/* Copyright (c) 2019, Anthony Latorre <tlatorre at uchicago>
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 */

#include "likelihood.h"
#include <stdio.h>
#include "zebra.h"
#include "Record_Info.h"
#include "event.h"
#include "zdab_utils.h"
#include "scattering.h"
#include "pmt.h"
#include "sno_charge.h"
#include "db.h"
#include "dqxx.h"
#include <nlopt.h>
#include <math.h> /* for sin(), cos(), etc. */
#include <sys/time.h> /* for gettimeofday() */
#include <inttypes.h> /* for PRIu32 macro */
#include <string.h> /* for memcpy() */
#include <errno.h> /* for errno */
#include "pdg.h"
#include "optics.h"
#include "vector.h"
#include "pmt_response.h"
#include <signal.h> /* for signal() */
#include "release.h"
#include "id_particles.h"
#include "misc.h"
#include "quad.h"
#include "sno.h"
#include "find_peaks.h"
#include "util.h"
#include "dc.h"
#include "electron.h"
#include "muon.h"
#include "proton.h"
#include "hdf5.h"
#include "hdf5_utils.h"
#include <gsl/gsl_sort.h>
#include <gsl/gsl_cdf.h>
#include <gsl/gsl_roots.h>

/* Maximum number of fit parameters. Should be at least 4 + 3*MAX_VERTICES. */
#define MAX_PARS 100

/* Maximum number of peaks to search for in Hough transform. */
#define MAX_NPEAKS 10

/* Maximum number of events, primary seed particle tracks, and fits.
 *
 * FIXME: I should write out the events, tracks, and fits as they come up
 * instead of storing them until the end. */
#define MAX_NEVENTS 1000000

char *GitSHA1(void);
char *GitDirty(void);

static int stop = 0;
static int quit = 0;
static nlopt_opt opt;

#define EV_RECORD      0x45562020 // 'EV  '
#define MCTK_RECORD    0x4d43544b // 'MCTK'
#define MCVX_RECORD    0x4d435658 // 'MCVX'

char *flikelihood;

static size_t iter;

typedef struct fitParams {
    event *ev;
    double dx;
    double ns;
    int fast;
    int print;
    int id[MAX_VERTICES];
    size_t n;
    int charge_only;
    int hit_only;
} fitParams;

int particles[] = {
    IDP_E_MINUS,
    IDP_MU_MINUS,
};

/* In order to start the fitter close to the minimum, we first do a series of
 * "quick" minimizations starting at the following points. We keep track of the
 * parameters with the best likelihood value and then start the "real"
 * minimization from those parameters. */

