home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Language/OS - Multiplatform Resource Library / LANGUAGE OS.iso / gnu / glibc108.gz / glibc108 / glibc-1.08.1 / stdlib / __random.c next >
C/C++ Source or Header  |  1992-05-03  |  13KB  |  349 lines
  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.  */
  23.  
  24. #include <ansidecl.h>
  25. #include <errno.h>
  26. #include <limits.h>
  27. #include <stddef.h>
  28. #include <stdlib.h>
  29.  
  30.  
  31. /* An improved random number generation package.  In addition to the standard
  32.    rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
  33.    interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
  34.    bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
  35.    then initialized to contain information for random number generation with
  36.    that much state information.  Good sizes for the amount of state
  37.    information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
  38.    calling the setstate() function with the same array as was initiallized
  39.    with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
  40.    information and generates far better random numbers than a linear
  41.    congruential generator.  If the amount of state information is less than
  42.    32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.  Internally, the
  43.    state information is treated as an array of longs; the zeroeth element of
  44.    the array is the type of R.N.G. being used (small integer); the remainder
  45.    of the array is the state information for the R.N.G.  Thus, 32 bytes of
  46.    state information will give 7 longs worth of state information, which will
  47.    allow a degree seven polynomial.  (Note: The zeroeth word of state
  48.    information also has some other information stored in it; see setstate
  49.    for details).  The random number generation technique is a linear feedback
  50.    shift register approach, employing trinomials (since there are fewer terms
  51.    to sum up that way).  In this approach, the least significant bit of all
  52.    the numbers in the state table will act as a linear feedback shift register,
  53.    and will have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial
  54.    being used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).
  55.    The higher order bits will have longer periods, since their values are
  56.    also influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The
  57.    total period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus
  58.    doubling the amount of state information has a vast influence on the
  59.    period of the generator.  Note: The deg*(2**deg - 1) is an approximation
  60.    only good for large deg, when the period of the shift register is the
  61.    dominant factor.  With deg equal to seven, the period is actually much
  62.    longer than the 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.  */
  63.  
  64.  
  65.  
  66. /* For each of the currently supported random number generators, we have a
  67.    break value on the amount of state information (you need at least thi
  68.    bytes of state info to support this random number generator), a degree for
  69.    the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
  70.    separation between the two lower order coefficients of the trinomial.  */
  71.  
  72. /* Linear congruential.  */
  73. #define    TYPE_0        0
  74. #define    BREAK_0        8
  75. #define    DEG_0        0
  76. #define    SEP_0        0
  77.  
  78. /* x**7 + x**3 + 1.  */
  79. #define    TYPE_1        1
  80. #define    BREAK_1        32
  81. #define    DEG_1        7
  82. #define    SEP_1        3
  83.  
  84. /* x**15 + x + 1.  */
  85. #define    TYPE_2        2
  86. #define    BREAK_2        64
  87. #define    DEG_2        15
  88. #define    SEP_2        1
  89.  
  90. /* x**31 + x**3 + 1.  */
  91. #define    TYPE_3        3
  92. #define    BREAK_3        128
  93. #define    DEG_3        31
  94. #define    SEP_3        3
  95.  
  96. /* x**63 + x + 1.  */
  97. #define    TYPE_4        4
  98. #define    BREAK_4        256
  99. #define    DEG_4        63
  100. #define    SEP_4        1
  101.  
  102.  
  103. /* Array versions of the above information to make code run faster.
  104.    Relies on fact that TYPE_i == i.  */
  105.  
  106. #define    MAX_TYPES    5    /* Max number of types above.  */
  107.  
  108. static int degrees[MAX_TYPES] = { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
  109. static int seps[MAX_TYPES] = { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
  110.  
  111.  
  112.  
  113. /* Initially, everything is set up as if from:
  114.     initstate(1, randtbl, 128);
  115.    Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom
  116.    advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
  117.    rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
  118.    element of the state information, which contains info about the current
  119.    position of the rear pointer is just
  120.     (MAX_TYPES * (rptr - state)) + TYPE_3 == TYPE_3.  */
  121.  
