Split QuantElimSolver from SmtEngine (#4919)
authorAndrew Reynolds <andrew.j.reynolds@gmail.com>
Thu, 20 Aug 2020 11:04:43 +0000 (06:04 -0500)
committerGitHub <noreply@github.com>
Thu, 20 Aug 2020 11:04:43 +0000 (06:04 -0500)
Towards refactoring SmtEngine / converting Expr -> Node.

src/CMakeLists.txt
src/smt/command.cpp
src/smt/quant_elim_solver.cpp [new file with mode: 0644]
src/smt/quant_elim_solver.h [new file with mode: 0644]
src/smt/smt_engine.cpp
src/smt/smt_engine.h
src/theory/quantifiers/sygus/synth_engine.cpp

index 48bd99f44225eca8c586c1a7004ef1dcce4e8656..f1e01a7cb931e841110e06d3e986c28f493da016 100644 (file)
@@ -249,6 +249,8 @@ libcvc4_add_sources(
   smt/model_blocker.h
   smt/options_manager.cpp
   smt/options_manager.h
+  smt/quant_elim_solver.cpp
+  smt/quant_elim_solver.h
   smt/preprocessor.cpp
   smt/preprocessor.h
   smt/preprocess_proof_generator.cpp
index 99e0a6c250559e630f5ee5e19937e6c39b3e04fa..88f04f885515bf6f47957e884e2987a3dc21f897 100644 (file)
@@ -2692,7 +2692,9 @@ void GetQuantifierEliminationCommand::invoke(SmtEngine* smtEngine)
 {
   try
   {
-    d_result = smtEngine->doQuantifierElimination(d_expr, d_doFull);
+    d_result =
+        smtEngine->getQuantifierElimination(Node::fromExpr(d_expr), d_doFull)
+            .toExpr();
     d_commandStatus = CommandSuccess::instance();
   }
   catch (exception& e)
diff --git a/src/smt/quant_elim_solver.cpp b/src/smt/quant_elim_solver.cpp
new file mode 100644 (file)
index 0000000..89bd861
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,106 @@
+/*********************                                                        */
+/*! \file quant_elim_solver.cpp
+ ** \verbatim
+ ** Top contributors (to current version):
+ **   Andrew Reynolds
+ ** This file is part of the CVC4 project.
+ ** Copyright (c) 2009-2020 by the authors listed in the file AUTHORS
+ ** in the top-level source directory) and their institutional affiliations.
+ ** All rights reserved.  See the file COPYING in the top-level source
+ ** directory for licensing information.\endverbatim
+ **
+ ** \brief The solver for quantifier elimination queries
+ **/
+
+#include "smt/quant_elim_solver.h"
+
+#include "smt/smt_solver.h"
+#include "theory/quantifiers/extended_rewrite.h"
+#include "theory/rewriter.h"
+#include "theory/theory_engine.h"
+
+using namespace CVC4::theory;
+using namespace CVC4::kind;
+
+namespace CVC4 {
+namespace smt {
+
+QuantElimSolver::QuantElimSolver(SmtSolver& sms) : d_smtSolver(sms) {}
+
+QuantElimSolver::~QuantElimSolver() {}
+
+Node QuantElimSolver::getQuantifierElimination(Assertions& as,
+                                               Node q,
+                                               bool doFull)
+{
+  Trace("smt-qe") << "Do quantifier elimination " << q << std::endl;
+  if (q.getKind() != EXISTS && q.getKind() != FORALL)
+  {
+    throw ModalException(
+        "Expecting a quantified formula as argument to get-qe.");
+  }
+  NodeManager* nm = NodeManager::currentNM();
+  // tag the quantified formula with the quant-elim attribute
+  TypeNode t = nm->booleanType();
+  Node n_attr = nm->mkSkolem("qe", t, "Auxiliary variable for qe attr.");
+  std::vector<Node> node_values;
+  TheoryEngine* te = d_smtSolver.getTheoryEngine();
+  Assert(te != nullptr);
+  te->setUserAttribute(
+      doFull ? "quant-elim" : "quant-elim-partial", n_attr, node_values, "");
+  n_attr = nm->mkNode(INST_ATTRIBUTE, n_attr);