static struct startingParameters {
    double x;
    double y;
    double z;
} startingParameters[] = {
    {-800.0,-800.0,-800.0},
    {-800.0,-800.0,-700.0},
    {-800.0,-800.0,-600.0},
    {-800.0,-800.0,-500.0},
    {-800.0,-800.0,-400.0},
    {-800.0,-800.0,-300.0},
    {-800.0,-800.0,-200.0},
    {-800.0,-800.0,-100.0},
    {-800.0,-800.0,   0.0},
    {-800.0,-800.0, 100.0},
    {-800.0,-800.0, 200.0},
    {-800.0,-800.0, 300.0},
    {-800.0,-800.0, 400.0},
    {-800.0,-800.0, 500.0},
    {-800.0,-800.0, 600.0},
    {-800.0,-800.0, 700.0},
    {-800.0,-800.0, 800.0},
    {-800.0,-700.0,-800.0},
    {-800.0,-700.0,-700.0},
    {-800.0,-700.0,-600.0},
    {-800.0,-700.0,-500.0},
    {-800.0,-700.0,-400.0},
    {-800.0,-700.0,-300.0},
    {-800.0,-700.0,-200.0},
    {-800.0,-700.0,-100.0},
    {-800.0,-700.0,   0.0},
    {-800.0,-700.0, 100.0},
    {-800.0,-700.0, 200.0},
    {-800.0,-700.0, 300.0},
    {-800.0,-700.0, 400.0},
    {-800.0,-700.0, 500.0},
    {-800.0,-700.0, 600.0},
    {-800.0,-700.0, 700.0},
    {-800.0,-700.0, 800.0},
    {-800.0,-600.0,-800.0},
    {-800.0,-600.0,-700.0},
    {-800.0,-600.0,-600.0},
    {-800.0,-600.0,-500.0},
    {-800.0,-600.0,-400.0},
    {-800.0,-600.0,-300.0},
    {-800.0,-600.0,-200.0},
    {-800.0,-600.0,-100.0},
    {-800.0,-600.0,   0.0},
    {-800.0,-600.0, 100.0},
    {-800.0,-600.0, 200.0},
    {-800.0,-600.0, 300.0},
    {-800.0,-600.0, 400.0},
    {-800.0,-600.0, 500.0},
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    {-800.0,-400.0, 800.0},
    {-800.0,-300.0,-800.0},
    {-800.0,-300.0,-700.0},
    {-800.0,-300.0,-600.0},
    {-800.0,-300.0,-500.0},
    {-800.0,-300.0,-400.0},
    {-800.0,-300.0,-300.0},
    {-800.0,-300.0,-200.0},
    {-800.0,-300.0,-100.0},
    {-800.0,-300.0,   0.0},
    {-800.0,-300.0, 100.0},
    {-800.0,-300.0, 200.0},
    {-800.0,-300.0, 300.0},
    {-800.0,-300.0, 400.0},
    {-800.0,-300.0, 500.0},
    {-800.0,-300.0, 600.0},
    {-800.0,-300.0, 700.0},
    {-800.0,-300.0, 800.0},
    {-800.0,-200.0,-800.0},
    {-800.0,-200.0,-700.0},
    {-800.0,-200.0,-600.0},
    {-800.0,-200.0,-500.0},
    {-800.0,-200.0,-400.0},
    {-800.0,-200.0,-300.0},
    {-800.0,-200.0,-200.0},
    {-800.0,-200.0,-100.0},
    {-800.0,-200.0,   0.0},
    {-800.0,-200.0, 100.0},
    {-800.0,-200.0, 200.0},
    {-800.0,-200.0, 300.0},
    {-800.0,-200.0, 400.0},
    {-800.0,-200.0, 500.0},
    {-800.0,-200.0, 600.0},
    {-800.0,-200.0, 700.0},
    {-800.0,-200.0, 800.0},
    {-800.0,-100.0,-800.0},
    {-800.0,-100.0,-700.0},
    {-800.0,-100.0,-600.0},
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    {-800.0,-100.0,-400.0},
    {-800.0,-100.0,-300.0},
    {-800.0,-100.0,-200.0},
    {-800.0,-100.0,-100.0},
    {-800.0,-100.0,   0.0},
    {-800.0,-100.0, 100.0},
    {-800.0,-100.0, 200.0},
    {-800.0,-100.0, 300.0},
    {-800.0,-100.0, 400.0},
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    {-800.0,-100.0, 600.0},
    {-800.0,-100.0, 700.0},
    {-800.0,-100.0, 800.0},
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    { 800.0,-200.0,-700.0},
    { 800.0,-200.0,-600.0},
    { 800.0,-200.0,-500.0},
    { 800.0,-200.0,-400.0},
    { 800.0,-200.0,-300.0},
    { 800.0,-200.0,-200.0},
    { 800.0,-200.0,-100.0},
    { 800.0,-200.0,   0.0},
    { 800.0,-200.0, 100.0},
    { 800.0,-200.0, 200.0},
    { 800.0,-200.0, 300.0},
    { 800.0,-200.0, 400.0},
    { 800.0,-200.0, 500.0},
    { 800.0,-200.0, 600.0},
    { 800.0,-200.0, 700.0},
    { 800.0,-200.0, 800.0},
    { 800.0,-100.0,-800.0},
    { 800.0,-100.0,-700.0},
    { 800.0,-100.0,-600.0},
    { 800.0,-100.0,-500.0},
    { 800.0,-100.0,-400.0},
    { 800.0,-100.0,-300.0},
    { 800.0,-100.0,-200.0},
    { 800.0,-100.0,-100.0},
    { 800.0,-100.0,   0.0},
    { 800.0,-100.0, 100.0},
    { 800.0,-100.0, 200.0},
    { 800.0,-100.0, 300.0},
    { 800.0,-100.0, 400.0},
    { 800.0,-100.0, 500.0},
    { 800.0,-100.0, 600.0},
    { 800.0,-100.0, 700.0},
    { 800.0,-100.0, 800.0},
    { 800.0,   0.0,-800.0},
    { 800.0,   0.0,-700.0},
    { 800.0,   0.0,-600.0},
    { 800.0,   0.0,-500.0},
    { 800.0,   0.0,-400.0},
    { 800.0,   0.0,-300.0},
    { 800.0,   0.0,-200.0},
    { 800.0,   0.0,-100.0},
    { 800.0,   0.0,   0.0},
    { 800.0,   0.0, 100.0},
    { 800.0,   0.0, 200.0},
    { 800.0,   0.0, 300.0},
    { 800.0,   0.0, 400.0},
    { 800.0,   0.0, 500.0},
    { 800.0,   0.0, 600.0},
    { 800.0,   0.0, 700.0},
    { 800.0,   0.0, 800.0},
    { 800.0, 100.0,-800.0},
    { 800.0, 100.0,-700.0},
    { 800.0, 100.0,-600.0},
    { 800.0, 100.0,-500.0},
    { 800.0, 100.0,-400.0},
    { 800.0, 100.0,-300.0},
    { 800.0, 100.0,-200.0},
    { 800.0, 100.0,-100.0},
    { 800.0, 100.0,   0.0},
    { 800.0, 100.0, 100.0},
    { 800.0, 100.0, 200.0},
    { 800.0, 100.0, 300.0},
    { 800.0, 100.0, 400.0},
    { 800.0, 100.0, 500.0},
    { 800.0, 100.0, 600.0},
    { 800.0, 100.0, 700.0},
    { 800.0, 100.0, 800.0},
    { 800.0, 200.0,-800.0},
    { 800.0, 200.0,-700.0},
    { 800.0, 200.0,-600.0},
    { 800.0, 200.0,-500.0},
    { 800.0, 200.0,-400.0},
    { 800.0, 200.0,-300.0},
    { 800.0, 200.0,-200.0},
    { 800.0, 200.0,-100.0},
    { 800.0, 200.0,   0.0},
    { 800.0, 200.0, 100.0},
    { 800.0, 200.0, 200.0},
    { 800.0, 200.0, 300.0},
    { 800.0, 200.0, 400.0},
    { 800.0, 200.0, 500.0},
    { 800.0, 200.0, 600.0},
    { 800.0, 200.0, 700.0},
    { 800.0, 200.0, 800.0},
    { 800.0, 300.0,-800.0},
    { 800.0, 300.0,-700.0},
    { 800.0, 300.0,-600.0},
    { 800.0, 300.0,-500.0},
    { 800.0, 300.0,-400.0},
    { 800.0, 300.0,-300.0},
    { 800.0, 300.0,-200.0},
    { 800.0, 300.0,-100.0},
    { 800.0, 300.0,   0.0},
    { 800.0, 300.0, 100.0},
    { 800.0, 300.0, 200.0},
    { 800.0, 300.0, 300.0},
    { 800.0, 300.0, 400.0},
    { 800.0, 300.0, 500.0},
    { 800.0, 300.0, 600.0},
    { 800.0, 300.0, 700.0},
    { 800.0, 300.0, 800.0},
    { 800.0, 400.0,-800.0},
    { 800.0, 400.0,-700.0},
    { 800.0, 400.0,-600.0},
    { 800.0, 400.0,-500.0},
    { 800.0, 400.0,-400.0},
    { 800.0, 400.0,-300.0},
    { 800.0, 400.0,-200.0},
    { 800.0, 400.0,-100.0},
    { 800.0, 400.0,   0.0},
    { 800.0, 400.0, 100.0},
    { 800.0, 400.0, 200.0},
    { 800.0, 400.0, 300.0},
    { 800.0, 400.0, 400.0},
    { 800.0, 400.0, 500.0},
    { 800.0, 400.0, 600.0},
    { 800.0, 400.0, 700.0},
    { 800.0, 400.0, 800.0},
    { 800.0, 500.0,-800.0},
    { 800.0, 500.0,-700.0},
    { 800.0, 500.0,-600.0},
    { 800.0, 500.0,-500.0},
    { 800.0, 500.0,-400.0},
    { 800.0, 500.0,-300.0},
    { 800.0, 500.0,-200.0},
    { 800.0, 500.0,-100.0},
    { 800.0, 500.0,   0.0},
    { 800.0, 500.0, 100.0},
    { 800.0, 500.0, 200.0},
    { 800.0, 500.0, 300.0},
    { 800.0, 500.0, 400.0},
    { 800.0, 500.0, 500.0},
    { 800.0, 500.0, 600.0},
    { 800.0, 500.0, 700.0},
    { 800.0, 500.0, 800.0},
    { 800.0, 600.0,-800.0},
    { 800.0, 600.0,-700.0},
    { 800.0, 600.0,-600.0},
    { 800.0, 600.0,-500.0},
    { 800.0, 600.0,-400.0},
    { 800.0, 600.0,-300.0},
    { 800.0, 600.0,-200.0},
    { 800.0, 600.0,-100.0},
    { 800.0, 600.0,   0.0},
    { 800.0, 600.0, 100.0},
    { 800.0, 600.0, 200.0},
    { 800.0, 600.0, 300.0},
    { 800.0, 600.0, 400.0},
    { 800.0, 600.0, 500.0},
    { 800.0, 600.0, 600.0},
    { 800.0, 600.0, 700.0},
    { 800.0, 600.0, 800.0},
    { 800.0, 700.0,-800.0},
    { 800.0, 700.0,-700.0},
    { 800.0, 700.0,-600.0},
    { 800.0, 700.0,-500.0},
    { 800.0, 700.0,-400.0},
    { 800.0, 700.0,-300.0},
    { 800.0, 700.0,-200.0},
    { 800.0, 700.0,-100.0},
    { 800.0, 700.0,   0.0},
    { 800.0, 700.0, 100.0},
    { 800.0, 700.0, 200.0},
    { 800.0, 700.0, 300.0},
    { 800.0, 700.0, 400.0},
    { 800.0, 700.0, 500.0},
    { 800.0, 700.0, 600.0},
    { 800.0, 700.0, 700.0},
    { 800.0, 700.0, 800.0},
    { 800.0, 800.0,-800.0},
    { 800.0, 800.0,-700.0},
    { 800.0, 800.0,-600.0},
    { 800.0, 800.0,-500.0},
    { 800.0, 800.0,-400.0},
    { 800.0, 800.0,-300.0},
    { 800.0, 800.0,-200.0},
    { 800.0, 800.0,-100.0},
    { 800.0, 800.0,   0.0},
    { 800.0, 800.0, 100.0},
    { 800.0, 800.0, 200.0},
    { 800.0, 800.0, 300.0},
    { 800.0, 800.0, 400.0},
    { 800.0, 800.0, 500.0},
    { 800.0, 800.0, 600.0},
    { 800.0, 800.0, 700.0},
    { 800.0, 800.0, 800.0},
};

static double nlopt_nll2(unsigned int n, const double *x, double *grad, void *params)
{
    size_t i;
    fitParams *fpars = (fitParams *) params;
    double theta, phi;
    double fval;
    struct timeval tv_start, tv_stop;
    vertex v[MAX_VERTICES];

    if (stop) nlopt_force_stop(opt);

    for (i = 0; i < fpars->n; i++) {
        v[i].id = fpars->id[i];

        v[i].T0 = x[4+3*i];

        v[i].pos[0] = x[0];
        v[i].pos[1] = x[1];
        v[i].pos[2] = x[2];
        v[i].t0 = x[3];

        theta = x[5+3*i];
        phi = x[6+3*i];
        v[i].dir[0] = sin(theta)*cos(phi);
        v[i].dir[1] = sin(theta)*sin(phi);
        v[i].dir[2] = cos(theta);

        v[i].n = 0;
    }

    gettimeofday(&tv_start, NULL);
    fval = nll(fpars->ev, v, fpars->n, fpars->dx, fpars->ns, fpars->fast, fpars->charge_only, fpars->hit_only);
    gettimeofday(&tv_stop, NULL);

    long long elapsed = (tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec)*1000 + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1000;

    if (fpars->print) {
        printf("%5zu %7.2f %7.2f %7.2f %6.2f ",
               iter++,
               x[0],
               x[1],
               x[2],
               x[3]);

        for (i = 0; i < fpars->n; i++)
            printf("%10.2f %7.2f %7.2f ",
                   x[4+3*i],
                   x[5+3*i],
                   x[6+3*i]);

        printf("f() = %7.3e took %lld ms\n", fval, elapsed);
    }

    return fval;
}

static double nlopt_nll(unsigned int n, const double *x, double *grad, void *params)
{
    fitParams *fpars = (fitParams *) params;
    double theta, phi;
    double fval;
    struct timeval tv_start, tv_stop;
    vertex v;

    if (stop) nlopt_force_stop(opt);

    v.id = fpars->id[0];

    v.T0 = x[0];

    v.pos[0] = x[1];
    v.pos[1] = x[2];
    v.pos[2] = x[3];

    theta = x[4];
    phi = x[5];
    v.dir[0] = sin(theta)*cos(phi);
    v.dir[1] = sin(theta)*sin(phi);
    v.dir[2] = cos(theta);

    v.t0 = x[6];

    v.z1[0] = x[7];
    v.z2[0] = x[8];

    v.n = 1;

    gettimeofday(&tv_start, NULL);
    fval = nll(fpars->ev, &v, 1, fpars->dx, fpars->ns, fpars->fast, fpars->charge_only, fpars->hit_only);
    gettimeofday(&tv_stop, NULL);

    long long elapsed = (tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec)*1000 + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1000;

    if (fpars->print)
        printf("%5zu %10.2f %7.2f %7.2f %7.2f %5.2f %5.2f %6.2f %5.2f %5.2f f() = %7.3e took %lld ms\n",
               iter++,
               x[0],
               x[1],
               x[2],
               x[3],
               x[4],
               x[5],
               x[6],
               x[7],
               x[8],
               fval,
               elapsed);

    return fval;
}

double guess_t0(event *ev, double *pos)
{
    /* Returns a guess for the t0 of event `ev` given a position `pos`. The t0
     * is calculated by computing the charge weighted average of the time
     * difference between each PMT's hit time and the time it would take a
     * photon to travel from `pos` to the PMT. */
    size_t i;
    double pmt_dir[3], distance, t0, n, qhs_sum;

