, int priority = 0 );
+  /** set owner of quantified formula q based on its attributes qa. */
+  void setOwner(Node q, quantifiers::QAttributes& qa);
   /** considers */
   bool hasOwnership( Node q, QuantifiersModule * m = NULL );
-  /** is finite bound */
-  bool isFiniteBound( Node q, Node v );
-public:
+  /** does variable v of quantified formula q have a finite bound? */
+  bool isFiniteBound(Node q, Node v) const;
+  /** get bound var type
+   *
+   * This returns the type of bound that was inferred for variable v of
+   * quantified formula q.
+   */
+  BoundVarType getBoundVarType(Node q, Node v) const;
+  /**
+   * Get the indices of bound variables, in the order they should be processed
+   * in a RepSetIterator.
+   *
+   * For details, see BoundedIntegers::getBoundVarIndices.
+   */
+  void getBoundVarIndices(Node q, std::vector<unsigned>& indices) const;
+  /**
+   * Get bound elements
+   *
+   * This gets the (finite) enumeration of the range of variable v of quantified
+   * formula q and adds it into the vector elements in the context of the
+   * iteration being performed by rsi. It returns true if it could successfully
+   * determine this range.
+   *
+   * For details, see BoundedIntegers::getBoundElements.
+   */
+  bool getBoundElements(RepSetIterator* rsi,
+                        bool initial,
+                        Node q,
+                        Node v,
+                        std::vector<Node>& elements) const;
+
+ public:
   /** presolve */
   void presolve();
   /** notify preprocessed assertion */
@@ -203,91 +210,106 @@ private:
  void flushLemmas();
 
 public:
-  /** add lemma lem */
-  bool addLemma( Node lem, bool doCache = true, bool doRewrite = true );
-  /** remove pending lemma */
-  bool removeLemma( Node lem );
-  /** add require phase */
-  void addRequirePhase( Node lit, bool req );
-  /** add EPR axiom */
-  bool addEPRAxiom( TypeNode tn );
-  /** mark relevant quantified formula, this will indicate it should be checked before the others */
-  void markRelevant( Node q );
-  /** has added lemma */
-  bool hasAddedLemma() { return !d_lemmas_waiting.empty() || d_hasAddedLemma; }
-  /** is in conflict */
-  bool inConflict() { return d_conflict; }
-  /** set conflict */
-  void setConflict();
-  /** get current q effort */
-  QuantifiersModule::QEffort getCurrentQEffort() { return d_curr_effort_level; }
-  /** get number of waiting lemmas */
-  unsigned getNumLemmasWaiting() { return d_lemmas_waiting.size(); }
-  /** get needs check */
-  bool getInstWhenNeedsCheck( Theory::Effort e );
-  /** get user pat mode */
-  quantifiers::UserPatMode getInstUserPatMode();
+ /**
+  * Add lemma to the lemma buffer of this quantifiers engine.
+  * @param lem The lemma to send
+  * @param doCache Whether to cache the lemma (to check for duplicate lemmas)
+  * @param doRewrite Whether to rewrite the lemma
+  * @return true if the lemma was successfully added to the buffer
+  */
+ bool addLemma(Node lem, bool doCache = true, bool doRewrite = true);
+ /**
+  * Add trusted lemma lem, same as above, but where a proof generator may be
+  * provided along with the lemma.
+  */
+ bool addTrustedLemma(TrustNode tlem,
+                      bool doCache = true,
+                      bool doRewrite = true);
+ /** remove pending lemma */
+ bool removeLemma(Node lem);
+ /** add require phase */
+ void addRequirePhase(Node lit, bool req);
+ /** mark relevant quantified formula, this will indicate it should be checked
+  * before the others */
+ void markRelevant(Node q);
+ /** has added lemma */
+ bool hasAddedLemma() const;
+ /** theory engine needs check
+  *
+  * This is true if the theory engine has more constraints to process. When
+  * it is false, we are tentatively going to terminate solving with
+  * sat/unknown. For details, see TheoryEngine::needCheck.