+  n_attr = nm->mkNode(INST_PATTERN_LIST, n_attr);
+  std::vector<Node> children;
+  children.push_back(q[0]);
+  children.push_back(q.getKind() == EXISTS ? q[1] : q[1].negate());
+  children.push_back(n_attr);
+  Node ne = nm->mkNode(EXISTS, children);
+  Trace("smt-qe-debug") << "Query for quantifier elimination : " << ne
+                        << std::endl;
+  Assert(ne.getNumChildren() == 3);
+  // We consider this to be an entailment check, which also avoids incorrect
+  // status reporting (see SmtEngineState::d_expectedStatus).
+  Result r =
+      d_smtSolver.checkSatisfiability(as, std::vector<Node>{ne}, false, true);
+  Trace("smt-qe") << "Query returned " << r << std::endl;
+  if (r.asSatisfiabilityResult().isSat() != Result::UNSAT)
+  {
+    if (r.asSatisfiabilityResult().isSat() != Result::SAT && doFull)
+    {
+      Notice()
+          << "While performing quantifier elimination, unexpected result : "
+          << r << " for query.";
+      // failed, return original
+      return q;
+    }
+    std::vector<Node> inst_qs;
+    te->getInstantiatedQuantifiedFormulas(inst_qs);
+    Assert(inst_qs.size() <= 1);
+    Node ret;
+    if (inst_qs.size() == 1)
+    {
+      Node topq = inst_qs[0];
+      Assert(topq.getKind() == FORALL);
+      Trace("smt-qe") << "Get qe for " << topq << std::endl;
+      ret = te->getInstantiatedConjunction(topq);
+      Trace("smt-qe") << "Returned : " << ret << std::endl;
+      if (q.getKind() == EXISTS)
+      {
+        ret = Rewriter::rewrite(ret.negate());
+      }
+    }
+    else
+    {
+      ret = nm->mkConst(q.getKind() != EXISTS);
+    }
+    // do extended rewrite to minimize the size of the formula aggressively
+    theory::quantifiers::ExtendedRewriter extr(true);
+    ret = extr.extendedRewrite(ret);
+    return ret;
+  }
+  // otherwise, just true/false
+  return nm->mkConst(q.getKind() == EXISTS);
+}
+
+}  // namespace smt
+}  // namespace CVC4
diff --git a/src/smt/quant_elim_solver.h b/src/smt/quant_elim_solver.h
new file mode 100644 (file)
index 0000000..0d300dc
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,93 @@
+/*********************                                                        */
+/*! \file quant_elim_solver.h
+ ** \verbatim
+ ** Top contributors (to current version):
+ **   Andrew Reynolds
+ ** This file is part of the CVC4 project.
+ ** Copyright (c) 2009-2020 by the authors listed in the file AUTHORS
+ ** in the top-level source directory) and their institutional affiliations.
+ ** All rights reserved.  See the file COPYING in the top-level source
+ ** directory for licensing information.\endverbatim
+ **
+ ** \brief The solver for quantifier elimination queries
+ **/
+
+#include "cvc4_private.h"
+
+#ifndef CVC4__SMT__QUANT_ELIM_SOLVER_H
+#define CVC4__SMT__QUANT_ELIM_SOLVER_H
+
+#include "expr/node.h"
+#include "smt/assertions.h"
+
+namespace CVC4 {
+namespace smt {
+
+class SmtSolver;
+
+/**
+ * A solver for quantifier elimination queries.
+ *
+ * This class is responsible for responding to get-qe and get-qe-partial
+ * commands. It uses an underlying SmtSolver, which it queries for
+ * quantifier instantiations used for unsat which are in turn used for
+ * constructing the solution for the quantifier elimination query.
+ */
+class QuantElimSolver
+{
+ public:
+  QuantElimSolver(SmtSolver& sms);
+  ~QuantElimSolver();
+
+  /**
+   * This function takes as input a quantified formula q
+   * of the form:
