OSDN Git Service

patch aligns
[jnethack/source.git] / sys / share / random.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 /* Several minor changes were made for the NetHack distribution to satisfy
19  * non-BSD compilers (by definition BSD compilers do not need to compile
20  * this file for NetHack).  These changes consisted of:
21  *      - changing the sccsid conditions to nested ifdefs from defined()s
22  *      to accommodate stupid preprocessors
23  *      - giving srandom() type void instead of allowing it to default to int
24  *      - making the first return in initstate() return a value consistent
25  *      with its type (instead of no value)
26  *      - ANSI function prototyping in extern.h - therefore include hack.h
27  *      instead of stdio.h and remove separate declaration of random() from
28  *      the beginning of function srandom
29  *      - moving sccsid after hack.h to allow precompiled headers, which
30  *      means the defined()s would be ok again...
31  *      - change fprintf(stderr, "x(%d)y\n", z) to impossible("x(%d)y", z)
32  *      - remove useless variable `j' from srandom()
33  *      - cast result of pointer subtraction to long since ptrdiff_t could
34  *      be bigger than that and trigger warnings when assigning to long
35  *
36  * $NHDT-Date: 1432512787 2015/05/25 00:13:07 $  $NHDT-Branch: master $:$NHDT-Revision: 1.5 $
37  */
38
39 #include "hack.h"
40
41 #ifdef LIBC_SCCS
42 #ifndef lint
43 static char sccsid[] = "@(#)random.c    5.5 (Berkeley) 7/6/88";
44 #endif
45 #endif /* LIBC_SCCS and not lint */
46
47 /*
48  * random.c:
49  * An improved random number generation package.  In addition to the standard
50  * rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
51  * interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
52  * bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
53  * then
54  * initialized to contain information for random number generation with that
55  * much state information.  Good sizes for the amount of state information are
56  * 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by calling the
57  * setstate() routine with the same array as was initiallized with
58  * initstate().
59  * By default, the package runs with 128 bytes of state information and
60  * generates far better random numbers than a linear congruential generator.
61  * If the amount of state information is less than 32 bytes, a simple linear
62  * congruential R.N.G. is used.
63  * Internally, the state information is treated as an array of longs; the
64  * zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
65  * integer); the remainder of the array is the state information for the
66  * R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 longs worth of
67  * state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note: the
68  * zeroeth word of state information also has some other information stored
69  * in it -- see setstate() for details).
70  * The random number generation technique is a linear feedback shift register
71  * approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
72  * way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
73  * the state table will act as a linear feedback shift register, and will have
74  * period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being used,
75  * assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The higher
76  * order bits will have longer periods, since their values are also influenced
77  * by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total period of the
78  * generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling the amount of
79  * state information has a vast influence on the period of the generator.
80  * Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for large deg,
81  * when the period of the shift register is the dominant factor.  With deg
82  * equal to seven, the period is actually much longer than the 7*(2**7 - 1)
83  * predicted by this formula.
84  */
85
86 /*
87  * For each of the currently supported random number generators, we have a
88  * break value on the amount of state information (you need at least this
89  * many bytes of state info to support this random number generator), a degree
90  * for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
91  * the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
92  */
93
94 #define TYPE_0 0 /* linear congruential */
95 #define BREAK_0 8
96 #define DEG_0 0
97 #define SEP_0 0
98
99 #define TYPE_1 1 /* x**7 + x**3 + 1 */
100 #define BREAK_1 32
101 #define DEG_1 7
102 #define SEP_1 3
103
104 #define TYPE_2 2 /* x**15 + x + 1 */
105 #define BREAK_2 64
106 #define DEG_2 15
107 #define SEP_2 1
108
109 #define TYPE_3 3 /* x**31 + x**3 + 1 */
110 #define BREAK_3 128
111 #define DEG_3 31
112 #define SEP_3 3
113
114 #define TYPE_4 4 /* x**63 + x + 1 */
115 #define BREAK_4 256
116 #define DEG_4 63
117 #define SEP_4 1
118
119 /*
120  * Array versions of the above information to make code run faster -- relies
121  * on fact that TYPE_i == i.
