Require Import List paco2.
Require Import Util IL.
Require Export SmallStepRelations StateType Sim.

Set Implicit Arguments.
Unset Printing Records.

CoInductive bisim {S} `{StateType S} {S'} `{StateType S'} : S → S' → Prop :=
  | BisimSilent (σ1 σ1':S) (σ2 σ2':S') :
      plus2 step σ1 nil σ1'
      → plus2 step σ2 nil σ2'
      → bisim σ1' σ2'
      → bisim σ1 σ2
  | BisimExtern (pσ1 σ1:S) (pσ2 σ2:S') :
      star2 step pσ1 nil σ1
      → star2 step pσ2 nil σ2
      → activated σ1
      → activated σ2
      → (∀ evt σ1', step σ1 evt σ1' → ∃ σ2', step σ2 evt σ2' ∧ bisim σ1' σ2')
      → (∀ evt σ2', step σ2 evt σ2' → ∃ σ1', step σ1 evt σ1' ∧ bisim σ1' σ2')
      → bisim pσ1 pσ2
  | BisimTerm (σ1 σ1':S) (σ2 σ2':S')
    : result σ1' = result σ2'
      → star2 step σ1 nil σ1'
      → star2 step σ2 nil σ2'
      → normal2 step σ1'
      → normal2 step σ2'
      → bisim σ1 σ2.

Arguments bisim [S] {H} [S'] {H0} _ _.

Lemma bisim_refl {S} `{StateType S} (σ:S)
      : bisim σ σ.
Proof.
  revert σ. cofix.
  intros. destruct (step_dec σ) as [[[] []]|].
  - eapply BisimExtern; intros; eauto using star2_refl; eexists; eauto.
  - eapply BisimSilent; eauto using plus2O.
  - eapply BisimTerm; eauto using star2_refl.
Qed.

Lemma bisim_sym {S} `{StateType S} {S'} `{StateType S'} (σ:S) (σ':S')
      : bisim σ σ' → bisim σ' σ.
Proof.
  revert σ σ'. cofix; intros.
  inv H1.
  - eapply BisimSilent; eauto.
  - eapply BisimExtern; eauto; intros.
    edestruct H7; eauto; dcr. eexists; eauto.
    edestruct H6; eauto; dcr. eexists; eauto.
  - eapply BisimTerm; eauto using star2_refl.
Qed.

Lemma bisim_simp t {S} `{StateType S} {S'} `{StateType S'}
  : ∀ (σ:S) (σ':S'), bisim σ σ' → sim bot3 t σ σ'.
Proof.
  pcofix CIH; intros. invt bisim; pfold; eauto using sim_gen.
  - econstructor 2; eauto.
    + intros. edestruct H6; eauto; dcr; eauto.
    + intros. edestruct H7; eauto; dcr; eauto.
Qed.

Lemma simp_bisim {S} `{StateType S} {S'} `{StateType S'}
  : ∀ (σ:S) (σ':S'), sim bot3 Bisim σ σ' → bisim σ σ'.
Proof.
  cofix CIH; intros.
  assert (sim_gen (paco3 (sim_gen (S:=S) (S':=S')) bot3 \3/ bot3) Bisim σ σ').
  punfold H1.
  inv H2; pclearbot.
  - econstructor 1; eauto.
  - econstructor 2; eauto.
    + intros. edestruct H7; eauto; dcr; pclearbot; eauto.
    + intros. edestruct H8; eauto; dcr; pclearbot; eauto.
  - econstructor 3; eauto.
Qed.

Lemma bisim_trans {S1} `{StateType S1}
      (σ1:S1) {S2} `{StateType S2} (σ2:S2) {S3} `{StateType S3} (σ3:S3)
  : bisim σ1 σ2
    → bisim σ2 σ3
    → bisim σ1 σ3.
Proof.
  intros. eapply simp_bisim.
  eapply bisim_simp in H2.
  eapply bisim_simp in H3.
  eapply (Sim.sim_trans H2 H3).
Qed.

CoInductive sim {S} `{StateType S} {S'} `{StateType S'} : S → S' → Prop :=
  | SimSilent (σ1 σ1':S) (σ2 σ2':S') :
      plus2 step σ1 nil σ1'
      → plus2 step σ2 nil σ2'
      → sim σ1' σ2'
      → sim σ1 σ2
  | SimExtern (pσ1 σ1:S) (pσ2 σ2:S') :
      star2 step pσ1 nil σ1
      → star2 step pσ2 nil σ2
      → activated σ1
      → activated σ2
      → (∀ evt σ1', step σ1 evt σ1' → ∃ σ2', step σ2 evt σ2' ∧ sim σ1' σ2')
      → (∀ evt σ2', step σ2 evt σ2' → ∃ σ1', step σ1 evt σ1' ∧ sim σ1' σ2')
      → sim pσ1 pσ2
  | SimTerm (σ1 σ1':S) (σ2 σ2':S')
    : result σ1' = result σ2'
      → star2 step σ1 nil σ1'
      → star2 step σ2 nil σ2'
      → normal2 step σ1'
      → normal2 step σ2'
      → sim σ1 σ2
  | SimErr (σ1 σ1':S) (σ2:S')
    : result σ1' = None
      → star2 step σ1 nil σ1'
      → normal2 step σ1'
      → sim σ1 σ2.

