#pragma once

#include "Dom.h"         // 支配树分析依赖
#include "Loop.h"        // 循环分析依赖
#include "Liveness.h"    // 活跃性分析依赖
#include "AliasAnalysis.h" // 别名分析依赖
#include "IR.h"          // IR定义
#include "Pass.h"        // Pass框架
#include <algorithm>
#include <map>
#include <memory>
#include <optional>
#include <set>
#include <vector>

namespace sysy {

// 前向声明
class LoopCharacteristicsResult;

/**
 * @brief 循环特征信息结构
 * 存储单个循环的各种特征信息
 */
struct LoopCharacteristics {
  Loop* loop;                                    // 关联的循环对象

  // ========== 归纳变量分析 ==========
  std::vector<Value*> basicInductionVars;       // 基本归纳变量 (i = phi(init, i+step))
  std::vector<Value*> derivedInductionVars;     // 派生归纳变量 (j = i * scale + offset)
  std::map<Value*, int> inductionSteps;         // 归纳变量的步长
  std::map<Value*, Value*> inductionInits;      // 归纳变量的初始值
  
  // ========== 循环不变量分析 ==========
  std::set<Value*> loopInvariants;              // 循环不变量 (循环内定义但值不变)
  std::set<Instruction*> invariantInsts;       // 不变指令 (可以外提的指令)
  
  // ========== 循环边界分析 ==========
  std::optional<int> staticTripCount;          // 静态可确定的循环次数
  Value* dynamicTripCountExpr;                 // 动态循环次数表达式
  bool hasKnownBounds;                         // 是否有已知边界
  Value* lowerBound;                           // 循环下界
  Value* upperBound;                           // 循环上界
  
  // ========== 循环形式分析 ==========
  bool isCountingLoop;                         // 是否为计数循环 (for i=0; i<n; i++)
  bool isSimpleForLoop;                        // 是否为简单for循环
  bool hasComplexControlFlow;                  // 是否有复杂控制流 (break, continue)
  bool isInnermost;                            // 是否为最内层循环
  bool isParallel;                             // 是否可并行化
  
  // ========== 内存访问模式 ==========
  struct MemoryAccessPattern {
    bool isSequential;                         // 是否顺序访问 (a[i], a[i+1], ...)
    bool isStrided;                            // 是否跨步访问 (a[2*i], a[3*i], ...)
    int stride;                                // 访问步长
    std::vector<Instruction*> loadInsts;       // load指令列表
    std::vector<Instruction*> storeInsts;      // store指令列表
    
    // 使用外部别名分析结果
    AliasType aliasType;                       // 别名类型（来自别名分析）
    bool isArrayParameter;                     // 是否为数组参数访问
    bool isGlobalArray;                        // 是否为全局数组访问
    bool hasConstantIndices;                   // 是否使用常量索引
  };
  std::map<Value*, MemoryAccessPattern> memoryPatterns; // 内存访问模式
  
  // ========== 循环优化提示 ==========
  bool benefitsFromUnrolling;                  // 是否适合循环展开
  bool benefitsFromVectorization;              // 是否适合向量化
  bool benefitsFromTiling;                     // 是否适合分块
  int suggestedUnrollFactor;                   // 建议的展开因子
  
  // ========== 性能特征 ==========
  size_t instructionCount;                     // 循环体指令数
  size_t memoryOperationCount;                 // 内存操作数
  size_t arithmeticOperationCount;             // 算术操作数
  double computeToMemoryRatio;                 // 计算与内存操作比率
  
  // 构造函数
  LoopCharacteristics(Loop* l) : loop(l), dynamicTripCountExpr(nullptr), 
    hasKnownBounds(false), lowerBound(nullptr), upperBound(nullptr),
    isCountingLoop(false), isSimpleForLoop(false), hasComplexControlFlow(false),
    isInnermost(false), isParallel(false), benefitsFromUnrolling(false),
    benefitsFromVectorization(false), benefitsFromTiling(false),
    suggestedUnrollFactor(1), instructionCount(0), memoryOperationCount(0),
    arithmeticOperationCount(0), computeToMemoryRatio(0.0) {}
};

/**
 * @brief 循环特征分析结果类
 * 包含函数中所有循环的特征信息，并提供查询接口
 */
class LoopCharacteristicsResult : public AnalysisResultBase {
public:
  LoopCharacteristicsResult(Function *F) : AssociatedFunction(F) {}
  ~LoopCharacteristicsResult() override = default;

  // ========== 基础接口 ==========
  
  /**
   * 添加循环特征信息
   */
  void addLoopCharacteristics(std::unique_ptr<LoopCharacteristics> characteristics) {
    auto* loop = characteristics->loop;
    CharacteristicsMap[loop] = std::move(characteristics);
  }
  
  /**
   * 获取指定循环的特征信息
   */
  const LoopCharacteristics* getCharacteristics(Loop* loop) const {
    auto it = CharacteristicsMap.find(loop);
    return (it != CharacteristicsMap.end()) ? it->second.get() : nullptr;
  }
  
  /**
   * 获取所有循环特征信息
   */
  const std::map<Loop*, std::unique_ptr<LoopCharacteristics>>& getAllCharacteristics() const {
    return CharacteristicsMap;
  }