122  */
123
124 #define MAX_TYPES 5 /* max number of types above */
125
126 static int degrees[MAX_TYPES] = { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
127
128 static int seps[MAX_TYPES] = { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
129
130 /*
131  * Initially, everything is set up as if from :
132  *              initstate( 1, &randtbl, 128 );
133  * Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
134  * advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
135  * rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
136  * element of the state information, which contains info about the current
137  * position of the rear pointer is just
138  *      MAX_TYPES*(rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
139  */
140
141 static long randtbl[DEG_3 + 1] = {
142     TYPE_3,     0x9a319039, 0x32d9c024, 0x9b663182, 0x5da1f342, 0xde3b81e0,
143     0xdf0a6fb5, 0xf103bc02, 0x48f340fb, 0x7449e56b, 0xbeb1dbb0, 0xab5c5918,
144     0x946554fd, 0x8c2e680f, 0xeb3d799f, 0xb11ee0b7, 0x2d436b86, 0xda672e2a,
145     0x1588ca88, 0xe369735d, 0x904f35f7, 0xd7158fd6, 0x6fa6f051, 0x616e6b96,
146     0xac94efdc, 0x36413f93, 0xc622c298, 0xf5a42ab8, 0x8a88d77b, 0xf5ad9d0e,
147     0x8999220b, 0x27fb47b9
148 };
149
150 /*
151  * fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
152  * pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
153  *cycle
154  * cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we could
155  *get
156  * away with just one pointer, but the code for random() is more efficient
157  *this
158  * way).  The pointers are left positioned as they would be from the call
159  *                      initstate( 1, randtbl, 128 )
160  * (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
161  * in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
162  * to point to randtbl[1] (as explained below).
163  */
164
165 static long *fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
166 static long *rptr = &randtbl[1];
167
168 /*
169  * The following things are the pointer to the state information table,
170  * the type of the current generator, the degree of the current polynomial
171  * being used, and the separation between the two pointers.
172  * Note that for efficiency of random(), we remember the first location of
173  * the state information, not the zeroeth.  Hence it is valid to access
174  * state[-1], which is used to store the type of the R.N.G.
175  * Also, we remember the last location, since this is more efficient than
176  * indexing every time to find the address of the last element to see if
177  * the front and rear pointers have wrapped.
178  */
179
180 static long *state = &randtbl[1];
181
182 static int rand_type = TYPE_3;
183 static int rand_deg = DEG_3;
184 static int rand_sep = SEP_3;
185
186 static long *end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
187
188 /*
189  * srandom:
190  * Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
191  * type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
192  * Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
193  * congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
194  * that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
195  * information a given number of times to get rid of any initial dependencies
196  * introduced by the L.C.R.N.G.
197  * Note that the initialization of randtbl[] for default usage relies on
198  * values produced by this routine.
199  */
200
201 void
202 srandom(x)
203
204 unsigned x;
205 {
206     register int i;
207
208     if (rand_type == TYPE_0) {
209         state[0] = x;
210     } else {
211         state[0] = x;
212         for (i = 1; i < rand_deg; i++) {
213             state[i] = 1103515245 * state[i - 1] + 12345;
214         }
215         fptr = &state[rand_sep];
216         rptr = &state[0];
217         for (i = 0; i < 10 * rand_deg; i++)
218             random();
219     }
220 }
221
222 /*
223  * initstate:
224  * Initialize the state information in the given array of n bytes for
225  * future random number generation.  Based on the number of bytes we
226  * are given, and the break values for the different R.N.G.'s, we choose
227  * the best (largest) one we can and set things up for it.  srandom() is
228  * then called to initialize the state information.
229  * Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
230  * multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
231  * successive calls to initstate() won't lose this information and will
232  * be able to restart with setstate().
233  * Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
234  * setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
235  * Returns a pointer to the old state.