+   *   Q x1...xn. P( x1...xn, y1...yn )
+   * where P( x1...xn, y1...yn ) is a quantifier-free
+   * formula in a logic that supports quantifier elimination.
+   * Currently, the only logics supported by quantifier
+   * elimination is LRA and LIA.
+   *
+   * This function returns a formula ret such that, given
+   * the current set of formulas A asserted to this SmtEngine :
+   *
+   * If doFull = true, then
+   *   - ( A ^ q ) and ( A ^ ret ) are equivalent
+   *   - ret is quantifier-free formula containing
+   *     only free variables in y1...yn.
+   *
+   * If doFull = false, then
+   *   - (A ^ q) => (A ^ ret) if Q is forall or
+   *     (A ^ ret) => (A ^ q) if Q is exists,
+   *   - ret is quantifier-free formula containing
+   *     only free variables in y1...yn,
+   *   - If Q is exists, let A^Q_n be the formula
+   *       A ^ ~ret^Q_1 ^ ... ^ ~ret^Q_n
+   *     where for each i=1,...n, formula ret^Q_i
+   *     is the result of calling doQuantifierElimination
+   *     for q with the set of assertions A^Q_{i-1}.
+   *     Similarly, if Q is forall, then let A^Q_n be
+   *       A ^ ret^Q_1 ^ ... ^ ret^Q_n
+   *     where ret^Q_i is the same as above.
+   *     In either case, we have that ret^Q_j will
+   *     eventually be true or false, for some finite j.
+   *
+   * The former feature is quantifier elimination, and
+   * is run on invocations of the smt2 extended command get-qe.
+   * The latter feature is referred to as partial quantifier
+   * elimination, and is run on invocations of the smt2
+   * extended command get-qe-disjunct, which can be used
+   * for incrementally computing the result of a
+   * quantifier elimination.
+   */
+  Node getQuantifierElimination(Assertions& as, Node q, bool doFull);
+
+ private:
+  /** The SMT solver, which is used during doQuantifierElimination. */
+  SmtSolver& d_smtSolver;
+};
+
+}  // namespace smt
+}  // namespace CVC4
+
+#endif /* CVC4__SMT__QUANT_ELIM_SOLVER_H */
index d4b7eecbfe1783330a2d350901e923034efafe1b..59df10195650497d91ef90bfcd2bf6df6bb7f890 100644 (file)
@@ -92,6 +92,7 @@
 #include "smt/model_core_builder.h"
 #include "smt/options_manager.h"
 #include "smt/preprocessor.h"
+#include "smt/quant_elim_solver.h"
 #include "smt/smt_engine_scope.h"
 #include "smt/smt_engine_state.h"
 #include "smt/smt_engine_stats.h"
 #include "theory/booleans/circuit_propagator.h"
 #include "theory/bv/theory_bv_rewriter.h"
 #include "theory/logic_info.h"
-#include "theory/quantifiers/fun_def_process.h"
-#include "theory/quantifiers/single_inv_partition.h"
-#include "theory/quantifiers/sygus/synth_engine.h"
-#include "theory/quantifiers/term_util.h"
-#include "theory/quantifiers_engine.h"
 #include "theory/rewriter.h"
 #include "theory/sort_inference.h"
 #include "theory/strings/theory_strings.h"
@@ -159,6 +155,7 @@ SmtEngine::SmtEngine(ExprManager* em, Options* optr)
       d_definedFunctions(nullptr),
       d_sygusSolver(nullptr),
       d_abductSolver(nullptr),
+      d_quantElimSolver(nullptr),
       d_assignments(nullptr),
       d_defineCommands(),
       d_logic(),
@@ -207,6 +204,8 @@ SmtEngine::SmtEngine(ExprManager* em, Options* optr)
       new SmtSolver(*this, *d_state, d_resourceManager.get(), *d_pp, *d_stats));
   // make the SyGuS solver
   d_sygusSolver.reset(new SygusSolver(*d_smtSolver, *d_pp, getUserContext()));
+  // make the quantifier elimination solver
+  d_quantElimSolver.reset(new QuantElimSolver(*d_smtSolver));
 
