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 <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 const int degrees[MAX_TYPES] = { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
 109 static const int seps[MAX_TYPES] = { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
 110
 111
 112
 113 \f
 114 /* Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
 115    type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
 116    Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
 117    congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
 118    that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
 119    information a given number of times to get rid of any initial dependencies
 120    introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
 121    for default usage relies on values produced by this routine.  */
 122 int
 123 __srandom_r (x, buf)
 124      unsigned int x;
 125      struct random_data *buf;
 126 {
 127   if (buf == NULL || buf->rand_type < TYPE_0 || buf->rand_type > TYPE_4)
 128     return -1;
 129
 130   buf->state[0] = x;
 131   if (buf->rand_type != TYPE_0)
 132     {
 133       long int i;
 134       for (i = 1; i < buf->rand_deg; ++i)
 135         {
 136           /* This does:
 137                state[i] = (16807 * state[i - 1]) % 2147483647;
 138              but avoids overflowing 31 bits.  */
 139           long int hi = buf->state[i - 1] / 127773;
 140           long int lo = buf->state[i - 1] % 127773;
 141           long int test = 16807 * lo - 2836 * hi;
 142           buf->state[i] = test + (test < 0 ? 2147483647 : 0);
 143         }
 144       buf->fptr = &buf->state[buf->rand_sep];
 145       buf->rptr = &buf->state[0];
 146       for (i = 0; i < 10 * buf->rand_deg; ++i)
 147         {
 148           int32_t discard;
 149           (void) __random_r (buf, &discard);
 150         }
 151     }
 152
 153   return 0;
 154 }
 155
 156 weak_alias (__srandom_r, srandom_r)
 157 \f
 158 /* Initialize the state information in the given array of N bytes for
 159    future random number generation.  Based on the number of bytes we
 160    are given, and the break values for the different R.N.G.'s, we choose
 161    the best (largest) one we can and set things up for it.  srandom is
 162    then called to initialize the state information.  Note that on return
 163    from srandom, we set state[-1] to be the type multiplexed with the current
 164    value of the rear pointer; this is so successive calls to initstate won't
 165    lose this information and will be able to restart with setstate.
 166    Note: The first thing we do is save the current state, if any, just like
 167    setstate so that it doesn't matter when initstate is called.
 168    Returns a pointer to the old state.  */
 169 int
 170 __initstate_r (seed, arg_state, n, buf)
 171      unsigned int seed;
 172      void *arg_state;
 173      size_t n;
 174      struct random_data *buf;
 175 {
 176   if (buf == NULL)
 177     return -1;
 178
 179   if (buf->rand_type == TYPE_0)
 180     buf->state[-1] = buf->rand_type;
 181   else
 182     buf->state[-1] = (MAX_TYPES * (buf->rptr - buf->state)) + buf->rand_type;
 183   if (n < BREAK_1)
 184     {
 185       if (n < BREAK_0)
 186         {
 187           __set_errno (EINVAL);
 188           return -1;
 189         }
 190       buf->rand_type = TYPE_0;
 191       buf->rand_deg = DEG_0;
 192       buf->rand_sep = SEP_0;
 193     }
 194   else if (n < BREAK_2)
 195     {
 196       buf->rand_type = TYPE_1;
 197       buf->rand_deg = DEG_1;
 198       buf->rand_sep = SEP_1;
 199     }
 200   else if (n < BREAK_3)
 201     {
 202       buf->rand_type = TYPE_2;
 203       buf->rand_deg = DEG_2;
 204       buf->rand_sep = SEP_2;
 205     }
 206   else if (n < BREAK_4)
 207     {
 208       buf->rand_type = TYPE_3;
 209       buf->rand_deg = DEG_3;
 210       buf->rand_sep = SEP_3;
 211     }
 212   else
 213     {
 214       buf->rand_type = TYPE_4;
 215       buf->rand_deg = DEG_4;
 216       buf->rand_sep = SEP_4;
 217     }
 218
 219   buf->state = &((int32_t *) arg_state)[1];     /* First location.  */
 220   /* Must set END_PTR before srandom.  */
 221   buf->end_ptr = &buf->state[buf->rand_deg];
 222
 223   __srandom_r (seed, buf);
 224
 225   if (buf->rand_type == TYPE_0)
 226     buf->state[-1] = buf->rand_type;
 227   else
 228     buf->state[-1] = (MAX_TYPES * (buf->rptr - buf->state)) + buf->rand_type;
 229
 230   return 0;
 231 }
 232
 233 weak_alias (__initstate_r, initstate_r)
 234 \f
 235 /* Restore the state from the given state array.