    /* Compute the index of refraction for heavy water at 400 nm. */
    n = get_index_snoman_d2o(400.0);

    t0 = 0.0;
    qhs_sum = 0.0;
    for (i = 0; i < MAX_PMTS; i++) {
        /* Only look at normal PMTs that were hit and aren't flagged. */
        if (ev->pmt_hits[i].flags || pmts[i].pmt_type != PMT_NORMAL || !ev->pmt_hits[i].hit) continue;

        /* Compute the vector between `pos` and the PMT. */
        SUB(pmt_dir,pmts[i].pos,pos);

        /* Compute the distance to the PMT. */
        distance = NORM(pmt_dir);

        /* Add the charge weighted time difference between the PMT hit time and
         * the time it would take a photon to hit the PMT from `pos`. */
        t0 += ev->pmt_hits[i].q*(ev->pmt_hits[i].t - distance*n/SPEED_OF_LIGHT);

        qhs_sum += ev->pmt_hits[i].q;
    }

    /* Divide by the total QHS sum. */
    t0 /= qhs_sum;

    return t0;
}

void guess_direction(event *ev, double *pos, double *theta, double *phi)
{
    /* Returns the approximate direction of the event from a given position.
     * The direction is computed by taking the charge weighted average of the
     * vectors from `pos` to each hit PMT.
     *
     * A possible improvement here is to do something like a Hough transform
     * where we map PMT hits to cones with a 42 degree angle and then search
     * for the highest point in the transformed space. This method might also
     * generalize better when searching for a second ring since we can look for
     * secondary peaks not near the highest peak. */
    size_t i;
    double pmt_dir[3], dir[3];

    dir[0] = 0.0;
    dir[1] = 0.0;
    dir[2] = 0.0;

    for (i = 0; i < MAX_PMTS; i++) {
        /* Only look at normal PMTs that were hit and aren't flagged. */
        if (ev->pmt_hits[i].flags || pmts[i].pmt_type != PMT_NORMAL || !ev->pmt_hits[i].hit) continue;

        /* Compute the vector between `pos` and the PMT. */
        SUB(pmt_dir,pmts[i].pos,pos);

        /* Normalize it. */
        normalize(pmt_dir);

        /* Multiply the vector by the QHS charge in the PMT. */
        MUL(pmt_dir,ev->pmt_hits[i].q);

        /* Add this to the estimated direction. */
        ADD(dir,dir,pmt_dir);
    }

    /* Normalize the charge weighted sum. */
    normalize(dir);

    /* Compute the spherical coordinates for `dir`. */
    *theta = acos(dir[2]);
    *phi = atan2(dir[1],dir[0]);
}

/* Returns the expected number of detected photons for a particle with type
 * `id` and kinetic energy `T0`. `distance` should be the distance to the PSUP
 * in cm. */
double get_expected_photons(int id, double T0, double distance, double cos_theta)
{
    particle *p;
    double nphotons, E0, p0, beta0;

    p = particle_init(id, T0, 1000);

    /* Calculate total energy */
    E0 = T0 + p->mass;
    p0 = sqrt(E0*E0 - p->mass*p->mass);
    beta0 = p0/E0;

    /* First we calculate the photons from Cerenkov emission of the particle
     * itself. */
    switch (id) {
    case IDP_E_MINUS:
    case IDP_E_PLUS:
    case IDP_MU_MINUS:
    case IDP_MU_PLUS:
    case IDP_PROTON:
        nphotons = get_probability2(beta0)*fmin(p->range,distance);
        break;
    default:
        fprintf(stderr, "unknown particle id %i\n", id);
        particle_free(p);
        exit(1);
    }

    /* Now, we add the expected number of shower photons. */
    if (p->shower_photons)
        nphotons += p->shower_photons*gsl_cdf_gamma_P(distance,p->pos_a,p->pos_b)*(1-interp1d(cos_theta,p->cos_theta,p->cdf_shower,p->n));

    /* Now, we add the expected number of delta ray photons. */
    if (p->delta_ray_photons) {
        if (distance > p->range)
            nphotons += p->delta_ray_photons*(1-interp1d(cos_theta,p->cos_theta,p->cdf_delta,p->n));
        else
            nphotons += p->delta_ray_photons*distance/p->range*(1-interp1d(cos_theta,p->cos_theta,p->cdf_delta,p->n));
    }

    particle_free(p);

    /* Finally we multiply by the average quantum efficiency and divide by 2 to
     * account for the PMT coverage. */
    return nphotons*get_weighted_quantum_efficiency()/2.0;
}

typedef struct guessEnergyParams {
    int id;
    double distance;
    double qhs_sum;
    double cos_theta;
} guessEnergyParams;

/* Returns the expected number of photons minus the observed number of PE. This
 * function is used to bisect the most likely energy using Brent's method. */
static double get_expected_photons_root(double T0, void *params)
{
    guessEnergyParams *pars;

    pars = (guessEnergyParams *) params;

    return get_expected_photons(pars->id,T0,pars->distance,pars->cos_theta) - pars->qhs_sum;
}

/* Returns the most likely kinetic energy for a given particle hypothesis.
 * `qhs_sum` should be the sum of the observed charge in units of PE.
 * `distance` is the distance to the PSUP in cm. `id` is the particle ID.
 *
 * On success, returns 0 and `T0` is set to the most likely energy. If there
 * was an error bisecting the most likely energy, returns -1. */
int bisect_energy(double qhs_sum, double distance, int id, double cos_theta, double *T0)
{
    int status;
    gsl_root_fsolver *s;
    gsl_function F;
    int iter = 0, max_iter = 100;
    double x_lo, x_hi;
    double mass, Tmin, Tmax;
    guessEnergyParams pars;
    double n_d2o;

    n_d2o = get_index_snoman_d2o(400.0);

    pars.id = id;
    pars.distance = distance;
    pars.qhs_sum = qhs_sum;
    pars.cos_theta = cos_theta;

    switch (id) {
    case IDP_E_MINUS:
    case IDP_E_PLUS:
        mass = ELECTRON_MASS;
        Tmax = electron_get_max_energy();
        break;
    case IDP_MU_MINUS:
    case IDP_MU_PLUS:
        mass = MUON_MASS;
        Tmax = muon_get_max_energy();
        break;
    case IDP_PROTON:
        mass = PROTON_MASS;
        Tmax = proton_get_max_energy();
        break;
    default:
        fprintf(stderr, "unknown particle id %i\n", id);
        exit(1);
    }

    /* Calculate the Cerenkov threshold for a muon. */
    Tmin = mass/sqrt(1.0-1.0/(n_d2o*n_d2o)) - mass;

    if (get_expected_photons(id,Tmin,distance,cos_theta) > qhs_sum)
        return Tmin;

    if (get_expected_photons(id,Tmax,distance,cos_theta) < qhs_sum)
        return Tmax;

    s = gsl_root_fsolver_alloc(gsl_root_fsolver_brent);

    F.function = &get_expected_photons_root;
    F.params = &pars;

    gsl_root_fsolver_set(s, &F, Tmin, Tmax);

    do {
        iter++;
        status = gsl_root_fsolver_iterate(s);
        *T0 = gsl_root_fsolver_root(s);
        x_lo = gsl_root_fsolver_x_lower(s);
        x_hi = gsl_root_fsolver_x_upper(s);