236  */
237
238 char *
239 initstate(seed, arg_state, n)
240
241 unsigned seed;   /* seed for R. N. G. */
242 char *arg_state; /* pointer to state array */
243 int n;           /* # bytes of state info */
244 {
245     register char *ostate = (char *) (&state[-1]);
246
247     if (rand_type == TYPE_0)
248         state[-1] = rand_type;
249     else
250         state[-1] = (long) (MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type);
251     if (n < BREAK_1) {
252         if (n < BREAK_0) {
253             impossible("initstate: not enough state (%d bytes) with which to "
254                        "do jack; ignored.",
255                        n);
256             return (char *) 0;
257         }
258         rand_type = TYPE_0;
259         rand_deg = DEG_0;
260         rand_sep = SEP_0;
261     } else {
262         if (n < BREAK_2) {
263             rand_type = TYPE_1;
264             rand_deg = DEG_1;
265             rand_sep = SEP_1;
266         } else {
267             if (n < BREAK_3) {
268                 rand_type = TYPE_2;
269                 rand_deg = DEG_2;
270                 rand_sep = SEP_2;
271             } else {
272                 if (n < BREAK_4) {
273                     rand_type = TYPE_3;
274                     rand_deg = DEG_3;
275                     rand_sep = SEP_3;
276                 } else {
277                     rand_type = TYPE_4;
278                     rand_deg = DEG_4;
279                     rand_sep = SEP_4;
280                 }
281             }
282         }
283     }
284     state = &(((long *) arg_state)[1]); /* first location */
285     end_ptr = &state[rand_deg];         /* must set end_ptr before srandom */
286     srandom(seed);
287     if (rand_type == TYPE_0)
288         state[-1] = rand_type;
289     else
290         state[-1] = (long) (MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type);
291     return (ostate);
292 }
293
294 /*
295  * setstate:
296  * Restore the state from the given state array.
297  * Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
298  * in the current state information, and restore the locations of the pointers
299  * from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
300  * location into the zeroeth word of the state information.
301  * Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
302  * setstate() with the same state as the current state.
303  * Returns a pointer to the old state information.
304  */
305
306 char *
307 setstate(arg_state)
308
309 char *arg_state;
310 {
311     register long *new_state = (long *) arg_state;
312     register int type = new_state[0] % MAX_TYPES;
313     register int rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
314     char *ostate = (char *) (&state[-1]);
315
316     if (rand_type == TYPE_0)
317         state[-1] = rand_type;
318     else
319         state[-1] = (long) (MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type);
320     switch (type) {
321     case TYPE_0:
322     case TYPE_1:
323     case TYPE_2:
324     case TYPE_3:
325     case TYPE_4:
326         rand_type = type;
327         rand_deg = degrees[type];
328         rand_sep = seps[type];
329         break;
330
331     default:
332         impossible("setstate: state info has been munged (%d); not changed.",
333                    type);
334         break;
335     }
336     state = &new_state[1];
337     if (rand_type != TYPE_0) {
338         rptr = &state[rear];
339         fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
340     }
341     end_ptr = &state[rand_deg]; /* set end_ptr too */
342     return (ostate);
343 }
344
345 /*
346  * random:
347  * If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
348  * congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is the
349  * same in all ther other cases due to all the global variables that have been
350  * set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer into
351  * the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to the next
352  * location cyclically in the table.  The value returned is the sum generated,
353  * reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
354  * Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
355  * rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
356  * pointer if the front one has wrapped.
357  * Returns a 31-bit random number.
358  */
359
360 long
361 random()
362 {
363     long i;
364
365     if (rand_type == TYPE_0) {
366         i = state[0] = (state[0] * 1103515245 + 12345) & 0x7fffffff;
367     } else {
368         *fptr += *rptr;
369         i = (*fptr >> 1) & 0x7fffffff; /* chucking least random bit */
370         if (++fptr >= end_ptr) {
371             fptr = state;
372             ++rptr;
373         } else {
374             if (++rptr >= end_ptr)
375                 rptr = state;
376         }
377     }
378     return (i);
379 }