+  */
+ bool theoryEngineNeedsCheck() const;
+ /** is in conflict */
+ bool inConflict() { return d_conflict; }
+ /** set conflict */
+ void setConflict();
+ /** get current q effort */
+ QuantifiersModule::QEffort getCurrentQEffort() { return d_curr_effort_level; }
+ /** get number of waiting lemmas */
+ unsigned getNumLemmasWaiting() { return d_lemmas_waiting.size(); }
+ /** get needs check */
+ bool getInstWhenNeedsCheck(Theory::Effort e);
+ /** get user pat mode */
+ options::UserPatMode getInstUserPatMode();
+
 public:
-  /** add term to database */
-  void addTermToDatabase( Node n, bool withinQuant = false, bool withinInstClosure = false );
-  /** notification when master equality engine is updated */
-  void eqNotifyNewClass(TNode t);
-  void eqNotifyPreMerge(TNode t1, TNode t2);
-  void eqNotifyPostMerge(TNode t1, TNode t2);
-  void eqNotifyDisequal(TNode t1, TNode t2, TNode reason);
-  /** get the master equality engine */
-  eq::EqualityEngine* getMasterEqualityEngine();
-  /** get the active equality engine */
-  eq::EqualityEngine* getActiveEqualityEngine();
-  /** use model equality engine */
-  bool usingModelEqualityEngine() const { return d_useModelEe; }
-  /** debug print equality engine */
-  void debugPrintEqualityEngine( const char * c );
-  /** get internal representative */
-  Node getInternalRepresentative( Node a, Node q, int index );
+ /** add term to database */
+ void addTermToDatabase(Node n,
+                        bool withinQuant = false,
+                        bool withinInstClosure = false);
+ /** notification when master equality engine is updated */
+ void eqNotifyNewClass(TNode t);
+ /** debug print equality engine */
+ void debugPrintEqualityEngine(const char* c);
+ /** get internal representative
+  *
+  * Choose a term that is equivalent to a in the current context that is the
+  * best term for instantiating the index^th variable of quantified formula q.
+  * If no legal term can be found, we return null. This can occur if:
+  * - a's type is not a subtype of the type of the index^th variable of q,
+  * - a is in an equivalent class with all terms that are restricted not to
+  * appear in instantiations of q, e.g. INST_CONSTANT terms for counterexample
+  * guided instantiation.
+  */
+ Node getInternalRepresentative(Node a, Node q, int index);
 
- public:
-  //----------user interface for instantiations (see quantifiers/instantiate.h)
-  /** print instantiations */
-  void printInstantiations(std::ostream& out);
-  /** print solution for synthesis conjectures */
-  void printSynthSolution(std::ostream& out);
-  /** get list of quantified formulas that were instantiated */
-  void getInstantiatedQuantifiedFormulas(std::vector<Node>& qs);
-  /** get instantiations */
-  void getInstantiations(Node q, std::vector<Node>& insts);
-  void getInstantiations(std::map<Node, std::vector<Node> >& insts);
-  /** get instantiation term vectors */
-  void getInstantiationTermVectors(Node q,
-                                   std::vector<std::vector<Node> >& tvecs);
-  void getInstantiationTermVectors(
-      std::map<Node, std::vector<std::vector<Node> > >& insts);
-  /** get instantiated conjunction */
-  Node getInstantiatedConjunction(Node q);
-  /** get unsat core lemmas */
-  bool getUnsatCoreLemmas(std::vector<Node>& active_lemmas);
-  bool getUnsatCoreLemmas(std::vector<Node>& active_lemmas,
-                          std::map<Node, Node>& weak_imp);
-  /** get explanation for instantiation lemmas */
-  void getExplanationForInstLemmas(const std::vector<Node>& lems,
-                                   std::map<Node, Node>& quant,
-                                   std::map<Node, std::vector<Node> >& tvec);
+public:
+ //----------user interface for instantiations (see quantifiers/instantiate.h)
+ /** print instantiations */
+ void printInstantiations(std::ostream& out);
+ /** print solution for synthesis conjectures */
+ void printSynthSolution(std::ostream& out);
+ /** get list of quantified formulas that were instantiated */
+ void getInstantiatedQuantifiedFormulas(std::vector<Node>& qs);
+ /** get instantiation term vectors */
+ void getInstantiationTermVectors(Node q,
+                                  std::vector<std::vector<Node> >& tvecs);
+ void getInstantiationTermVectors(
+     std::map<Node, std::vector<std::vector<Node> > >& insts);
 
-  /** get synth solutions
-   *
-   * This function adds entries to sol_map that map functions-to-synthesize with
-   * their solutions, for all active conjectures. This should be called
-   * immediately after the solver answers unsat for sygus input.