        /* Find the root to within 1e-10 MeV. */
        status = gsl_root_test_interval(x_lo, x_hi, 1e-10, 0);

        if (status == GSL_SUCCESS) break;
    } while (status == GSL_CONTINUE && iter < max_iter);

    gsl_root_fsolver_free(s);

    return status == GSL_SUCCESS ? 0 : -1;
}

/* Returns the approximate energy for a particle at position `pos` in direction
 * `dir`. This guess is made by summing up all the charge within a Cerenkov
 * cone and then bisecting the energy at which that many photons would be
 * produced. */
double guess_energy(event *ev, double *pos, double *dir, int id)
{
    size_t i;
    double qhs_sum, n_d2o;
    double pmt_dir[3];
    double T0;
    double distance_to_psup;

    n_d2o = get_index_snoman_d2o(400.0);

    qhs_sum = 0.0;
    for (i = 0; i < MAX_PMTS; i++) {
        if (ev->pmt_hits[i].flags || pmts[i].pmt_type != PMT_NORMAL || !ev->pmt_hits[i].hit) continue;
        SUB(pmt_dir,pmts[i].pos,pos);
        normalize(pmt_dir);
        if (DOT(pmt_dir,dir) > 1/n_d2o)
            qhs_sum += ev->pmt_hits[i].q;
    }

    if (NORM(pos) > PSUP_RADIUS || !intersect_sphere(pos,dir,PSUP_RADIUS,&distance_to_psup)) {
        /* If the particle is outside the PSUP or it doesn't intersect the
         * PSUP we just assume it produces no light. */
        fprintf(stderr, "guess_energy: particle doesn't intersect PSUP!\n");
        distance_to_psup = PSUP_RADIUS;
    }

    if (bisect_energy(qhs_sum, distance_to_psup, id, 1/n_d2o, &T0))
        return qhs_sum/6.0;

    return T0;
}

int fit_event2(event *ev, double *xopt, double *fmin, int *id, size_t n, double maxtime, double f)
{
    /* Fit the event `ev` under the hypothesis that it's from `n` particles
     * with ids `id`. The best fit parameters are stored in `xopt` upon success
     * and the negative log likelihood value at the minimum is stored in
     * `fmin`. The order of the parameters in `xopt` is:
     *
     *     xopt[0] - x position (cm)
     *     xopt[1] - y position (cm)
     *     xopt[2] - z position (cm)
     *     xopt[3] - t0 (ns)
     *     xopt[4] - Kinetic energy of particle 1 (MeV)
     *     xopt[5] - Theta direction of particle 1 (radians)
     *     xopt[6] - Phi direction of particle 1 (radians)
     *     xopt[7] - Kinetic energy of particle 2 (MeV)
     *     xopt[8] - Theta direction of particle 2 (radians)
     *     xopt[9] - Phi direction of particle 2 (radians)
     *     ...
     *
     * `xopt` should be an array with at least 4+3*n elements.
     *
     * `maxtime` specifies the maximum time to perform the fit in seconds. Note
     * that before doing the full fit we try to calculate a good seed position
     * by running a "fast" likelihood calculation. This time does not count
     * towards the maximum so it is possible for the fit to take slighly longer
     * than maxtime.
     *
     * `id` should be an array of the particle ids (see id_particle.h for the
     * macros defining the particle types).
     *
     * On success returns 0, and on error returns NLOPT_FORCED_STOP. This error
     * is caused when the minimization is forced to halt when for example you
     * press ctrl-c. */
    size_t i, j;
    fitParams fpars;
    double x[100], ss[100], lb[100], ub[100], fval, n_d2o, x0[100], T0, Tmin, mass, pos[3], t0, dir[3], Tmax;
    struct timeval tv_start, tv_stop;
    double time_elapsed;
    double peak_theta[MAX_NPEAKS];
    double peak_phi[MAX_NPEAKS];
    size_t npeaks;
    size_t *result;
    size_t nvertices;
    int status;
    int rv;

    /* Create the minimizer object. */
    opt = nlopt_create(NLOPT_LN_BOBYQA, 4+3*n);
    nlopt_set_min_objective(opt,nlopt_nll2,&fpars);

    /* Guess the position and t0 of the event using the QUAD fitter. */
    status = quad(ev,pos,&t0,10000,f);

    if (status || t0 > GTVALID || NORM(pos) > PSUP_RADIUS) {
        /* If the QUAD fitter fails or returns something outside the PSUP or
         * with an invalid time we just assume it's at the center. */
        fprintf(stderr, "quad returned pos = %.2f, %.2f, %.2f t0 = %.2f. Assuming vertex is at the center!\n",
                pos[0], pos[1], pos[2], t0);
        pos[0] = 0.0;
        pos[1] = 0.0;
        pos[2] = 0.0;
        t0 = guess_t0(ev,pos);
    }

    /* Set the initial parameters for the parameters which don't change during
     * the fast minimization. */
    x0[0] = pos[0];
    x0[1] = pos[1];
    x0[2] = pos[2];
    x0[3] = t0;

    /* Set the initial step sizes for the parameters which don't change during
     * the fast minimization. */
    ss[0] = 10.0;
    ss[1] = 10.0;
    ss[2] = 10.0;
    ss[3] = 1.0;

    /* Set the lower bound for the parameters which don't change during the
     * fast minimization. */
    lb[0] = -1000.0;
    lb[1] = -1000.0;
    lb[2] = -1000.0;
    lb[3] = -100.0;

    /* Set the upper bound for the parameters which don't change during the
     * fast minimization. */
    ub[0] = +1000.0;
    ub[1] = +1000.0;
    ub[2] = +1000.0;
    ub[3] = GTVALID;

    /* Find the peaks in the Hough transform of the event. */
    find_peaks(ev, pos, t0, 100, 100, peak_theta, peak_phi, &npeaks, LEN(peak_theta), 0.1);

    /* Don't fit more than 3 peaks for now. */
    if (npeaks > 3) npeaks = 3;

    result = malloc(sizeof(size_t)*n*ipow(npeaks,n));

    /* Compute the set of all unique combinations of particles and directions. */
    unique_vertices(id,n,npeaks,result,&nvertices);

    /* Compute the index of refraction in D2O. */
    n_d2o = get_index_snoman_d2o(400.0);

    fpars.ev = ev;

    /* Set the global iteration count back to zero.
     *
     * FIXME: Some way to do this which is thread safe? */
    iter = 0;

    /* First we do a set of "quick" minimizations to try and start the
     * minimizer close to the minimum. */
    fpars.dx = 1.0;
    fpars.ns = 10;
    fpars.fast = 0;
    fpars.hit_only = 0;
    fpars.print = 0;
    fpars.charge_only = 0;
    nlopt_set_ftol_abs(opt, 1e-5);
    nlopt_set_xtol_rel(opt, 1e-2);
    nlopt_set_maxeval(opt, 1000);

    fpars.n = n;
    for (i = 0; i < n; i++)
        fpars.id[i] = id[i];

    time_elapsed = 0.0;

    for (i = 0; i < nvertices; i++) {
        /* Copy the starting parameters to the `x` array. */
        memcpy(x,x0,sizeof(x));
        for (j = 0; j < n; j++) {
            x[5+3*j] = peak_theta[result[i*n+j]];
            x[6+3*j] = peak_phi[result[i*n+j]];
            dir[0] = sin(peak_theta[result[i*n+j]])*cos(peak_phi[result[i*n+j]]);
            dir[1] = sin(peak_theta[result[i*n+j]])*sin(peak_phi[result[i*n+j]]);
            dir[2] = cos(peak_theta[result[i*n+j]]);
            T0 = guess_energy(ev,x0,dir,id[j]);

            switch (id[j]) {
            case IDP_E_MINUS:
            case IDP_E_PLUS:
                mass = ELECTRON_MASS;
                Tmax = electron_get_max_energy();
                break;
            case IDP_MU_MINUS:
            case IDP_MU_PLUS:
                mass = MUON_MASS;
                Tmax = muon_get_max_energy();
                break;
            case IDP_PROTON:
                mass = PROTON_MASS;
                Tmax = proton_get_max_energy();
                break;
            default:
                fprintf(stderr, "unknown particle id %i\n", id[j]);
                exit(1);
            }

            /* Calculate the Cerenkov threshold for a muon. */
            Tmin = mass/sqrt(1.0-1.0/(n_d2o*n_d2o)) - mass;

            /* If our guess is below the Cerenkov threshold, start at the Cerenkov
             * threshold. */
            double Tmin2 = sqrt(mass*mass/(1-pow(0.9,2)))-mass;
            if (T0 < Tmin2) T0 = Tmin2;
            if (T0 > Tmax) T0 = Tmax;

            x[4+3*j] = T0;
            ss[4+3*j] = x[4+3*j]*0.1;
            ss[5+3*j] = 0.1;
            ss[6+3*j] = 0.1;
            lb[4+3*j] = Tmin;
            lb[5+3*j] = -INFINITY;
            lb[6+3*j] = -INFINITY;
            ub[4+3*j] = Tmax;
            ub[5+3*j] = +INFINITY;
            ub[6+3*j] = +INFINITY;
        }

        nlopt_set_lower_bounds(opt, lb);
        nlopt_set_upper_bounds(opt, ub);

        nlopt_set_initial_step(opt, ss);

        gettimeofday(&tv_start, NULL);
        nlopt_optimize(opt,x,&fval);
        gettimeofday(&tv_stop, NULL);

        if (quit) {
            /* If ctrl-c was pressed, quit the fit. */
            goto stop;
        } else if (stop && i > 0) {
            /* If ctrl-z was pressed, and we've already got at least 1 fit, move on
             * to the "real" minimization. */
            stop = 0;
            break;
        } else if (stop) {
            /* If ctrl-z was pressed and we don't have a fit, quit the fit. */
            goto stop;
        }

        long long elapsed = (tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec)*1000 + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1000;

        time_elapsed += elapsed/1000.0;

        printf("%4zu/%4zu %7.2f %7.2f %7.2f %6.2f ",
               i+1,
               nvertices,
               x[0],
               x[1],
               x[2],
               x[3]);

        for (j = 0; j < n; j++)
            printf("%10.2f %7.2f %7.2f ",
                   x[4+3*j],
                   x[5+3*j],
                   x[6+3*j]);

        printf("f() = %7.3e took %lld ms\n", fval, elapsed);

        if (i == 0 || fval < *fmin) {
            *fmin = fval;
            memcpy(xopt,x,sizeof(x));
        }
    }