  122. static long int randtbl[DEG_3 + 1] =
  123.   {
  124.     TYPE_3,
  125.     -851904987, -43806228, -2029755270, 1390239686, -1912102820,
  126.     -485608943, 1969813258, -1590463333, -1944053249, 455935928, 508023712,
  127.     -1714531963, 1800685987, -2015299881, 654595283, -1149023258,
  128.     -1470005550, -1143256056, -1325577603, -1568001885, 1275120390,
  129.     -607508183, -205999574, -1696891592, 1492211999, -1528267240,
  130.     -952028296, -189082757, 362343714, 1424981831, 2039449641,
  131.   };
  132.  
  133. /* FPTR and RPTR are two pointers into the state info, a front and a rear
  134.    pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
  135.    cycle through the state information.  (Yes, this does mean we could get
  136.    away with just one pointer, but the code for random is more efficient
  137.    this way).  The pointers are left positioned as they would be from the call:
  138.     initstate(1, randtbl, 128);
  139.    (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
  140.    in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
  141.    to point to randtbl[1] (as explained below).)  */
  142.  
  143. static long int *fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
  144. static long int *rptr = &randtbl[1];
  145.  
  146.  
  147.  
  148. /* The following things are the pointer to the state information table,
  149.    the type of the current generator, the degree of the current polynomial
  150.    being used, and the separation between the two pointers.
  151.    Note that for efficiency of random, we remember the first location of
  152.    the state information, not the zeroeth.  Hence it is valid to access
  153.    state[-1], which is used to store the type of the R.N.G.
  154.    Also, we remember the last location, since this is more efficient than
  155.    indexing every time to find the address of the last element to see if
  156.    the front and rear pointers have wrapped.  */
  157.  
  158. static long int *state = &randtbl[1];
  159.  
  160. static int rand_type = TYPE_3;
  161. static int rand_deg = DEG_3;
  162. static int rand_sep = SEP_3;
  163.  
  164. static long int *end_ptr = &randtbl[sizeof(randtbl) / sizeof(randtbl[0])];
  165.  
  166. /* Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
  167.    type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
  168.    Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
  169.    congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
  170.    that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
  171.    information a given number of times to get rid of any initial dependencies
  172.    introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
  173.    for default usage relies on values produced by this routine.  */
  174. void
  175. DEFUN(__srandom, (x), unsigned int x)
  176. {
  177.   state[0] = x;
  178.   if (rand_type != TYPE_0)
  179.     {
  180.       register long int i;
  181.       for (i = 1; i < rand_deg; ++i)
  182.     state[i] = (1103515145 * state[i - 1]) + 12345;
  183.       fptr = &state[rand_sep];
  184.       rptr = &state[0];
  185.       for (i = 0; i < 10 * rand_deg; ++i)
  186.     (void) __random();
  187.     }
  188. }
  189.  
  190. /* Initialize the state information in the given array of N bytes for
  191.    future random number generation.  Based on the number of bytes we
  192.    are given, and the break values for the different R.N.G.'s, we choose
  193.    the best (largest) one we can and set things up for it.  srandom is
  194.    then called to initialize the state information.  Note that on return
  195.    from srandom, we set state[-1] to be the type multiplexed with the current
  196.    value of the rear pointer; this is so successive calls to initstate won't
  197.    lose this information and will be able to restart with setstate.
  198.    Note: The first thing we do is save the current state, if any, just like
  199.    setstate so that it doesn't matter when initstate is called.
  200.    Returns a pointer to the old state.  */
  201. PTR
  202. DEFUN(__initstate, (seed, arg_state, n),
  203.       unsigned int seed AND PTR arg_state AND size_t n)
  204. {
  205.   PTR ostate = (PTR) &state[-1];
  206.  
