OSDN Git Service

e95653545dd1042a6542c71a7f10aacf1c7c1e0d
[uclinux-h8/uClibc.git] / libc / stdlib / random_r.c
1 /*
2  * Copyright (c) 1983 Regents of the University of California.
3  * All rights reserved.
4  *
5  * Redistribution and use in source and binary forms are permitted
6  * provided that the above copyright notice and this paragraph are
7  * duplicated in all such forms and that any documentation,
8  * advertising materials, and other materials related to such
9  * distribution and use acknowledge that the software was developed
10  * by the University of California, Berkeley.  The name of the
11  * University may not be used to endorse or promote products derived
12  * from this software without specific prior written permission.
13  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED ``AS IS'' AND WITHOUT ANY EXPRESS OR
14  * IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, WITHOUT LIMITATION, THE IMPLIED
15  * WARRANTIES OF MERCHANTIBILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
16  */
17
18 /*
19  * This is derived from the Berkeley source:
20  *      @(#)random.c    5.5 (Berkeley) 7/6/88
21  * It was reworked for the GNU C Library by Roland McGrath.
22  * Rewritten to be reentrant by Ulrich Drepper, 1995
23  */
24
25 #include <features.h>
26 #include <errno.h>
27 #include <limits.h>
28 #include <stddef.h>
29 #include <stdlib.h>
30
31
32
33 /* An improved random number generation package.  In addition to the standard
34    rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
35    interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
36    bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
37    then initialized to contain information for random number generation with
38    that much state information.  Good sizes for the amount of state
39    information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
40    calling the setstate() function with the same array as was initialized
41    with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
42    information and generates far better random numbers than a linear
43    congruential generator.  If the amount of state information is less than
44    32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.  Internally, the
45    state information is treated as an array of longs; the zeroth element of
46    the array is the type of R.N.G. being used (small integer); the remainder
47    of the array is the state information for the R.N.G.  Thus, 32 bytes of
48    state information will give 7 longs worth of state information, which will
49    allow a degree seven polynomial.  (Note: The zeroth word of state
50    information also has some other information stored in it; see setstate
51    for details).  The random number generation technique is a linear feedback
52    shift register approach, employing trinomials (since there are fewer terms
53    to sum up that way).  In this approach, the least significant bit of all
54    the numbers in the state table will act as a linear feedback shift register,
55    and will have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial
56    being used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).
57    The higher order bits will have longer periods, since their values are
58    also influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The
59    total period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus
60    doubling the amount of state information has a vast influence on the
61    period of the generator.  Note: The deg*(2**deg - 1) is an approximation
62    only good for large deg, when the period of the shift register is the
63    dominant factor.  With deg equal to seven, the period is actually much
64    longer than the 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.  */
65
66
67
68 /* For each of the currently supported random number generators, we have a
69    break value on the amount of state information (you need at least this many
70    bytes of state info to support this random number generator), a degree for
71    the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
72    separation between the two lower order coefficients of the trinomial.  */
73
74 /* Linear congruential.  */
75 #define TYPE_0          0
76 #define BREAK_0         8
77 #define DEG_0           0
78 #define SEP_0           0
79
80 /* x**7 + x**3 + 1.  */
81 #define TYPE_1          1
82 #define BREAK_1         32
83 #define DEG_1           7
84 #define SEP_1           3
85
86 /* x**15 + x + 1.  */
87 #define TYPE_2          2
88 #define BREAK_2         64
89 #define DEG_2           15
90 #define SEP_2           1
91
92 /* x**31 + x**3 + 1.  */
93 #define TYPE_3          3
94 #define BREAK_3         128
95 #define DEG_3           31
96 #define SEP_3           3
97
98 /* x**63 + x + 1.  */
99 #define TYPE_4          4
100 #define BREAK_4         256
101 #define DEG_4           63
102 #define SEP_4           1
103
104
105 /* Array versions of the above information to make code run faster.
106    Relies on fact that TYPE_i == i.  */
107
108 #define MAX_TYPES       5       /* Max number of types above.  */
109
110 struct random_poly_info
111 {
112     int seps[MAX_TYPES];
113     int degrees[MAX_TYPES];
114 };
115
116 static const struct random_poly_info random_poly_info =
117 {
118     { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 },
119     { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 }
120 };
121
122
123
124 \f
125 /* If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
126    congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is the
127    same in all the other cases due to all the global variables that have been
128    set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer into
129    the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to the next
130    location cyclically in the table.  The value returned is the sum generated,
131    reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
132    Note: The code takes advantage of the fact that both the front and
133    rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
134    pointer if the front one has wrapped.  Returns a 31-bit random number.  */
135
136 libc_hidden_proto(random_r)
137 int random_r(struct random_data *buf, int32_t *result)
138 {
139     int32_t *state;
140
141     if (buf == NULL || result == NULL)
142         goto fail;
143
144     state = buf->state;
145
146     if (buf->rand_type == TYPE_0)
147     {
148         int32_t val = state[0];
149         val = ((state[0] * 1103515245) + 12345) & 0x7fffffff;
150         state[0] = val;
151         *result = val;
152     }