    /* Reset the lower and upper bounds. */
    lb[0] = -1000.0;
    lb[1] = -1000.0;
    lb[2] = -1000.0;
    lb[3] = -100.0;

    ub[0] = +1000.0;
    ub[1] = +1000.0;
    ub[2] = +1000.0;
    ub[3] = GTVALID;

    /* Set the energy step size to 10% of the energy. */
    for (j = 0; j < n; j++) {
        ss[4+3*j] = xopt[4+3*j]*0.1;
    }

    nlopt_set_lower_bounds(opt, lb);
    nlopt_set_upper_bounds(opt, ub);

    nlopt_set_initial_step(opt, ss);

    /* Now, we do the "real" minimization. */
    fpars.dx = 1.0;
    fpars.ns = 10;
    fpars.fast = 0;
    fpars.print = 1;
    fpars.charge_only = 0;
    fpars.hit_only = 0;
    nlopt_set_ftol_abs(opt, 1e-5);
    nlopt_set_xtol_rel(opt, 1e-2);
    nlopt_set_maxeval(opt, 1000);
    nlopt_set_maxtime(opt, maxtime);

    memcpy(x,xopt,sizeof(x));

    if (flikelihood) {
        FILE *f = fopen(flikelihood, "w");

        for (i = 0; i < 50; i++) {
            for (j = 0; j < 50; j++) {
                x[5] = xopt[5] - 0.1 + 0.2*i/49;
                x[6] = xopt[6] - 0.1 + 0.2*j/49;
                fval = nlopt_nll2(4+3*n,x,NULL,&fpars);
                fprintf(f, "%.18g %.18g %.18g\n", x[5], x[6], fval);

                if (stop) goto close;
            }
        }

close:

        fclose(f);

        if (stop) exit(1);

        exit(0);
    }

    gettimeofday(&tv_start, NULL); 
    rv = nlopt_optimize(opt,x,&fval);
    gettimeofday(&tv_stop, NULL);

    time_elapsed += tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1e6;

    if (time_elapsed > maxtime || rv == NLOPT_MAXTIME_REACHED) goto end;

    if (stop) goto stop;

    do {
        *fmin = fval;
        memcpy(xopt,x,sizeof(x));

        nlopt_set_maxtime(opt, maxtime-time_elapsed);

        gettimeofday(&tv_start, NULL);
        rv = nlopt_optimize(opt,x,&fval);
        gettimeofday(&tv_stop, NULL);

        time_elapsed += tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1e6;

        if (stop) goto stop;
    } while (fval < *fmin && fabs(fval-*fmin) > 1e-2 && time_elapsed < maxtime && rv != NLOPT_MAXTIME_REACHED);

    if (fval < *fmin) {
        *fmin = fval;
        memcpy(xopt,x,sizeof(x));
    }

    if (time_elapsed > maxtime || rv == NLOPT_MAXTIME_REACHED) goto end;

    /* Now, minimize with SBPLX.
    *
    * The reason we minimize with a different algorithm is because occasionally
    * the BOBYQA minimizer seems to get stuck somewhere which doesn't appear to
    * be a local minima (this was noticed when fitting 300 MeV muons).
    *
    * Although SBPLX is *much* slower, the idea here is that if we really did
    * already find a local minimum, then SBPLX should be relatively fast.
    *
    * FIXME: Ideally we would just figure out and fix whatever is causing
    * BOBYQA to get stuck which would make things faster and be much better
    * since it would fix the initial multiple optimizations we do in order to
    * determine which particle id goes in which direction. */
    nlopt_destroy(opt);
    opt = nlopt_create(NLOPT_LN_SBPLX, 4+3*n);
    nlopt_set_min_objective(opt,nlopt_nll2,&fpars);
    nlopt_set_lower_bounds(opt, lb);
    nlopt_set_upper_bounds(opt, ub);
    nlopt_set_initial_step(opt, ss);
    nlopt_set_ftol_abs(opt, 1e-5);
    nlopt_set_xtol_rel(opt, 1e-2);
    nlopt_set_maxeval(opt, 1000);
    nlopt_set_maxtime(opt, maxtime-time_elapsed);

    memcpy(x,xopt,sizeof(x));

    gettimeofday(&tv_start, NULL);
    rv = nlopt_optimize(opt,x,&fval);
    gettimeofday(&tv_stop, NULL);

    time_elapsed += tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1e6;

    if (time_elapsed > maxtime || rv == NLOPT_MAXTIME_REACHED) goto end;

    if (stop) goto stop;

    do {
        *fmin = fval;
        memcpy(xopt,x,sizeof(x));

        nlopt_set_maxtime(opt, maxtime-time_elapsed);

        gettimeofday(&tv_start, NULL);
        rv = nlopt_optimize(opt,x,&fval);
        gettimeofday(&tv_stop, NULL);

        time_elapsed += tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1e6;

        if (stop) goto stop;
    } while (fval < *fmin && fabs(fval-*fmin) > 1e-2 && time_elapsed < maxtime && rv != NLOPT_MAXTIME_REACHED);

    if (fval < *fmin) {
        *fmin = fval;
        memcpy(xopt,x,sizeof(x));
    }

end:

    free(result);
    nlopt_destroy(opt);

    return 0;

stop:
    free(result);
    nlopt_destroy(opt);

    stop = 0;

    return NLOPT_FORCED_STOP;
}

int fit_event(event *ev, double *xopt, double *fmin, int id, double maxtime)
{
    size_t i;
    fitParams fpars;
    double x[9], ss[9], lb[9], ub[9], fval, n, qhs_sum, x0[9], T0, Tmin, mass;
    struct timeval tv_start, tv_stop;
    double time_elapsed;

    opt = nlopt_create(NLOPT_LN_BOBYQA, 9);
    nlopt_set_min_objective(opt,nlopt_nll,&fpars);

    /* Make a guess as to the energy. Right now we just use a simple
     * approximation that the muon produces approximately 6 photons/MeV.
     *
     * FIXME: Should update this to something better. */

    qhs_sum = 0.0;
    for (i = 0; i < MAX_PMTS; i++) {
        if (ev->pmt_hits[i].flags || pmts[i].pmt_type != PMT_NORMAL || !ev->pmt_hits[i].hit) continue;
        qhs_sum += ev->pmt_hits[i].q;
    }

    T0 = qhs_sum/6.0;

    n = get_index_snoman_d2o(400.0);

    switch (id) {
    case IDP_E_MINUS:
    case IDP_E_PLUS:
        mass = ELECTRON_MASS;
        break;
    case IDP_MU_MINUS:
    case IDP_MU_PLUS:
        mass = MUON_MASS;
        break;
    case IDP_PROTON:
        mass = PROTON_MASS;
        break;
    default:
        fprintf(stderr, "unknown particle id %i\n", id);
        exit(1);
    }

    /* Calculate the Cerenkov threshold for a muon. */
    Tmin = mass/sqrt(1.0-1.0/(n*n)) - mass;

    /* If our guess is below the Cerenkov threshold, start at the Cerenkov
     * threshold. */
    double Tmin2 = sqrt(mass*mass/(1-pow(0.9,2)))-mass;
    if (T0 < Tmin2) T0 = Tmin2;

    x0[0] = T0;
    x0[1] = 0.0;
    x0[2] = 0.0;
    x0[3] = 0.0;
    x0[4] = 1.57;
    x0[5] = 0.0;
    x0[6] = 130.0;
    x0[7] = 0.0;
    x0[8] = 0.0;

    ss[0] = x0[0]*0.02;
    ss[1] = 10.0;
    ss[2] = 10.0;
    ss[3] = 10.0;
    ss[4] = 0.01;
    ss[5] = 0.01;
    ss[6] = 1.0;
    ss[7] = 0.1;
    ss[8] = 0.1;

    lb[0] = Tmin;
    lb[1] = -1000.0;
    lb[2] = -1000.0;
    lb[3] = -1000.0;
    lb[4] = -INFINITY;
    lb[5] = -INFINITY;
    lb[6] = 0.0;
    lb[7] = -10.0;
    lb[8] = -10.0;

    ub[0] = 10000.0;
    ub[1] = 1000.0;
    ub[2] = 1000.0;
    ub[3] = 1000.0;
    ub[4] = INFINITY;
    ub[5] = INFINITY;
    ub[6] = 400.0;
    ub[7] = 10.0;
    ub[8] = 10.0;

    nlopt_set_lower_bounds(opt, lb);
    nlopt_set_upper_bounds(opt, ub);

    nlopt_set_initial_step(opt, ss);

    fpars.ev = ev;
    fpars.id[0] = id;
    fpars.n = 1;

    iter = 0;