-   *
-   * For details on what is added to sol_map, see
-   * CegConjecture::getSynthSolutions.
-   */
-  void getSynthSolutions(std::map<Node, Node>& sol_map);
+ /** get synth solutions
+  *
+  * This method returns true if there is a synthesis solution available. This
+  * is the case if the last call to check satisfiability originated in a
+  * check-synth call, and the synthesis engine module of this class
+  * successfully found a solution for all active synthesis conjectures.
+  *
+  * This method adds entries to sol_map that map functions-to-synthesize with
+  * their solutions, for all active conjectures. This should be called
+  * immediately after the solver answers unsat for sygus input.
+  *
+  * For details on what is added to sol_map, see
+  * SynthConjecture::getSynthSolutions.
+  */
+ bool getSynthSolutions(std::map<Node, std::map<Node, Node> >& sol_map);
 
 //----------end user interface for instantiations
+ //----------end user interface for instantiations
 
-  /** statistics class */
-  class Statistics {
+ /** statistics class */
+ class Statistics
+ {
   public:
     TimerStat d_time;
     TimerStat d_qcf_time;
@@ -313,10 +335,18 @@ public:
     ~Statistics();
   };/* class QuantifiersEngine::Statistics */
   Statistics d_statistics;
-  
+
  private:
-  /** reference to theory engine object */
+  /** The quantifiers state object */
+  quantifiers::QuantifiersState& d_qstate;
+  /** The quantifiers inference manager */
+  quantifiers::QuantifiersInferenceManager& d_qim;
+  /** Pointer to theory engine object */
   TheoryEngine* d_te;
+  /** Reference to the decision manager of the theory engine */
+  DecisionManager* d_decManager;
+  /** Pointer to the master equality engine */
+  eq::EqualityEngine* d_masterEqualityEngine;
   /** vector of utilities for quantifiers */
   std::vector<QuantifiersUtil*> d_util;
   /** vector of modules for quantifiers */
@@ -324,28 +354,16 @@ public:
   //------------- quantifiers utilities
   /** equality query class */
   std::unique_ptr<quantifiers::EqualityQueryQuantifiersEngine> d_eq_query;
-  /** equality inference class */
-  std::unique_ptr<quantifiers::EqualityInference> d_eq_inference;
-  /** quantifiers instantiation propagtor */
-  std::unique_ptr<quantifiers::InstPropagator> d_inst_prop;
   /** all triggers will be stored in this trie */
   std::unique_ptr<inst::TriggerTrie> d_tr_trie;
   /** extended model object */
   std::unique_ptr<quantifiers::FirstOrderModel> d_model;
-  /** for computing relevance of quantifiers */
-  std::unique_ptr<quantifiers::QuantRelevance> d_quant_rel;
-  /** relevant domain */
-  std::unique_ptr<quantifiers::RelevantDomain> d_rel_dom;
-  /** inversion utility for BV instantiation */
-  std::unique_ptr<quantifiers::BvInverter> d_bv_invert;
   /** model builder */
   std::unique_ptr<quantifiers::QModelBuilder> d_builder;
-  /** utility for effectively propositional logic */
-  std::unique_ptr<quantifiers::QuantEPR> d_qepr;