  207.   if (rand_type == TYPE_0)
  208.     state[-1] = rand_type;
  209.   else
  210.     state[-1] = (MAX_TYPES * (rptr - state)) + rand_type;
  211.   if (n < BREAK_1)
  212.     {
  213.       if (n < BREAK_0)
  214.     {
  215.       errno = EINVAL;
  216.       return NULL;
  217.     }
  218.       rand_type = TYPE_0;
  219.       rand_deg = DEG_0;
  220.       rand_sep = SEP_0;
  221.     }
  222.   else if (n < BREAK_2)
  223.     {
  224.       rand_type = TYPE_1;
  225.       rand_deg = DEG_1;
  226.       rand_sep = SEP_1;
  227.     }
  228.   else if (n < BREAK_3)
  229.     {
  230.       rand_type = TYPE_2;
  231.       rand_deg = DEG_2;
  232.       rand_sep = SEP_2;
  233.     }
  234.   else if (n < BREAK_4)
  235.     {
  236.       rand_type = TYPE_3;
  237.       rand_deg = DEG_3;
  238.       rand_sep = SEP_3;
  239.     }
  240.   else
  241.     {
  242.       rand_type = TYPE_4;
  243.       rand_deg = DEG_4;
  244.       rand_sep = SEP_4;
  245.     }
  246.  
  247.   state = &((long int *) arg_state)[1];    /* First location.  */
  248.   /* Must set END_PTR before srandom.  */
  249.   end_ptr = &state[rand_deg];
  250.   __srandom(seed);
  251.   if (rand_type == TYPE_0)
  252.     state[-1] = rand_type;
  253.   else
  254.     state[-1] = (MAX_TYPES * (rptr - state)) + rand_type;
  255.  
  256.   return ostate;
  257. }
  258.  
  259. /* Restore the state from the given state array.
  260.    Note: It is important that we also remember the locations of the pointers
  261.    in the current state information, and restore the locations of the pointers
  262.    from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
  263.    location into the zeroeth word of the state information. Note that due
  264.    to the order in which things are done, it is OK to call setstate with the
  265.    same state as the current state
  266.    Returns a pointer to the old state information.  */
  267. PTR
  268. DEFUN(__setstate, (arg_state), PTR arg_state)
  269. {
  270.   register long int *new_state = (long int *) arg_state;
  271.   register int type = new_state[0] % MAX_TYPES;
  272.   register int rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
  273.   PTR ostate = (PTR) &state[-1];
  274.  
  275.   if (rand_type == TYPE_0)
  276.     state[-1] = rand_type;
  277.   else
  278.     state[-1] = (MAX_TYPES * (rptr - state)) + rand_type;
  279.  
  280.   switch (type)
  281.     {
  282.     case TYPE_0:
  283.     case TYPE_1:
  284.     case TYPE_2:
  285.     case TYPE_3:
  286.     case TYPE_4:
  287.       rand_type = type;
  288.       rand_deg = degrees[type];
  289.       rand_sep = seps[type];
  290.       break;
  291.     default:
  292.       /* State info munged.  */
  293.       errno = EINVAL;
  294.       return NULL;
  295.     }
  296.  
  297.   state = &new_state[1];
  298.   if (rand_type != TYPE_0)
  299.     {
  300.       rptr = &state[rear];
  301.       fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
  302.     }
  303.   /* Set end_ptr too.  */
  304.   end_ptr = &state[rand_deg];
  305.  
  306.   return ostate;
  307. }
  308.  
  309. /* If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
  310.    congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is the
  311.    same in all ther other cases due to all the global variables that have been
  312.    set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer into
  313.    the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to the next
  314.    location cyclically in the table.  The value returned is the sum generated,
  315.    reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
  316.    Note: The code takes advantage of the fact that both the front and
  317.    rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
  318.    pointer if the front one has wrapped.  Returns a 31-bit random number.  */
  319.  
  320. long int
  321. DEFUN_VOID(__random)
  322. {
  323.   if (rand_type == TYPE_0)
  324.     {
  325.       state[0] = ((state[0] * 1103515245) + 12345) & LONG_MAX;
  326.       return state[0];
  327.     }
  328.   else
  329.     {
  330.       long int i;
  331.       *fptr += *rptr;
  332.       /* Chucking least random bit.  */
  333.       i = (*fptr >> 1) & LONG_MAX;
  334.       ++fptr;
  335.       if (fptr >= end_ptr)
  336.     {
  337.       fptr = state;
  338.       ++rptr;
  339.     }
  340.       else
  341.     {
  342.       ++rptr;
  343.       if (rptr >= end_ptr)
  344.         rptr = state;
  345.     }
  346.       return i;
  347.     }
  348. }
  349.