    /* First we do a set of "quick" minimizations to try and start the
     * minimizer close to the minimum. To make these function evaluations
     * faster, we set the absolute tolerance on the likelihood to 1.0, the
     * maximum number of function evaluations to 100, and the relative
     * tolerance on the numerical integration to 10%. */
    fpars.dx = 1.0;
    fpars.ns = 100;
    fpars.fast = 1;
    fpars.print = 0;
    fpars.charge_only = 0;
    fpars.hit_only = 1;
    nlopt_set_ftol_abs(opt, 1.0);
    nlopt_set_maxeval(opt, 20);

    for (i = 0; i < LEN(startingParameters); i++) {
        memcpy(x,x0,sizeof(x));
        x[1] = startingParameters[i].x;
        x[2] = startingParameters[i].y;
        x[3] = startingParameters[i].z;

        /* Only fit for the direction and t0 when doing the "quick"
         * minimizations. To do this we set the lower bound equal to the upper
         * bound for these parameters which eliminates them from the
         * minimization.
         *
         * See https://nlopt.readthedocs.io/en/latest/NLopt_Reference/. */
        lb[0] = T0;
        lb[1] = x[1];
        lb[2] = x[2];
        lb[3] = x[3];
        lb[7] = 0.0;
        lb[8] = 0.0;

        ub[0] = T0;
        ub[1] = x[1];
        ub[2] = x[2];
        ub[3] = x[3];
        ub[7] = 0.0;
        ub[8] = 0.0;

        nlopt_set_lower_bounds(opt, lb);
        nlopt_set_upper_bounds(opt, ub);

        guess_direction(ev,x+1,&x[4],&x[5]);

        x[6] = guess_t0(ev,x+1);

        gettimeofday(&tv_start, NULL);
        nlopt_optimize(opt,x,&fval);
        gettimeofday(&tv_stop, NULL);

        if (stop) goto stop;

        long long elapsed = (tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec)*1000 + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1000;

        printf("%4zu/%4zu %7.2f %7.2f %7.2f %7.2f %5.2f %5.2f %6.2f %5.2f %5.2f f() = %7.3e took %lld ms\n",
               i+1,
               LEN(startingParameters),
               x[0],
               x[1],
               x[2],
               x[3],
               x[4],
               x[5],
               x[6],
               x[7],
               x[8],
               fval,
               elapsed);

        if (i == 0 || fval < *fmin) {
            *fmin = fval;
            memcpy(xopt,x,sizeof(x));
        }
    }

    /* Reset the lower and upper bounds. */
    lb[0] = Tmin;
    lb[1] = -1000.0;
    lb[2] = -1000.0;
    lb[3] = -1000.0;
    lb[4] = -INFINITY;
    lb[5] = -INFINITY;
    lb[6] = 0.0;
    lb[7] = -10.0;
    lb[8] = -10.0;

    ub[0] = 10000.0;
    ub[1] = 1000.0;
    ub[2] = 1000.0;
    ub[3] = 1000.0;
    ub[4] = INFINITY;
    ub[5] = INFINITY;
    ub[6] = 400.0;
    ub[7] = 10.0;
    ub[8] = 10.0;

    nlopt_set_lower_bounds(opt, lb);
    nlopt_set_upper_bounds(opt, ub);

    /* Now, we do the "real" minimization. */
    fpars.dx = 1.0;
    fpars.ns = 100;
    fpars.fast = 0;
    fpars.print = 1;
    fpars.charge_only = 0;
    fpars.hit_only = 0;
    nlopt_set_ftol_abs(opt, 1e-5);
    nlopt_set_xtol_rel(opt, 1e-2);
    nlopt_set_maxeval(opt, 1000);
    nlopt_set_maxtime(opt, maxtime);

    memcpy(x,xopt,sizeof(x));

    gettimeofday(&tv_start, NULL);
    nlopt_optimize(opt,x,&fval);
    gettimeofday(&tv_stop, NULL);

    time_elapsed = tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1e6;

    if (time_elapsed > maxtime) goto end;

    if (stop) goto stop;

    do {
        *fmin = fval;
        memcpy(xopt,x,sizeof(x));

        nlopt_set_maxtime(opt, maxtime-time_elapsed);

        gettimeofday(&tv_start, NULL);
        nlopt_optimize(opt,x,&fval);
        gettimeofday(&tv_stop, NULL);

        time_elapsed += tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1e6;

        if (stop) goto stop;
    } while (fval < *fmin && fabs(fval-*fmin) > 1e-2 && time_elapsed < maxtime);

    if (fval < *fmin) {
        *fmin = fval;
        memcpy(xopt,x,sizeof(x));
    }

end:

    nlopt_destroy(opt);

    return 0;

stop:
    nlopt_destroy(opt);

    return NLOPT_FORCED_STOP;
}

void usage(void)
{
    fprintf(stderr,"Usage: ./fit [options] FILENAME\n");
    fprintf(stderr,"  -o      output file\n");
    fprintf(stderr,"  --max-time           maximum time in seconds per fit (default: 3600)\n");
    fprintf(stderr,"  --skip-second-event  only fit the first event after a MAST bank\n");
    fprintf(stderr,"  --max-particles      maximum number of particles to fit for (default: 1)\n");
    fprintf(stderr,"  --min-nhit           minimum nhit to fit an event (default: 100)\n");
    fprintf(stderr,"  --plot-likelihood FILENAME\n");
    fprintf(stderr,"                       scan the likelihood space and write out the results to FILENAME\n");
    fprintf(stderr,"  --gtid               only fit a single GTID\n");
    fprintf(stderr,"  -p                   specify particle combo to fit for\n");
    fprintf(stderr,"  -v                   verbose\n");
    fprintf(stderr,"  -h      display this help message\n");
    exit(1);
}

void sigint_handler(int sig_num)
{
    switch (sig_num) {
    case SIGINT:
        quit = 1;
    case SIGTSTP:
        stop = 1;
        break;
    }
}

void sprintf_particle_string(int *id, size_t n, char *str)
{
    /* Convert a list of particle id codes to a string.
     *
     * This function is used when writing out the results for a multi particle
     * fit. Ideally we would use a set or something similar, but YAML doesn't
     * have support for that and lists can't be used as dictionary keys so
     * currently we just concatenate the integer representation of the
     * particles. For example:
     *
     * electron -> "20"
     * muon     -> "22"
     * electron, muon -> "2022"
     * etc.
     *
     */
    size_t i;

    sprintf(str,"%i",id[0]);

    for (i = 1; i < n; i++)
        sprintf(str+strlen(str),"%i",id[i]);
}

void sprintf_yaml_list(double *a, size_t n, size_t stride, char *str)
{
    /* Write out a yaml list of doubles to the string pointed to by `str`.
     *
     * The array elements are accessed as a[i*stride] for i = 0,1,...,`n`. */
    size_t i;

    if (n == 1) {
        sprintf(str,"%.2f",*a);
        return;
    }

    sprintf(str,"[%.2f",*a);

    for (i = 1; i < n; i++)
        sprintf(str+strlen(str),",%.2f",a[stride*i]);

    sprintf(str+strlen(str),"]");
}

/* Convert a particle combo integer to an array of particle ids.
 *
 * Example:
 *
 *     int id[MAX_VERTICES];
 *     particle_combo_to_array(2020,id);
 *
 * and then id should be equal to {20,20}. */
size_t particle_combo_to_array(int particle_combo, int *id)
{
    size_t i;

    i = 0;
    while (particle_combo) {
        id[i++] = particle_combo % 100;
        particle_combo /= 100;
    }

    gsl_sort_int(id,1,i);

    return i;
}

/* Helper function to perform a fit for a single particle combination hypothesis.
 *
 * Arguments:
 *
 *     ev         - event
 *     id         - array of particle id's to fit for (see id_particle.h)
 *     n          - number of particles (maximum: 3)
 *     fit_result - pointer to HDF5Fit result object to store fit results in
 *     maxtime    - maximum time in seconds to perform the minimization (after the
 *                  "quick" minimization phase)
 *     fmin_best  - the return value from nll_best()
 *     f          - the quantile to pass to quad()
 *
 * Returns the return value from fit_event2(). */
int do_fit(event *ev, int *id, size_t n, HDF5Fit *fit_result, double maxtime, double fmin_best, double f)
{
    int rv;
    struct timeval tv_start, tv_stop;
    long long elapsed;
    double xopt[MAX_PARS];
    double fmin;