   /** term utilities */
   std::unique_ptr<quantifiers::TermUtil> d_term_util;
   /** term utilities */
-  std::unique_ptr<quantifiers::TermCanonize> d_term_canon;
+  std::unique_ptr<expr::TermCanonize> d_term_canon;
   /** term database */
   std::unique_ptr<quantifiers::TermDb> d_term_db;
   /** sygus term database */
@@ -359,34 +377,10 @@ public:
   /** term enumeration utility */
   std::unique_ptr<quantifiers::TermEnumeration> d_term_enum;
   //------------- end quantifiers utilities
-  //------------- quantifiers modules
-  /** alpha equivalence */
-  std::unique_ptr<quantifiers::AlphaEquivalence> d_alpha_equiv;
-  /** instantiation engine */
-  std::unique_ptr<quantifiers::InstantiationEngine> d_inst_engine;
-  /** model engine */
-  std::unique_ptr<quantifiers::ModelEngine> d_model_engine;
-  /** bounded integers utility */
-  std::unique_ptr<quantifiers::BoundedIntegers> d_bint;
-  /** Conflict find mechanism for quantifiers */
-  std::unique_ptr<quantifiers::QuantConflictFind> d_qcf;
-  /** rewrite rules utility */
-  std::unique_ptr<quantifiers::RewriteEngine> d_rr_engine;
-  /** subgoal generator */
-  std::unique_ptr<quantifiers::ConjectureGenerator> d_sg_gen;
-  /** ceg instantiation */
-  std::unique_ptr<quantifiers::CegInstantiation> d_ceg_inst;
-  /** lte partial instantiation */
-  std::unique_ptr<quantifiers::LtePartialInst> d_lte_part_inst;
-  /** full saturation */
-  std::unique_ptr<quantifiers::InstStrategyEnum> d_fs;
-  /** counterexample-based quantifier instantiation */
-  std::unique_ptr<quantifiers::InstStrategyCegqi> d_i_cbqi;
-  /** quantifiers splitting */
-  std::unique_ptr<quantifiers::QuantDSplit> d_qsplit;
-  /** quantifiers anti-skolemization */
-  std::unique_ptr<quantifiers::QuantAntiSkolem> d_anti_skolem;
-  //------------- end quantifiers modules
+  /**
+   * The modules utility, which contains all of the quantifiers modules.
+   */
+  std::unique_ptr<quantifiers::QuantifiersModules> d_qmodules;
   //------------- temporary information during check
   /** current effort level */
   QuantifiersModule::QEffort d_curr_effort_level;
@@ -395,8 +389,6 @@ public:
   context::CDO<bool> d_conflict_c;
   /** has added lemma this round */
   bool d_hasAddedLemma;
-  /** whether to use model equality engine */
-  bool d_useModelEe;
   //------------- end temporary information during check
  private:
   /** list of all quantifiers seen */
@@ -411,6 +403,8 @@ public:
   BoolMap d_lemmas_produced_c;
   /** lemmas waiting */
   std::vector<Node> d_lemmas_waiting;
+  /** map from waiting lemmas to their proof generators */
+  std::map<Node, ProofGenerator*> d_lemmasWaitingPg;
   /** phase requirements waiting */
   std::map<Node, bool> d_phase_req_waiting;
   /** inst round counters TODO: make context-dependent? */
@@ -431,4 +425,4 @@ public:
 }/* CVC4::theory namespace */
 }/* CVC4 namespace */
 
-#endif /* __CVC4__THEORY__QUANTIFIERS_ENGINE_H */
+#endif /* CVC4__THEORY__QUANTIFIERS_ENGINE_H */