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27
28 #include "v8.h"
29
30 #include "fast-dtoa.h"
31
32 #include "cached-powers.h"
33 #include "diy-fp.h"
34 #include "double.h"
35
36 namespace v8 {
37 namespace internal {
38
39 // The minimal and maximal target exponent define the range of w's binary
40 // exponent, where 'w' is the result of multiplying the input by a cached power
41 // of ten.
42 //
43 // A different range might be chosen on a different platform, to optimize digit
44 // generation, but a smaller range requires more powers of ten to be cached.
45 static const int minimal_target_exponent = -60;
46 static const int maximal_target_exponent = -32;
47
48
49 // Adjusts the last digit of the generated number, and screens out generated
50 // solutions that may be inaccurate. A solution may be inaccurate if it is
51 // outside the safe interval, or if we ctannot prove that it is closer to the
52 // input than a neighboring representation of the same length.
53 //
54 // Input: * buffer containing the digits of too_high / 10^kappa
55 //        * the buffer's length
56 //        * distance_too_high_w == (too_high - w).f() * unit
57 //        * unsafe_interval == (too_high - too_low).f() * unit
58 //        * rest = (too_high - buffer * 10^kappa).f() * unit
59 //        * ten_kappa = 10^kappa * unit
60 //        * unit = the common multiplier
61 // Output: returns true if the buffer is guaranteed to contain the closest
62 //    representable number to the input.
63 //  Modifies the generated digits in the buffer to approach (round towards) w.
64 bool RoundWeed(Vector<char> buffer,
65                int length,
66                uint64_t distance_too_high_w,
67                uint64_t unsafe_interval,
68                uint64_t rest,
69                uint64_t ten_kappa,
70                uint64_t unit) {
71   uint64_t small_distance = distance_too_high_w - unit;
72   uint64_t big_distance = distance_too_high_w + unit;
73   // Let w_low  = too_high - big_distance, and
74   //     w_high = too_high - small_distance.
75   // Note: w_low < w < w_high
76   //
77   // The real w (* unit) must lie somewhere inside the interval
78   // ]w_low; w_low[ (often written as "(w_low; w_low)")
79
80   // Basically the buffer currently contains a number in the unsafe interval
81   // ]too_low; too_high[ with too_low < w < too_high
82   //
83   //  too_high - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
84   //                     ^v 1 unit            ^      ^                 ^      ^
85   //  boundary_high ---------------------     .      .                 .      .
86   //                     ^v 1 unit            .      .                 .      .
87   //   - - - - - - - - - - - - - - - - - - -  +  - - + - - - - - -     .      .
88   //                                          .      .         ^       .      .
89   //                                          .  big_distance  .       .      .
90   //                                          .      .         .       .    rest
91   //                              small_distance     .         .       .      .
92   //                                          v      .         .       .      .
93   //  w_high - - - - - - - - - - - - - - - - - -     .         .       .      .
94   //                     ^v 1 unit                   .         .       .      .
95   //  w ----------------------------------------     .         .       .      .
96   //                     ^v 1 unit                   v         .       .      .
97   //  w_low  - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -         .       .      .
98   //                                                           .       .      v
99   //  buffer --------------------------------------------------+-------+--------
100   //                                                           .       .
101   //                                                  safe_interval    .
102   //                                                           v       .
103   //   - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -     .
104   //                     ^v 1 unit                                     .
105   //  boundary_low -------------------------                     unsafe_interval
106   //                     ^v 1 unit                                     v
107   //  too_low  - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
108   //
109   //
110   // Note that the value of buffer could lie anywhere inside the range too_low
111   // to too_high.
112   //
113   // boundary_low, boundary_high and w are approximations of the real boundaries
114   // and v (the input number). They are guaranteed to be precise up to one unit.
115   // In fact the error is guaranteed to be strictly less than one unit.
116   //
117   // Anything that lies outside the unsafe interval is guaranteed not to round
118   // to v when read again.
119   // Anything that lies inside the safe interval is guaranteed to round to v
120   // when read again.
121   // If the number inside the buffer lies inside the unsafe interval but not
122   // inside the safe interval then we simply do not know and bail out (returning
123   // false).