  // ========== 查询接口 ==========
  
  /**
   * 获取所有计数循环
   */
  std::vector<Loop*> getCountingLoops() const {
    std::vector<Loop*> result;
    for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
      if (chars->isCountingLoop) {
        result.push_back(loop);
      }
    }
    return result;
  }
  
  /**
   * 获取所有可向量化循环
   */
  std::vector<Loop*> getVectorizableLoops() const {
    std::vector<Loop*> result;
    for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
      if (chars->benefitsFromVectorization) {
        result.push_back(loop);
      }
    }
    return result;
  }
  
  /**
   * 获取所有适合展开的循环
   */
  std::vector<Loop*> getUnrollCandidateLoops() const {
    std::vector<Loop*> result;
    for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
      if (chars->benefitsFromUnrolling) {
        result.push_back(loop);
      }
    }
    return result;
  }
  
  /**
   * 获取所有可并行化循环
   */
  std::vector<Loop*> getParallelizableLoops() const {
    std::vector<Loop*> result;
    for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
      if (chars->isParallel) {
        result.push_back(loop);
      }
    }
    return result;
  }
  
  /**
   * 获取所有有静态已知循环次数的循环
   */
  std::vector<Loop*> getStaticBoundLoops() const {
    std::vector<Loop*> result;
    for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
      if (chars->staticTripCount.has_value()) {
        result.push_back(loop);
      }
    }
    return result;
  }
  
  /**
   * 根据热度排序循环 (用于优化优先级)
   */
  std::vector<Loop*> getLoopsByHotness() const {
    std::vector<Loop*> result;
    for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
      result.push_back(loop);
    }
    
    // 按循环热度排序 (嵌套深度 + 循环次数 + 指令数)
    std::sort(result.begin(), result.end(), [](Loop* a, Loop* b) {
      double hotnessA = a->getLoopHotness();
      double hotnessB = b->getLoopHotness();
      return hotnessA > hotnessB; // 降序排列
    });
    
    return result;
  }

  // ========== 统计接口 ==========
  
  /**
   * 获取优化候选统计
   */
  struct OptimizationStats {
    size_t totalLoops;
    size_t countingLoops;
    size_t vectorizableLoops;
    size_t unrollCandidates;
    size_t parallelizableLoops;
    size_t staticBoundLoops;
    double avgInstructionCount;
    double avgComputeMemoryRatio;
  };
  
  OptimizationStats getOptimizationStats() const {
    OptimizationStats stats = {};
    stats.totalLoops = CharacteristicsMap.size();
    
    size_t totalInstructions = 0;
    double totalComputeMemoryRatio = 0.0;
    
    for (const auto& [loop, chars] : CharacteristicsMap) {
      if (chars->isCountingLoop) stats.countingLoops++;
      if (chars->benefitsFromVectorization) stats.vectorizableLoops++;
      if (chars->benefitsFromUnrolling) stats.unrollCandidates++;
      if (chars->isParallel) stats.parallelizableLoops++;
      if (chars->staticTripCount.has_value()) stats.staticBoundLoops++;
      
      totalInstructions += chars->instructionCount;
      totalComputeMemoryRatio += chars->computeToMemoryRatio;
    }
    
    if (stats.totalLoops > 0) {
      stats.avgInstructionCount = static_cast<double>(totalInstructions) / stats.totalLoops;
      stats.avgComputeMemoryRatio = totalComputeMemoryRatio / stats.totalLoops;
    }
    
    return stats;
  }

  // 打印分析结果
  void print() const;

private:
  Function *AssociatedFunction;                                    // 关联的函数
  std::map<Loop*, std::unique_ptr<LoopCharacteristics>> CharacteristicsMap; // 循环特征映射
};

/**
 * @brief 循环特征分析遍
 * 基于循环分析结果，分析每个循环的特征信息，为优化决策提供依据
 */
class LoopCharacteristicsPass : public AnalysisPass {
public:
  // 唯一的 Pass ID
  static void *ID;

  LoopCharacteristicsPass() : AnalysisPass("LoopCharacteristics", Pass::Granularity::Function) {}

  // 实现 getPassID
  void *getPassID() const override { return &ID; }

  // 核心运行方法
  bool runOnFunction(Function *F, AnalysisManager &AM) override;

  // 获取分析结果
  std::unique_ptr<AnalysisResultBase> getResult() override { return std::move(CurrentResult); }

private:
  std::unique_ptr<LoopCharacteristicsResult> CurrentResult; // 当前函数的分析结果
  
  // 内部分析方法
  void analyzeLoop(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics, AnalysisManager &AM);
  void identifyInductionVariables(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
  void identifyLoopInvariants(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
  void analyzeLoopBounds(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
  void analyzeLoopForm(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
  void analyzeMemoryAccessPatterns(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
  void evaluateOptimizationOpportunities(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
  void computePerformanceMetrics(Loop* loop, LoopCharacteristics* characteristics);
  
  // 辅助方法
  bool isInductionVariable(Value* val, Loop* loop);
  bool isLoopInvariant(Value* val, Loop* loop);
  bool hasLoopCarriedDependence(Loop* loop);
  int estimateUnrollFactor(Loop* loop);
  bool benefitsFromVectorization(Loop* loop);
};

} // namespace sysy