Arguments bisim [S] {H} [S'] {H0} _ _.

Lemma sim_refl {S} `{StateType S} (σ:S)
      : sim σ σ.
Proof.
  revert σ. cofix.
  intros. destruct (step_dec σ) as [[[] []]|].
  - eapply SimExtern; intros; eauto using star2_refl; eexists; eauto.
  - eapply SimSilent; eauto using plus2O.
  - eapply SimTerm; eauto using star2_refl.
Qed.

Lemma sim_simp {S} `{StateType S} {S'} `{StateType S'}
  : ∀ (σ:S) (σ':S'), sim σ σ' → Sim.sim bot3 Sim σ σ'.
Proof.
  pcofix CIH; intros. inv H2; pfold; eauto using sim_gen.
  - econstructor 2; eauto.
    + intros. edestruct H6; eauto; dcr; eauto.
    + intros. edestruct H7; eauto; dcr; eauto.
Qed.

Lemma simp_sim t {S} `{StateType S} {S'} `{StateType S'}
  : ∀ (σ:S) (σ':S'), Sim.sim bot3 t σ σ' → sim σ σ'.
Proof.
  cofix CIH; intros.
  assert (sim_gen (paco3 (sim_gen (S:=S) (S':=S')) bot3 \3/ bot3) t σ σ').
  punfold H1.
  inversion H2; pclearbot.
  - econstructor 1; eauto.
  - econstructor 2; eauto.
    + intros. edestruct H7; eauto; dcr; pclearbot; eauto.
    + intros. edestruct H8; eauto; dcr; pclearbot; eauto.
  - econstructor 4; eauto.
  - econstructor 3; eauto.
Qed.

Lemma sim_trans {S1} `{StateType S1}
      (σ1:S1) {S2} `{StateType S2} (σ2:S2) {S3} `{StateType S3} (σ3:S3)
  : sim σ1 σ2
    → sim σ2 σ3
    → sim σ1 σ3.
Proof.
  intros. eapply simp_sim.
  eapply sim_simp in H2.
  eapply sim_simp in H3.
  eapply (Sim.sim_trans H2 H3).
Qed.

Arguments sim_trans [S1] {H} σ1 [S2] {H0} σ2 [S3] {H1} σ3 _ _.

Definition same_call (e e':extern) := extern_fnc e = extern_fnc e' ∧ extern_args e = extern_args e'.

Definition receptive S `{StateType S} :=
  ∀ σ σ' ext, step σ (EvtExtern ext) σ'
              → ∀ ext', same_call ext ext' → ∃ σ'', step σ (EvtExtern ext') σ''.

Arguments receptive S [H].

Definition determinate S `{StateType S} :=
  ∀ σ σ' σ'' ext ext', step σ (EvtExtern ext) σ'
              → step σ (EvtExtern ext') σ'' → same_call ext ext'.

Arguments determinate S [H].

Lemma bisimExternDet {S} `{StateType S} {S'} `{StateType S'} (pσ1:S) (pσ2:S') (σ1:S) (σ2:S')
      (RCPT:receptive S) (DET:determinate S')
: star2 step pσ1 nil σ1
  → star2 step pσ2 nil σ2
  → activated σ1
  → (∀ evt σ1', step σ1 evt σ1' → ∃ σ2', step σ2 evt σ2' ∧ bisim σ1' σ2')
  → bisim pσ1 pσ2.
Proof.
  intros.
  econstructor 2; eauto.
  - inv H3. dcr. edestruct H4; eauto. firstorder.
  - intros. inv H3. dcr. exploit H4; eauto; dcr.
    destruct evt.
    + exploit DET. eauto. eapply H5.
      exploit RCPT; eauto. dcr.
      exploit H4. eapply H11. dcr.
      eexists; split. eapply H11.
      exploit step_externally_determined. Focus 3.
      instantiate (2:=σ2') in H8. rewrite H8. eapply H14.
      eauto. eauto.
    + exfalso. exploit step_internally_deterministic; eauto; dcr. congruence.
Qed.