 236    Note: It is important that we also remember the locations of the pointers
 237    in the current state information, and restore the locations of the pointers
 238    from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
 239    location into the zeroeth word of the state information. Note that due
 240    to the order in which things are done, it is OK to call setstate with the
 241    same state as the current state
 242    Returns a pointer to the old state information.  */
 243 int
 244 __setstate_r (arg_state, buf)
 245      void *arg_state;
 246      struct random_data *buf;
 247 {
 248   int32_t *new_state = (int32_t *) arg_state;
 249   int type = new_state[0] % MAX_TYPES;
 250   int rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
 251
 252   if (buf == NULL)
 253     return -1;
 254
 255   if (buf->rand_type == TYPE_0)
 256     buf->state[-1] = buf->rand_type;
 257   else
 258     buf->state[-1] = (MAX_TYPES * (buf->rptr - buf->state)) + buf->rand_type;
 259
 260   switch (type)
 261     {
 262     case TYPE_0:
 263     case TYPE_1:
 264     case TYPE_2:
 265     case TYPE_3:
 266     case TYPE_4:
 267       buf->rand_type = type;
 268       buf->rand_deg = degrees[type];
 269       buf->rand_sep = seps[type];
 270       break;
 271     default:
 272       /* State info munged.  */
 273       __set_errno (EINVAL);
 274       return -1;
 275     }
 276
 277   buf->state = &new_state[1];
 278   if (buf->rand_type != TYPE_0)
 279     {
 280       buf->rptr = &buf->state[rear];
 281       buf->fptr = &buf->state[(rear + buf->rand_sep) % buf->rand_deg];
 282     }
 283   /* Set end_ptr too.  */
 284   buf->end_ptr = &buf->state[buf->rand_deg];
 285
 286   return 0;
 287 }
 288
 289 weak_alias (__setstate_r, setstate_r)
 290 \f
 291 /* If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
 292    congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is the
 293    same in all ther other cases due to all the global variables that have been
 294    set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer into
 295    the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to the next
 296    location cyclically in the table.  The value returned is the sum generated,
 297    reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
 298    Note: The code takes advantage of the fact that both the front and
 299    rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
 300    pointer if the front one has wrapped.  Returns a 31-bit random number.  */
 301
 302 int
 303 __random_r (buf, result)
 304      struct random_data *buf;
 305      int32_t *result;
 306 {
 307   if (buf == NULL || result == NULL)
 308     return -1;
 309
 310   if (buf->rand_type == TYPE_0)
 311     {
 312       buf->state[0] = ((buf->state[0] * 1103515245) + 12345) & 0x7fffffff;
 313       *result = buf->state[0];
 314     }
 315   else
 316     {
 317       *buf->fptr += *buf->rptr;
 318       /* Chucking least random bit.  */
 319       *result = (*buf->fptr >> 1) & 0x7fffffff;
 320       ++buf->fptr;
 321       if (buf->fptr >= buf->end_ptr)
 322         {
 323           buf->fptr = buf->state;
 324           ++buf->rptr;
 325         }
 326       else
 327         {
 328           ++buf->rptr;
 329           if (buf->rptr >= buf->end_ptr)
 330             buf->rptr = buf->state;
 331         }
 332     }
 333   return 0;
 334 }
 335
 336 weak_alias (__random_r, random_r)