124   //
125   // Similarly we have to take into account the imprecision of 'w' when rounding
126   // the buffer. If we have two potential representations we need to make sure
127   // that the chosen one is closer to w_low and w_high since v can be anywhere
128   // between them.
129   //
130   // By generating the digits of too_high we got the largest (closest to
131   // too_high) buffer that is still in the unsafe interval. In the case where
132   // w_high < buffer < too_high we try to decrement the buffer.
133   // This way the buffer approaches (rounds towards) w.
134   // There are 3 conditions that stop the decrementation process:
135   //   1) the buffer is already below w_high
136   //   2) decrementing the buffer would make it leave the unsafe interval
137   //   3) decrementing the buffer would yield a number below w_high and farther
138   //      away than the current number. In other words:
139   //              (buffer{-1} < w_high) && w_high - buffer{-1} > buffer - w_high
140   // Instead of using the buffer directly we use its distance to too_high.
141   // Conceptually rest ~= too_high - buffer
142   while (rest < small_distance &&  // Negated condition 1
143          unsafe_interval - rest >= ten_kappa &&  // Negated condition 2
144          (rest + ten_kappa < small_distance ||  // buffer{-1} > w_high
145           small_distance - rest >= rest + ten_kappa - small_distance)) {
146     buffer[length - 1]--;
147     rest += ten_kappa;
148   }
149
150   // We have approached w+ as much as possible. We now test if approaching w-
151   // would require changing the buffer. If yes, then we have two possible
152   // representations close to w, but we cannot decide which one is closer.
153   if (rest < big_distance &&
154       unsafe_interval - rest >= ten_kappa &&
155       (rest + ten_kappa < big_distance ||
156        big_distance - rest > rest + ten_kappa - big_distance)) {
157     return false;
158   }
159
160   // Weeding test.
161   //   The safe interval is [too_low + 2 ulp; too_high - 2 ulp]
162   //   Since too_low = too_high - unsafe_interval this is equivalent to
163   //      [too_high - unsafe_interval + 4 ulp; too_high - 2 ulp]
164   //   Conceptually we have: rest ~= too_high - buffer
165   return (2 * unit <= rest) && (rest <= unsafe_interval - 4 * unit);
166 }
167
168
169
170 static const uint32_t kTen4 = 10000;
171 static const uint32_t kTen5 = 100000;
172 static const uint32_t kTen6 = 1000000;
173 static const uint32_t kTen7 = 10000000;
174 static const uint32_t kTen8 = 100000000;
175 static const uint32_t kTen9 = 1000000000;
176
177 // Returns the biggest power of ten that is less than or equal than the given
178 // number. We furthermore receive the maximum number of bits 'number' has.
179 // If number_bits == 0 then 0^-1 is returned
180 // The number of bits must be <= 32.
181 // Precondition: (1 << number_bits) <= number < (1 << (number_bits + 1)).
182 static void BiggestPowerTen(uint32_t number,
183                             int number_bits,
184                             uint32_t* power,
185                             int* exponent) {
186   switch (number_bits) {
187     case 32:
188     case 31:
189     case 30:
190       if (kTen9 <= number) {
191         *power = kTen9;
192         *exponent = 9;
193         break;
194       }  // else fallthrough
195     case 29:
196     case 28:
197     case 27:
198       if (kTen8 <= number) {
199         *power = kTen8;
200         *exponent = 8;
201         break;
202       }  // else fallthrough
203     case 26:
204     case 25:
205     case 24:
206       if (kTen7 <= number) {
207         *power = kTen7;
208         *exponent = 7;
209         break;
210       }  // else fallthrough
211     case 23:
212     case 22:
213     case 21:
214     case 20:
215       if (kTen6 <= number) {
216         *power = kTen6;
217         *exponent = 6;
218         break;
219       }  // else fallthrough
220     case 19:
221     case 18:
222     case 17:
223       if (kTen5 <= number) {
224         *power = kTen5;
225         *exponent = 5;
226         break;
227       }  // else fallthrough
228     case 16:
229     case 15:
230     case 14:
231       if (kTen4 <= number) {
232         *power = kTen4;
233         *exponent = 4;
234         break;
235       }  // else fallthrough
236     case 13:
237     case 12:
238     case 11:
239     case 10:
240       if (1000 <= number) {
241         *power = 1000;
242         *exponent = 3;
243         break;
244       }  // else fallthrough
245     case 9:
246     case 8:
247     case 7:
248       if (100 <= number) {
249         *power = 100;
250         *exponent = 2;
251         break;
252       }  // else fallthrough
253     case 6:
254     case 5:
255     case 4:
256       if (10 <= number) {
257         *power = 10;
258         *exponent = 1;
259         break;
260       }  // else fallthrough
261     case 3:
262     case 2:
263     case 1:
264       if (1 <= number) {
265         *power = 1;
266         *exponent = 0;
267         break;
268       }  // else fallthrough
269     case 0:
270       *power = 0;
271       *exponent = -1;
272       break;
273     default:
274       // Following assignments are here to silence compiler warnings.