    /* Fit the event. */
    gettimeofday(&tv_start, NULL);
    rv = fit_event2(ev,xopt,&fmin,id,n,maxtime,f);
    gettimeofday(&tv_stop, NULL);

    if (rv == NLOPT_FORCED_STOP) return rv;

    elapsed = (tv_stop.tv_sec - tv_start.tv_sec)*1000 + (tv_stop.tv_usec - tv_start.tv_usec)/1000;

    fit_result->run = ev->run;
    fit_result->gtid = ev->gtid;
    fit_result->n = n;
    fit_result->x = xopt[0];
    fit_result->y = xopt[1];
    fit_result->z = xopt[2];
    fit_result->t0 = xopt[3];
    fit_result->id1 = id[0];
    fit_result->energy1 = xopt[4];
    fit_result->theta1 = xopt[5];
    fit_result->phi1 = xopt[6];

    if (n > 1) {
        fit_result->id2 = id[1];
        fit_result->energy2 = xopt[7];
        fit_result->theta2 = xopt[8];
        fit_result->phi2 = xopt[9];
    } else {
        fit_result->id2 = 0;
        fit_result->energy2 = NAN;
        fit_result->theta2 = NAN;
        fit_result->phi2 = NAN;
    }

    if (n > 2) {
        fit_result->id3 = id[2];
        fit_result->energy3 = xopt[10];
        fit_result->theta3 = xopt[11];
        fit_result->phi3 = xopt[12];
    } else {
        fit_result->id3 = 0;
        fit_result->energy3 = NAN;
        fit_result->theta3 = NAN;
        fit_result->phi3 = NAN;
    }

    fit_result->fmin = fmin;
    fit_result->time = elapsed;
    fit_result->psi = fmin-fmin_best;

    return rv;
}

int main(int argc, char **argv)
{
    int i, j, k;
    zebraFile *f;
    zebraBank bmast, mc, bmcgn, mctk, b, rhdr;
    int rv;
    EVBank bev;
    FTPVBank bftpv;
    FTXKBank bftxk;
    RSPBank bftxr;
    MCBank bmc;
    MCTKBank bmctk;
    MCVXBank bmcvx;
    RHDRBank brhdr;
    event ev = {0};
    char *filename = NULL;
    char *output = NULL;
    int skip_second_event = 0;
    double fmin_best;
    double maxtime = 3600.0;
    int max_particles = 1;
    int id[MAX_VERTICES];
    size_t combos[100];
    size_t len;
    size_t min_nhit = 100;
    int last_run;
    char dqxx_file[256];
    int32_t gtid = -1;
    int particle_combo = 0;
    int verbose = 0;

    int nevents = 0;
    /* Array of events to write out to HDF5 file.
     *
     * Note: Declared static since otherwise it will cause a stack overflow. */
    static HDF5Event hdf5_events[MAX_NEVENTS];

    int nmcgn = 0;
    /* Array of primary seed tracks to write out to HDF5 file.
     *
     * Note: Declared static since otherwise it will cause a stack overflow. */
    static HDF5MCGN hdf5_mcgn[MAX_NEVENTS];

    int nfits = 0;
    /* Array of fit results to write out to HDF5 file.
     *
     * Note: Declared static since otherwise it will cause a stack overflow. */
    static HDF5Fit hdf5_fits[MAX_NEVENTS];

    int nrhdr = 0;
    /* Array of run header info to write out to HDF5 file.
     *
     * Note: Declared static since otherwise it will cause a stack overflow. */
    static HDF5RHDR hdf5_rhdr[MAX_NEVENTS];

    for (i = 1; i < argc; i++) {
        if (strlen(argv[i]) >= 2 && !strncmp(argv[i], "--", 2)) {
            if (!strcmp(argv[i]+2,"skip-second-event")) {
                skip_second_event = 1;
                continue;
            } else if (!strcmp(argv[i]+2,"max-time")) {
                maxtime = strtod(argv[++i],NULL);
                continue;
            } else if (!strcmp(argv[i]+2,"max-particles")) {
                max_particles = atoi(argv[++i]);
                continue;
            } else if (!strcmp(argv[i]+2,"min-nhit")) {
                min_nhit = atoi(argv[++i]);
                continue;
            } else if (!strcmp(argv[i]+2,"plot-likelihood")) {
                flikelihood = argv[++i];
                continue;
            } else if (!strcmp(argv[i]+2,"gtid")) {
                gtid = atoi(argv[++i]);
                continue;
            }
        } else if (argv[i][0] == '-') {
            switch (argv[i][1]) {
            case 'o':
                output = argv[++i];
                break;
            case 'p':
                particle_combo = atoi(argv[++i]);
                break;
            case 'v':
                verbose = 1;
                break;
            case 'h':
                usage();
            default:
                fprintf(stderr, "unrecognized option '%s'\n", argv[i]);
                exit(1);
            }
        } else {
            filename = argv[i];
        }
    }

    if (!filename)
        usage();

    if (max_particles > MAX_VERTICES) {
        fprintf(stderr, "max_particles must be less than or equal to %i\n", MAX_VERTICES);
        exit(1);
    }

    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
    signal(SIGINT, sigint_handler);
    signal(SIGTSTP, sigint_handler);

    f = zebra_open(filename);

    if (!f) {
        fprintf(stderr, "%s\n", zebra_err);
        return 1;
    }

    if (load_pmt_info()) {
        zebra_close(f);
        return 1;
    }

    for (i = 0; i < MAX_PMTS; i++) {
        ev.pmt_hits[i].hit = 0;
        ev.pmt_hits[i].flags = 0;
    }

    ev.run = -1;

    init_interpolation();
    init_charge();
    dict *db = db_init();

    last_run = -1;

    if (load_file(db, "pmt_response_qoca_d2o_20060216.dat", 0)) {
        fprintf(stderr, "failed to load pmt_response_qoca_d2o_20060216.dat: %s\n", db_err);
        goto err;
    }

    if (load_file(db, "rsp_rayleigh.dat", 0)) {
        fprintf(stderr, "failed to load rsp_rayleigh.dat: %s\n", db_err);
        goto err;
    }

    if (pmt_response_init(db)) {
        fprintf(stderr, "failed to initialize PMTR bank: %s\n", pmtr_err);
        goto err;
    }

    if (optics_init()) {
        fprintf(stderr, "failed to initialize optics: %s\n", optics_err);
        goto err;
    }

    while (1) {
        rv = zebra_read_next_logical_record(f);

        if (rv == -1) {
            fprintf(stderr, "error getting logical record: %s\n", zebra_err);
            goto err;
        } else if (rv == 1) {
            /* EOF */
            break;
        }

        if (f->mast_bank == -1) {
            fprintf(stderr, "no MAST bank in logical record! Skipping...\n");
            continue;
        }

        rv = zebra_get_bank(f, &bmast, f->mast_bank);

        if (rv) {
            fprintf(stderr, "error getting MAST bank: %s\n", zebra_err);
            goto err;
        }

        if (bmast.links[KMAST_RHDR-1] != 0) {
            rv = zebra_get_bank(f,&rhdr,bmast.links[KMAST_RHDR-1]);

            if (rv) {
                fprintf(stderr, "error getting RHDR bank: %s\n", zebra_err);
                goto err;
            }

            unpack_rhdr(rhdr.data, &brhdr);

            hdf5_rhdr[nrhdr].run = brhdr.run_number;
            hdf5_rhdr[nrhdr].run_mask = brhdr.run_mask;
            hdf5_rhdr[nrhdr].first_gtid = brhdr.first_gt;

            nrhdr += 1;

            continue;
        }

        if (bmast.links[KMAST_EV-1] == 0) {
            /* First logical record in SNOCR files don't have an EV bank. */
            continue;
        }

        if (bmast.links[KMAST_MC-1] == 0) goto skip_mc;

        rv = zebra_get_bank(f,&mc,bmast.links[KMAST_MC-1]);

        if (rv) {
            fprintf(stderr, "error getting MC bank: %s\n", zebra_err);
            goto err;
        }

        unpack_mc(mc.data, &bmc);

        if (bmast.links[KMC_MCGN-1] == 0) {
            fprintf(stderr, "MCGN link is zero!\n");
            goto err;
        }

        rv = zebra_get_bank(f,&bmcgn,mc.links[KMC_MCGN-1]);

        if (rv) {
            fprintf(stderr, "error getting MCGN bank: %s\n", zebra_err);
            goto err;
        }

        while (1) {
            if (bmcgn.links[KMCGN_MCTK-1] == 0) {
                fprintf(stderr, "MCTK link is zero!\n");
                goto err;
            }

