#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <math.h>
#include <string.h>

//#include "cifar-10/cifar10_manager.h"
#include "mnist/mnist_manager.h"

// Costanti configurabili
#define N_LAYERS 3                // Numero di layer (input, hidden, output)
#define N_NEURONI_HIDDEN 128      // Numero di neuroni nei layer nascosti
#define N_NEURONI_OUTPUT 1        // Un solo neurone di output (binario)
#define N_EPOCHE 100               // Numero di epoche di addestramento
#define LEARNING_RATE 0.01        // Tasso di apprendimento
#define N_INPUTS 784             // Dimensioni di un'immagine CIFAR-10 (32x32x3)

typedef struct {
    double *pesi;
    double bias;
    int size;
} Percettrone;

typedef struct {
    Percettrone *percettroni;
    int size;
} Layer;

typedef struct {
    Layer *layers;
    int size;
} ReteNeurale;


double sigmoide(double);
double relu(double);
double relu_derivata(double);
double softmax(double*, int, int);
ReteNeurale crea_rete();
int prevedi(ReteNeurale*, byte*);
void allena(ReteNeurale*, Dataset*);
void salva_rete(ReteNeurale*, const char*);
ReteNeurale carica_rete(const char*);
void carica_immagini_casuali(Dataset*, byte[][N_INPUTS], byte*);
void fai_previsioni(ReteNeurale*, byte[][N_INPUTS], byte*);
void backpropagation(ReteNeurale*, byte*, byte, double);
double forward_pass(ReteNeurale*, byte*);


// Funzioni di utilità
double sigmoide(double x) {
    return 1.0 / (1.0 + exp(-x));
}

double sigmoide_derivata(double x) {
    return sigmoide(x) * (1 - sigmoide(x));
}

double relu(double x) {
    return x > 0 ? x : 0;
}

double relu_derivata(double x) {
    return x > 0 ? 1 : 0;
}

// Inizializzazione della rete
ReteNeurale crea_rete() {
    ReteNeurale rete;
    rete.size = N_LAYERS;
    rete.layers = (Layer *)malloc(N_LAYERS * sizeof(Layer));

    // Layer di input (non ha pesi, solo pass-through)
    rete.layers[0].size = N_INPUTS;
    rete.layers[0].percettroni = NULL;

    // Layer nascosto
    rete.layers[1].size = N_NEURONI_HIDDEN;
    rete.layers[1].percettroni = (Percettrone *)malloc(N_NEURONI_HIDDEN * sizeof(Percettrone));
    for (int i = 0; i < N_NEURONI_HIDDEN; i++) {
        rete.layers[1].percettroni[i].size = N_INPUTS;
        rete.layers[1].percettroni[i].pesi = (double *)malloc(N_INPUTS * sizeof(double));
        for (int j = 0; j < N_INPUTS; j++) {
            rete.layers[1].percettroni[i].pesi[j] = ((double)rand() / RAND_MAX) * 2 - 1; // Pesi casuali tra -1 e 1
        }
        rete.layers[1].percettroni[i].bias = ((double)rand() / RAND_MAX) * 2 - 1; // Bias casuale tra -1 e 1
    }

    // Layer di output
    rete.layers[2].size = N_NEURONI_OUTPUT;
    rete.layers[2].percettroni = (Percettrone *)malloc(N_NEURONI_OUTPUT * sizeof(Percettrone));
    for (int i = 0; i < N_NEURONI_OUTPUT; i++) {
        rete.layers[2].percettroni[i].size = N_NEURONI_HIDDEN;
        rete.layers[2].percettroni[i].pesi = (double *)malloc(N_NEURONI_HIDDEN * sizeof(double));
        for (int j = 0; j < N_NEURONI_HIDDEN; j++) {
            rete.layers[2].percettroni[i].pesi[j] = ((double)rand() / RAND_MAX) * 2 - 1; // Pesi casuali tra -1 e 1
        }
        rete.layers[2].percettroni[i].bias = ((double)rand() / RAND_MAX) * 2 - 1; // Bias casuale tra -1 e 1
    }

    return rete;
}

// Forward pass
double forward_pass(ReteNeurale *rete, byte *input) {
    double *output_hidden = (double *)malloc(N_NEURONI_HIDDEN * sizeof(double));
    double output_final;

    // Layer nascosto
    for (int i = 0; i < N_NEURONI_HIDDEN; i++) {
        double somma = 0.0;
        for (int j = 0; j < N_INPUTS; j++) {
            somma += input[j] * rete->layers[1].percettroni[i].pesi[j];
        }
        somma += rete->layers[1].percettroni[i].bias;
        output_hidden[i] = relu(somma); // Applica ReLU
    }