275       *power = 0;
276       *exponent = 0;
277       UNREACHABLE();
278   }
279 }
280
281
282 // Generates the digits of input number w.
283 // w is a floating-point number (DiyFp), consisting of a significand and an
284 // exponent. Its exponent is bounded by minimal_target_exponent and
285 // maximal_target_exponent.
286 //       Hence -60 <= w.e() <= -32.
287 //
288 // Returns false if it fails, in which case the generated digits in the buffer
289 // should not be used.
290 // Preconditions:
291 //  * low, w and high are correct up to 1 ulp (unit in the last place). That
292 //    is, their error must be less that a unit of their last digits.
293 //  * low.e() == w.e() == high.e()
294 //  * low < w < high, and taking into account their error: low~ <= high~
295 //  * minimal_target_exponent <= w.e() <= maximal_target_exponent
296 // Postconditions: returns false if procedure fails.
297 //   otherwise:
298 //     * buffer is not null-terminated, but len contains the number of digits.
299 //     * buffer contains the shortest possible decimal digit-sequence
300 //       such that LOW < buffer * 10^kappa < HIGH, where LOW and HIGH are the
301 //       correct values of low and high (without their error).
302 //     * if more than one decimal representation gives the minimal number of
303 //       decimal digits then the one closest to W (where W is the correct value
304 //       of w) is chosen.
305 // Remark: this procedure takes into account the imprecision of its input
306 //   numbers. If the precision is not enough to guarantee all the postconditions
307 //   then false is returned. This usually happens rarely (~0.5%).
308 //
309 // Say, for the sake of example, that
310 //   w.e() == -48, and w.f() == 0x1234567890abcdef
311 // w's value can be computed by w.f() * 2^w.e()
312 // We can obtain w's integral digits by simply shifting w.f() by -w.e().
313 //  -> w's integral part is 0x1234
314 //  w's fractional part is therefore 0x567890abcdef.
315 // Printing w's integral part is easy (simply print 0x1234 in decimal).
316 // In order to print its fraction we repeatedly multiply the fraction by 10 and
317 // get each digit. Example the first digit after the point would be computed by
318 //   (0x567890abcdef * 10) >> 48. -> 3
319 // The whole thing becomes slightly more complicated because we want to stop
320 // once we have enough digits. That is, once the digits inside the buffer
321 // represent 'w' we can stop. Everything inside the interval low - high
322 // represents w. However we have to pay attention to low, high and w's
323 // imprecision.
324 bool DigitGen(DiyFp low,
325               DiyFp w,
326               DiyFp high,
327               Vector<char> buffer,
328               int* length,
329               int* kappa) {
330   ASSERT(low.e() == w.e() && w.e() == high.e());
331   ASSERT(low.f() + 1 <= high.f() - 1);
332   ASSERT(minimal_target_exponent <= w.e() && w.e() <= maximal_target_exponent);
333   // low, w and high are imprecise, but by less than one ulp (unit in the last
334   // place).
335   // If we remove (resp. add) 1 ulp from low (resp. high) we are certain that
336   // the new numbers are outside of the interval we want the final
337   // representation to lie in.
338   // Inversely adding (resp. removing) 1 ulp from low (resp. high) would yield
339   // numbers that are certain to lie in the interval. We will use this fact
340   // later on.
341   // We will now start by generating the digits within the uncertain
342   // interval. Later we will weed out representations that lie outside the safe
343   // interval and thus _might_ lie outside the correct interval.