153     else
154     {
155         int32_t *fptr = buf->fptr;
156         int32_t *rptr = buf->rptr;
157         int32_t *end_ptr = buf->end_ptr;
158         int32_t val;
159
160         val = *fptr += *rptr;
161         /* Chucking least random bit.  */
162         *result = (val >> 1) & 0x7fffffff;
163         ++fptr;
164         if (fptr >= end_ptr)
165         {
166             fptr = state;
167             ++rptr;
168         }
169         else
170         {
171             ++rptr;
172             if (rptr >= end_ptr)
173                 rptr = state;
174         }
175         buf->fptr = fptr;
176         buf->rptr = rptr;
177     }
178     return 0;
179
180 fail:
181     __set_errno (EINVAL);
182     return -1;
183 }
184 libc_hidden_def(random_r)
185
186 /* Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
187    type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
188    Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
189    congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
190    that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
191    information a given number of times to get rid of any initial dependencies
192    introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
193    for default usage relies on values produced by this routine.  */
194 libc_hidden_proto(srandom_r)
195 int srandom_r (unsigned int seed, struct random_data *buf)
196 {
197     int type;
198     int32_t *state;
199     long int i;
200     long int word;
201     int32_t *dst;
202     int kc;
203
204     if (buf == NULL)
205         goto fail;
206     type = buf->rand_type;
207     if ((unsigned int) type >= MAX_TYPES)
208         goto fail;
209
210     state = buf->state;
211     /* We must make sure the seed is not 0.  Take arbitrarily 1 in this case.  */
212     if (seed == 0)
213         seed = 1;
214     state[0] = seed;
215     if (type == TYPE_0)
216         goto done;
217
218     dst = state;
219     word = seed;
220     kc = buf->rand_deg;
221     for (i = 1; i < kc; ++i)
222     {
223         /* This does:
224            state[i] = (16807 * state[i - 1]) % 2147483647;
225            but avoids overflowing 31 bits.  */
226         long int hi = word / 127773;
227         long int lo = word % 127773;
228         word = 16807 * lo - 2836 * hi;
229         if (word < 0)
230             word += 2147483647;
231         *++dst = word;
232     }
233
234     buf->fptr = &state[buf->rand_sep];
235     buf->rptr = &state[0];
236     kc *= 10;
237     while (--kc >= 0)
238     {
239         int32_t discard;
240         (void) random_r (buf, &discard);
241     }
242
243 done:
244     return 0;
245
246 fail:
247     return -1;
248 }
249 libc_hidden_def(srandom_r)
250
251 /* Initialize the state information in the given array of N bytes for
252    future random number generation.  Based on the number of bytes we
253    are given, and the break values for the different R.N.G.'s, we choose
254    the best (largest) one we can and set things up for it.  srandom is
255    then called to initialize the state information.  Note that on return
256    from srandom, we set state[-1] to be the type multiplexed with the current
257    value of the rear pointer; this is so successive calls to initstate won't
258    lose this information and will be able to restart with setstate.
259    Note: The first thing we do is save the current state, if any, just like
260    setstate so that it doesn't matter when initstate is called.
261    Returns a pointer to the old state.  */
262 libc_hidden_proto(initstate_r)
263 int initstate_r (unsigned int seed, char *arg_state, size_t n, struct random_data *buf)
264 {
265     int type;
266     int degree;
267     int separation;
268     int32_t *state;
269
270     if (buf == NULL)
271         goto fail;
272
273     if (n >= BREAK_3)
274         type = n < BREAK_4 ? TYPE_3 : TYPE_4;
275     else if (n < BREAK_1)
276     {
277         if (n < BREAK_0)
278         {
279             __set_errno (EINVAL);
280             goto fail;
281         }
282         type = TYPE_0;
283     }
284     else
285         type = n < BREAK_2 ? TYPE_1 : TYPE_2;
286
287     degree = random_poly_info.degrees[type];
288     separation = random_poly_info.seps[type];
289
290     buf->rand_type = type;
291     buf->rand_sep = separation;
292     buf->rand_deg = degree;
293     state = &((int32_t *) arg_state)[1];        /* First location.  */
294     /* Must set END_PTR before srandom.  */
295     buf->end_ptr = &state[degree];
296
297     buf->state = state;
298
299     srandom_r (seed, buf);
300
301     state[-1] = TYPE_0;
302     if (type != TYPE_0)
303         state[-1] = (buf->rptr - state) * MAX_TYPES + type;
304
305     return 0;
306
307 fail:
308     __set_errno (EINVAL);
309     return -1;
310 }
311 libc_hidden_def(initstate_r)
312
313 /* Restore the state from the given state array.
314    Note: It is important that we also remember the locations of the pointers
315    in the current state information, and restore the locations of the pointers
316    from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
317    location into the zeroth word of the state information. Note that due
318    to the order in which things are done, it is OK to call setstate with the
319    same state as the current state
320    Returns a pointer to the old state information.  */
321 libc_hidden_proto(setstate_r)
322 int setstate_r (char *arg_state, struct random_data *buf)
323 {
324     int32_t *new_state = 1 + (int32_t *) arg_state;
325     int type;
326     int old_type;
327     int32_t *old_state;
328     int degree;
329     int separation;
330
331     if (arg_state == NULL || buf == NULL)
332         goto fail;
333
334     old_type = buf->rand_type;
335     old_state = buf->state;
336     if (old_type == TYPE_0)
337         old_state[-1] = TYPE_0;
338     else
339         old_state[-1] = (MAX_TYPES * (buf->rptr - old_state)) + old_type;
340
341     type = new_state[-1] % MAX_TYPES;
342     if (type < TYPE_0 || type > TYPE_4)
343         goto fail;
344
345     buf->rand_deg = degree = random_poly_info.degrees[type];
346     buf->rand_sep = separation = random_poly_info.seps[type];
347     buf->rand_type = type;
348
349     if (type != TYPE_0)
350     {
351         int rear = new_state[-1] / MAX_TYPES;
352         buf->rptr = &new_state[rear];
353         buf->fptr = &new_state[(rear + separation) % degree];
354     }
355     buf->state = new_state;
356     /* Set end_ptr too.  */
357     buf->end_ptr = &new_state[degree];
358
359     return 0;
360
361 fail:
362     __set_errno (EINVAL);
363     return -1;
364 }
365 libc_hidden_def(setstate_r)