   // The ProofManager is constructed before any other proof objects such as
   // SatProof and TheoryProofs. The TheoryProofEngine and the SatProof are
@@ -1892,75 +1891,14 @@ bool SmtEngine::getSynthSolutions(std::map<Node, Node>& solMap)
   return d_sygusSolver->getSynthSolutions(solMap);
 }
 
-Expr SmtEngine::doQuantifierElimination(const Expr& e, bool doFull, bool strict)
+Node SmtEngine::getQuantifierElimination(Node q, bool doFull, bool strict)
 {
   SmtScope smts(this);
   finishInit();
   if(!d_logic.isPure(THEORY_ARITH) && strict){
     Warning() << "Unexpected logic for quantifier elimination " << d_logic << endl;
   }
-  Trace("smt-qe") << "Do quantifier elimination " << e << std::endl;
-  Node n_e = Node::fromExpr( e );
-  if (n_e.getKind() != kind::EXISTS && n_e.getKind() != kind::FORALL)
-  {
-    throw ModalException(
-        "Expecting a quantified formula as argument to get-qe.");
-  }
-  //tag the quantified formula with the quant-elim attribute
-  TypeNode t = NodeManager::currentNM()->booleanType();
-  Node n_attr = NodeManager::currentNM()->mkSkolem("qe", t, "Auxiliary variable for qe attr.");
-  std::vector< Node > node_values;
-  TheoryEngine* te = getTheoryEngine();
-  Assert(te != nullptr);
-  te->setUserAttribute(
-      doFull ? "quant-elim" : "quant-elim-partial", n_attr, node_values, "");
-  n_attr = NodeManager::currentNM()->mkNode(kind::INST_ATTRIBUTE, n_attr);
-  n_attr = NodeManager::currentNM()->mkNode(kind::INST_PATTERN_LIST, n_attr);
-  std::vector< Node > e_children;
-  e_children.push_back( n_e[0] );
-  e_children.push_back(n_e.getKind() == kind::EXISTS ? n_e[1]
-                                                     : n_e[1].negate());
-  e_children.push_back( n_attr );
-  Node nn_e = NodeManager::currentNM()->mkNode( kind::EXISTS, e_children );
-  Trace("smt-qe-debug") << "Query for quantifier elimination : " << nn_e << std::endl;
-  Assert(nn_e.getNumChildren() == 3);
-  Result r = checkSatInternal(std::vector<Node>{nn_e}, true, true);
-  Trace("smt-qe") << "Query returned " << r << std::endl;
-  if(r.asSatisfiabilityResult().isSat() != Result::UNSAT ) {
-    if( r.asSatisfiabilityResult().isSat() != Result::SAT && doFull ){
-      Notice()
-          << "While performing quantifier elimination, unexpected result : "
-          << r << " for query.";
-      // failed, return original
-      return e;
-    }
-    std::vector< Node > inst_qs;
-    te->getInstantiatedQuantifiedFormulas(inst_qs);
-    Assert(inst_qs.size() <= 1);
-    Node ret_n;
-    if( inst_qs.size()==1 ){
-      Node top_q = inst_qs[0];
-      //Node top_q = Rewriter::rewrite( nn_e ).negate();
-      Assert(top_q.getKind() == kind::FORALL);
-      Trace("smt-qe") << "Get qe for " << top_q << std::endl;
-      ret_n = te->getInstantiatedConjunction(top_q);
-      Trace("smt-qe") << "Returned : " << ret_n << std::endl;
-      if (n_e.getKind() == kind::EXISTS)
-      {
-        ret_n = Rewriter::rewrite(ret_n.negate());
-      }
-    }else{
-      ret_n = NodeManager::currentNM()->mkConst(n_e.getKind() != kind::EXISTS);
-    }
-    // do extended rewrite to minimize the size of the formula aggressively
-    theory::quantifiers::ExtendedRewriter extr(true);
-    ret_n = extr.extendedRewrite(ret_n);
-    return ret_n.toExpr();
-  }else {
-    return NodeManager::currentNM()
-        ->mkConst(n_e.getKind() == kind::EXISTS)
-        .toExpr();
-  }
+  return d_quantElimSolver->getQuantifierElimination(*d_asserts, q, doFull);
 }
 