344   uint64_t unit = 1;
345   DiyFp too_low = DiyFp(low.f() - unit, low.e());
346   DiyFp too_high = DiyFp(high.f() + unit, high.e());
347   // too_low and too_high are guaranteed to lie outside the interval we want the
348   // generated number in.
349   DiyFp unsafe_interval = DiyFp::Minus(too_high, too_low);
350   // We now cut the input number into two parts: the integral digits and the
351   // fractionals. We will not write any decimal separator though, but adapt
352   // kappa instead.
353   // Reminder: we are currently computing the digits (stored inside the buffer)
354   // such that:   too_low < buffer * 10^kappa < too_high
355   // We use too_high for the digit_generation and stop as soon as possible.
356   // If we stop early we effectively round down.
357   DiyFp one = DiyFp(static_cast<uint64_t>(1) << -w.e(), w.e());
358   // Division by one is a shift.
359   uint32_t integrals = static_cast<uint32_t>(too_high.f() >> -one.e());
360   // Modulo by one is an and.
361   uint64_t fractionals = too_high.f() & (one.f() - 1);
362   uint32_t divider;
363   int divider_exponent;
364   BiggestPowerTen(integrals, DiyFp::kSignificandSize - (-one.e()),
365                   &divider, &divider_exponent);
366   *kappa = divider_exponent + 1;
367   *length = 0;
368   // Loop invariant: buffer = too_high / 10^kappa  (integer division)
369   // The invariant holds for the first iteration: kappa has been initialized
370   // with the divider exponent + 1. And the divider is the biggest power of ten
371   // that is smaller than integrals.
372   while (*kappa > 0) {
373     int digit = integrals / divider;
374     buffer[*length] = '0' + digit;
375     (*length)++;
376     integrals %= divider;
377     (*kappa)--;
378     // Note that kappa now equals the exponent of the divider and that the
379     // invariant thus holds again.
380     uint64_t rest =
381         (static_cast<uint64_t>(integrals) << -one.e()) + fractionals;
382     // Invariant: too_high = buffer * 10^kappa + DiyFp(rest, one.e())
383     // Reminder: unsafe_interval.e() == one.e()
384     if (rest < unsafe_interval.f()) {
385       // Rounding down (by not emitting the remaining digits) yields a number
386       // that lies within the unsafe interval.
387       return RoundWeed(buffer, *length, DiyFp::Minus(too_high, w).f(),
388                        unsafe_interval.f(), rest,
389                        static_cast<uint64_t>(divider) << -one.e(), unit);
390     }
391     divider /= 10;
392   }
393
394   // The integrals have been generated. We are at the point of the decimal
395   // separator. In the following loop we simply multiply the remaining digits by
396   // 10 and divide by one. We just need to pay attention to multiply associated
397   // data (like the interval or 'unit'), too.
398   // Instead of multiplying by 10 we multiply by 5 (cheaper operation) and
399   // increase its (imaginary) exponent. At the same time we decrease the
400   // divider's (one's) exponent and shift its significand.
401   // Basically, if fractionals was a DiyFp (with fractionals.e == one.e):
402   //      fractionals.f *= 10;
403   //      fractionals.f >>= 1; fractionals.e++; // value remains unchanged.
404   //      one.f >>= 1; one.e++;                 // value remains unchanged.
405   //      and we have again fractionals.e == one.e which allows us to divide
406   //           fractionals.f() by one.f()
407   // We simply combine the *= 10 and the >>= 1.
408   while (true) {
409     fractionals *= 5;
410     unit *= 5;
411     unsafe_interval.set_f(unsafe_interval.f() * 5);
412     unsafe_interval.set_e(unsafe_interval.e() + 1);  // Will be optimized out.
413     one.set_f(one.f() >> 1);
414     one.set_e(one.e() + 1);
415     // Integer division by one.
416     int digit = static_cast<int>(fractionals >> -one.e());
417     buffer[*length] = '0' + digit;
418     (*length)++;
419     fractionals &= one.f() - 1;  // Modulo by one.
420     (*kappa)--;
421     if (fractionals < unsafe_interval.f()) {
422       return RoundWeed(buffer, *length, DiyFp::Minus(too_high, w).f() * unit,
423                        unsafe_interval.f(), fractionals, one.f(), unit);
424     }
425   }
426 }
427
428
429 // Provides a decimal representation of v.