            rv = zebra_get_bank(f,&mctk,bmcgn.links[KMCGN_MCTK-1]);

            if (rv) {
                fprintf(stderr, "error getting MCTK bank: %s\n", zebra_err);
                goto err;
            }

            if (mctk.orig == mctk.up - KMCVX_MCTK) {
                /* This is the first MCTK bank. */
                unpack_mctk(mctk.data, &bmctk);
            } else {
                /* For some reason SNOMAN sometimes links to the second MCTK
                 * from the MCGN bank. */
                rv = zebra_get_bank(f,&b,mctk.orig);

                if (b.idh != MCTK_RECORD) {
                    fprintf(stderr, "error following origin link from MCTK bank!\n");
                    goto err;
                }

                if (rv) {
                    fprintf(stderr, "error getting MCTK bank: %s\n", zebra_err);
                    goto err;
                }

                unpack_mctk(b.data, &bmctk);
            }

            if (mctk.up == 0) {
                fprintf(stderr, "MCVX link is zero!\n");
                goto err;
            }

            rv = zebra_get_bank(f,&b,mctk.up);

            if (rv) {
                fprintf(stderr, "error getting MCVX bank: %s\n", zebra_err);
                goto err;
            }

            unpack_mcvx(b.data, &bmcvx);

            if (output) {
                hdf5_mcgn[nmcgn].evn = bmc.evn;
                hdf5_mcgn[nmcgn].id = bmctk.idp;
                hdf5_mcgn[nmcgn].energy = bmctk.ene;
                hdf5_mcgn[nmcgn].x = bmcvx.x;
                hdf5_mcgn[nmcgn].y = bmcvx.y;
                hdf5_mcgn[nmcgn].z = bmcvx.z;
                hdf5_mcgn[nmcgn].dirx = bmctk.drx;
                hdf5_mcgn[nmcgn].diry = bmctk.dry;
                hdf5_mcgn[nmcgn].dirz = bmctk.drz;
                hdf5_mcgn[nmcgn].time = bmcvx.tim;
                nmcgn++;
            }

            if (bmcgn.next) {
                rv = zebra_get_bank(f,&bmcgn,bmcgn.next);

                if (rv) {
                    fprintf(stderr, "error getting MCGN bank: %s\n", zebra_err);
                    goto err;
                }
            } else {
                break;
            }
        }

skip_mc:

        rv = zebra_get_bank(f,&b,bmast.links[KMAST_EV-1]);

        if (rv) {
            fprintf(stderr, "error getting EV bank: %s\n", zebra_err);
            goto err;
        }

        /* Skip to the last event so we can traverse them in reverse order. The
         * reason for this is that for some reason SNOMAN puts the events in
         * reverse order within each logical record. */
        while (b.next) {
            rv = zebra_get_bank(f,&b,b.next);

            if (rv) {
                fprintf(stderr, "error getting EV bank: %s\n", zebra_err);
                goto err;
            }
        }

        while (1) {
            unpack_ev(b.data, &bev);

            if (gtid > 0 && bev.gtr_id != gtid) goto skip_event;

            if (bev.run != last_run) {
                printf("loading DQXX file for run %010i\n", bev.run);

                sprintf(dqxx_file, "DQXX_%010i.dat", bev.run);
                if (load_file(db, dqxx_file, 1)) {
                    fprintf(stderr, "failed to load %s: %s\n", dqxx_file, db_err);
                    goto err;
                }

                if (dqxx_init(db, &ev)) {
                    fprintf(stderr, "failed to initialize DQXX bank: %s\n", dqxx_err);
                    goto err;
                }

                last_run = bev.run;
            }

            if (get_event(f,&ev,&b)) goto skip_event;

            if (output) {
                hdf5_events[nevents].run = ev.run;
                hdf5_events[nevents].sub_run = ev.sub_run;
                hdf5_events[nevents].evn = bmc.evn;
                hdf5_events[nevents].gtr = ev.trigger_time;
                hdf5_events[nevents].nhit = ev.nhit;
                hdf5_events[nevents].nhit_cal = ev.nhit_cal;
                hdf5_events[nevents].gtid = ev.gtid;
                hdf5_events[nevents].trg_type = ev.trigger_type;
                hdf5_events[nevents].dc = get_dc_word(&ev, f, &bmast, &b);

                if (get_ftpv(f,&b,&bftpv)) {
                    if (verbose) fprintf(stderr, "%s\n", zdab_err);
                    hdf5_events[nevents].ftp_x = NAN;
                    hdf5_events[nevents].ftp_y = NAN;
                    hdf5_events[nevents].ftp_z = NAN;
                } else {
                    hdf5_events[nevents].ftp_x = bftpv.x;
                    hdf5_events[nevents].ftp_y = bftpv.y;
                    hdf5_events[nevents].ftp_z = bftpv.z;
                }

                if (get_ftxk(f,&b,&bftxk)) {
                    if (verbose) fprintf(stderr, "%s\n", zdab_err);
                    hdf5_events[nevents].ftk_energy = NAN;
                } else {
                    hdf5_events[nevents].ftk_energy = bftxk.energy;
                }

                if (get_rsp(f,&b,&bftxr)) {
                    if (verbose) fprintf(stderr, "%s\n", zdab_err);
                    hdf5_events[nevents].rsp_energy = NAN;
                } else {
                    hdf5_events[nevents].rsp_energy = bftxr.ene;
                }

                nevents++;
            }

            if (ev.nhit < min_nhit) goto skip_event;

            fmin_best = nll_best(&ev);

            if (particle_combo) {
                i = particle_combo_to_array(particle_combo,id);

                /* We call do_fit() twice here because we want to fit both when
                 * quad is called normally, and when we cut on the first 10%
                 * quantile of times. The first way is much much better when
                 * the event is fully contained since quad will return a really
                 * good starting point, and the second is much better for muons
                 * where we want to seed the fit near the entry point of the
                 * muon.
                 *
                 * FIXME: Ideally we would only need a single call and I have
                 * an idea of how to update QUAD to maybe return reasonable
                 * guesses in both cases. The idea is to take the cloud of quad
                 * points and find the position and time that has the smallest
                 * time such that it is only a certain Mahalabonis distance
                 * from the distribution. This (I think) corresponds roughly to
                 * what I would do by eye where you look at the distribution of
                 * quad points in the cloud and see that it forms a track, and
                 * pick a point at the start of the track. */
                if (do_fit(&ev,id,i,hdf5_fits+nfits,maxtime,fmin_best,1.0) != NLOPT_FORCED_STOP)
                    nfits++;

                if (do_fit(&ev,id,i,hdf5_fits+nfits,maxtime,fmin_best,0.1) != NLOPT_FORCED_STOP)
                    nfits++;

                if (quit) {
                    printf("ctrl-c caught. quitting...\n");
                    goto end;
                }


                if (output) save_output(output, hdf5_events, nevents, hdf5_mcgn, nmcgn, hdf5_fits, nfits, hdf5_rhdr, nrhdr);
            } else {
                /* Loop over 1,2,...,max_particles particle hypotheses. */
                for (i = 1; i <= max_particles; i++) {
                    /* Find all unique combinations of i particles. */
                    combinations_with_replacement(LEN(particles),i,combos,&len);
                    for (j = 0; j < len; j++) {
                        /* Set up the id array with the particle id codes. */
                        for (k = 0; k < i; k++) {
                            id[k] = particles[combos[j*i+k]];
                        }

                        if (do_fit(&ev,id,i,hdf5_fits+nfits,maxtime,fmin_best,1.0) != NLOPT_FORCED_STOP)
                            nfits++;

                        if (do_fit(&ev,id,i,hdf5_fits+nfits,maxtime,fmin_best,0.1) != NLOPT_FORCED_STOP)
                            nfits++;

                        if (quit) {
                            printf("ctrl-c caught. quitting...\n");
                            goto end;
                        }

                        if (output) save_output(output, hdf5_events, nevents, hdf5_mcgn, nmcgn, hdf5_fits, nfits, hdf5_rhdr, nrhdr);
                    }
                }
            }

skip_event:

            /* Note the origin link for the first EV bank points back to the
             * structural link location in the MAST bank. These links are super
             * confusing! */
            if ((b.orig == f->mast_bank - KMAST_EV) || skip_second_event) break;

            rv = zebra_get_bank(f,&b,b.orig);

            if (rv) {
                fprintf(stderr, "error getting EV bank: %s\n", zebra_err);
                goto err;
            }
        }
    }

end:

    if (output) save_output(output, hdf5_events, nevents, hdf5_mcgn, nmcgn, hdf5_fits, nfits, hdf5_rhdr, nrhdr);

    free_interpolation();
    pmt_response_free();

    db_free(db);

    zebra_close(f);

    return 0;

err:
    free_interpolation();
    pmt_response_free();

    db_free(db);

    zebra_close(f);

    return 1;
}