    // Layer di output
    double somma = 0.0;
    for (int j = 0; j < N_NEURONI_HIDDEN; j++) {
        somma += output_hidden[j] * rete->layers[2].percettroni[0].pesi[j];
    }
    somma += rete->layers[2].percettroni[0].bias;
    output_final = sigmoide(somma); // Applica sigmoide

    free(output_hidden);
    return output_final;
}

// Backpropagation
void backpropagation(ReteNeurale *rete, byte *input, byte target, double output_final) {
    // Gradiente della loss (binary cross-entropy)
    double grad_output = output_final - target;

    // Gradiente rispetto ai pesi e bias del layer di output
    for (int j = 0; j < N_NEURONI_HIDDEN; j++) {
        rete->layers[2].percettroni[0].pesi[j] -= LEARNING_RATE * grad_output * output_final * (1 - output_final) * input[j];
    }
    rete->layers[2].percettroni[0].bias -= LEARNING_RATE * grad_output * output_final * (1 - output_final);

    // Gradiente rispetto ai pesi e bias del layer nascosto
    double grad_hidden[N_NEURONI_HIDDEN];
    for (int j = 0; j < N_NEURONI_HIDDEN; j++) {
        grad_hidden[j] = grad_output * output_final * (1 - output_final) * rete->layers[2].percettroni[0].pesi[j];
        grad_hidden[j] *= relu_derivata(output_final); // Derivata di ReLU
    }

    for (int j = 0; j < N_NEURONI_HIDDEN; j++) {
        for (int k = 0; k < N_INPUTS; k++) {
            rete->layers[1].percettroni[j].pesi[k] -= LEARNING_RATE * grad_hidden[j] * input[k];
        }
        rete->layers[1].percettroni[j].bias -= LEARNING_RATE * grad_hidden[j];
    }
}

// Addestramento
void allena(ReteNeurale *rete, Dataset *dataset) {
    for (int epoca = 0; epoca < N_EPOCHE; epoca++) {
        printf("Epoca %d\n", epoca+1);
        for (int i = 0; i < dataset->size; i++) {
            byte *input = dataset->istanze[i].dati;
            byte target = (dataset->istanze[i].classificazione == 7) ? 1 : 0; // 1 per cavalli, 0 per il resto

            // Forward pass
            double output_final = forward_pass(rete, input);

            // Backpropagation
            backpropagation(rete, input, target, output_final);
        }
        printf("Epoca %d completata\n", epoca + 1);
    }
}

// Funzione per fare previsioni
int prevedi(ReteNeurale *rete, byte *input) {
    double output_final = forward_pass(rete, input);
    return (output_final >= 0.5) ? 2 : 0; // 2 per cavalli, 0 per il resto
}

// Funzione per caricare 4 immagini casuali dal dataset
void carica_immagini_casuali(Dataset *dataset, byte immagini[4][N_INPUTS], byte *etichette) {
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        int indice_casuale = rand() % dataset->size; // Sceglie un'immagine casuale
        for (int j = 0; j < N_INPUTS; j++) {
            immagini[i][j] = dataset->istanze[indice_casuale].dati[j]; // Copia i dati dell'immagine
        }
        etichette[i] = dataset->istanze[indice_casuale].classificazione; // Copia l'etichetta
    }
}

// Funzione per fare previsioni su 4 immagini
void fai_previsioni(ReteNeurale *rete, byte immagini[4][N_INPUTS], byte *etichette) {
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        int previsione = prevedi(rete, immagini[i]);
        printf("Immagine %d: Etichetta vera = %d, Previsione = %d\n", i + 1, etichette[i], previsione);
    }
}

int main() {
    srand(time(NULL));

    // Creazione della rete
    ReteNeurale rete = crea_rete();

    // Caricamento del dataset (da implementare)
    Dataset *dataset;
    dataset = get_dataset("mnist/train-images.idx3-ubyte", "mnist/train-labels.idx1-ubyte");
    // dataset = carica_dataset("cifar10.bin");

    // Addestramento della rete
    allena(&rete, dataset);

    // Salvataggio della rete
    // salva_rete(&rete, "rete_neurale.bin");

    // Caricamento di 4 immagini casuali
    byte immagini[4][N_INPUTS];
    byte etichette[4];
    carica_immagini_casuali(dataset, immagini, etichette);

    // Previsioni sulle immagini
    fai_previsioni(&rete, immagini, etichette);

    // Liberazione della memoria
    // (Da implementare)

    return 0;
}