 bool SmtEngine::getInterpol(const Node& conj,
index a6688578df7afefb6798b99357ba2290cb4c35aa..28dc8726bab127f313b95628ac3b6f6233d43b37 100644 (file)
@@ -106,6 +106,7 @@ class Preprocessor;
 class SmtSolver;
 class SygusSolver;
 class AbductionSolver;
+class QuantElimSolver;
 /**
  * Representation of a defined function.  We keep these around in
  * SmtEngine to permit expanding definitions late (and lazily), to
@@ -584,7 +585,7 @@ class CVC4_PUBLIC SmtEngine
   /**
    * Do quantifier elimination.
    *
-   * This function takes as input a quantified formula e
+   * This function takes as input a quantified formula q
    * of the form:
    *   Q x1...xn. P( x1...xn, y1...yn )
    * where P( x1...xn, y1...yn ) is a quantifier-free
@@ -596,20 +597,20 @@ class CVC4_PUBLIC SmtEngine
    * the current set of formulas A asserted to this SmtEngine :
    *
    * If doFull = true, then
-   *   - ( A ^ e ) and ( A ^ ret ) are equivalent
+   *   - ( A ^ q ) and ( A ^ ret ) are equivalent
    *   - ret is quantifier-free formula containing
    *     only free variables in y1...yn.
    *
    * If doFull = false, then
-   *   - (A ^ e) => (A ^ ret) if Q is forall or
-   *     (A ^ ret) => (A ^ e) if Q is exists,
+   *   - (A ^ q) => (A ^ ret) if Q is forall or
+   *     (A ^ ret) => (A ^ q) if Q is exists,
    *   - ret is quantifier-free formula containing
    *     only free variables in y1...yn,
    *   - If Q is exists, let A^Q_n be the formula
    *       A ^ ~ret^Q_1 ^ ... ^ ~ret^Q_n
    *     where for each i=1,...n, formula ret^Q_i
    *     is the result of calling doQuantifierElimination
-   *     for e with the set of assertions A^Q_{i-1}.
+   *     for q with the set of assertions A^Q_{i-1}.
    *     Similarly, if Q is forall, then let A^Q_n be
    *       A ^ ret^Q_1 ^ ... ^ ret^Q_n
    *     where ret^Q_i is the same as above.
@@ -629,7 +630,7 @@ class CVC4_PUBLIC SmtEngine
    *
    * throw@ Exception
    */
-  Expr doQuantifierElimination(const Expr& e, bool doFull, bool strict = true);
+  Node getQuantifierElimination(Node q, bool doFull, bool strict = true);
 
   /**
    * This method asks this SMT engine to find an interpolant with respect to
@@ -1106,6 +1107,8 @@ class CVC4_PUBLIC SmtEngine
 
   /** The solver for abduction queries */
   std::unique_ptr<smt::AbductionSolver> d_abductSolver;
+  /** The solver for quantifier elimination queries */
+  std::unique_ptr<smt::QuantElimSolver> d_quantElimSolver;
   /**
    * List of items for which to retrieve values using getAssignment().
    */
index f8349c834f42777d743bd189938b79955d9b8ed5..3e47c1155373f03d53285c278e2b111713f8d660 100644 (file)
@@ -233,27 +233,26 @@ void SynthEngine::assignConjecture(Node q)
 
       Trace("cegqi-qep") << "Run quantifier elimination on "
                          << conj_se_ngsi_subs << std::endl;
-      Expr qe_res = smt_qe->doQuantifierElimination(
-          conj_se_ngsi_subs.toExpr(), true, false);
-      Trace("cegqi-qep") << "Result : " << qe_res << std::endl;
+      Node qeRes =
+          smt_qe->getQuantifierElimination(conj_se_ngsi_subs, true, false);
+      Trace("cegqi-qep") << "Result : " << qeRes << std::endl;
 
       // create single invocation conjecture, if QE was successful
-      Node qe_res_n = Node::fromExpr(qe_res);
-      if (!expr::hasBoundVar(qe_res_n))
+      if (!expr::hasBoundVar(qeRes))
       {
-        qe_res_n = qe_res_n.substitute(
+        qeRes = qeRes.substitute(
             subs.begin(), subs.end(), orig.begin(), orig.end());
         if (!nqe_vars.empty())
         {
-          qe_res_n = nm->mkNode(
-              EXISTS, nm->mkNode(BOUND_VAR_LIST, nqe_vars), qe_res_n);
+          qeRes =
+              nm->mkNode(EXISTS, nm->mkNode(BOUND_VAR_LIST, nqe_vars), qeRes);
         }
         Assert(q.getNumChildren() == 3);
-        qe_res_n = nm->mkNode(FORALL, q[0], qe_res_n, q[2]);
-        Trace("cegqi-qep") << "Converted conjecture after QE : " << qe_res_n
+        qeRes = nm->mkNode(FORALL, q[0], qeRes, q[2]);
+        Trace("cegqi-qep") << "Converted conjecture after QE : " << qeRes
                            << std::endl;
-        qe_res_n = Rewriter::rewrite(qe_res_n);
-        Node nq = qe_res_n;
+        qeRes = Rewriter::rewrite(qeRes);
+        Node nq = qeRes;
         // must assert it is equivalent to the original
         Node lem = q.eqNode(nq);
         Trace("cegqi-lemma")