430 // Returns true if it succeeds, otherwise the result cannot be trusted.
431 // There will be *length digits inside the buffer (not null-terminated).
432 // If the function returns true then
433 //        v == (double) (buffer * 10^decimal_exponent).
434 // The digits in the buffer are the shortest representation possible: no
435 // 0.09999999999999999 instead of 0.1. The shorter representation will even be
436 // chosen even if the longer one would be closer to v.
437 // The last digit will be closest to the actual v. That is, even if several
438 // digits might correctly yield 'v' when read again, the closest will be
439 // computed.
440 bool grisu3(double v, Vector<char> buffer, int* length, int* decimal_exponent) {
441   DiyFp w = Double(v).AsNormalizedDiyFp();
442   // boundary_minus and boundary_plus are the boundaries between v and its
443   // closest floating-point neighbors. Any number strictly between
444   // boundary_minus and boundary_plus will round to v when convert to a double.
445   // Grisu3 will never output representations that lie exactly on a boundary.
446   DiyFp boundary_minus, boundary_plus;
447   Double(v).NormalizedBoundaries(&boundary_minus, &boundary_plus);
448   ASSERT(boundary_plus.e() == w.e());
449   DiyFp ten_mk;  // Cached power of ten: 10^-k
450   int mk;        // -k
451   GetCachedPower(w.e() + DiyFp::kSignificandSize, minimal_target_exponent,
452                  maximal_target_exponent, &mk, &ten_mk);
453   ASSERT(minimal_target_exponent <= w.e() + ten_mk.e() +
454          DiyFp::kSignificandSize &&
455          maximal_target_exponent >= w.e() + ten_mk.e() +
456          DiyFp::kSignificandSize);
457   // Note that ten_mk is only an approximation of 10^-k. A DiyFp only contains a
458   // 64 bit significand and ten_mk is thus only precise up to 64 bits.
459
460   // The DiyFp::Times procedure rounds its result, and ten_mk is approximated
461   // too. The variable scaled_w (as well as scaled_boundary_minus/plus) are now
462   // off by a small amount.
463   // In fact: scaled_w - w*10^k < 1ulp (unit in the last place) of scaled_w.
464   // In other words: let f = scaled_w.f() and e = scaled_w.e(), then
465   //           (f-1) * 2^e < w*10^k < (f+1) * 2^e
466   DiyFp scaled_w = DiyFp::Times(w, ten_mk);
467   ASSERT(scaled_w.e() ==
468          boundary_plus.e() + ten_mk.e() + DiyFp::kSignificandSize);
469   // In theory it would be possible to avoid some recomputations by computing
470   // the difference between w and boundary_minus/plus (a power of 2) and to
471   // compute scaled_boundary_minus/plus by subtracting/adding from
472   // scaled_w. However the code becomes much less readable and the speed
473   // enhancements are not terriffic.
474   DiyFp scaled_boundary_minus = DiyFp::Times(boundary_minus, ten_mk);
475   DiyFp scaled_boundary_plus  = DiyFp::Times(boundary_plus,  ten_mk);
476
477   // DigitGen will generate the digits of scaled_w. Therefore we have
478   // v == (double) (scaled_w * 10^-mk).
479   // Set decimal_exponent == -mk and pass it to DigitGen. If scaled_w is not an
480   // integer than it will be updated. For instance if scaled_w == 1.23 then
481   // the buffer will be filled with "123" und the decimal_exponent will be
482   // decreased by 2.
483   int kappa;
484   bool result = DigitGen(scaled_boundary_minus, scaled_w, scaled_boundary_plus,
485                          buffer, length, &kappa);
486   *decimal_exponent = -mk + kappa;
487   return result;
488 }
489
490
491 bool FastDtoa(double v,
492               Vector<char> buffer,
493               int* length,
494               int* point) {
495   ASSERT(v > 0);
496   ASSERT(!Double(v).IsSpecial());
497
498   int decimal_exponent;
499   bool result = grisu3(v, buffer, length, &decimal_exponent);
500   *point = *length + decimal_exponent;
501   buffer[*length] = '\0';
502   return result;
503 }
504
505 } }  // namespace v8::internal