| 1 | /* boost random/detail/const_mod.hpp header file | 
|---|
| 2 |  * | 
|---|
| 3 |  * Copyright Jens Maurer 2000-2001 | 
|---|
| 4 |  * Distributed under the Boost Software License, Version 1.0. (See | 
|---|
| 5 |  * accompanying file LICENSE_1_0.txt or copy at | 
|---|
| 6 |  * http://www.boost.org/LICENSE_1_0.txt) | 
|---|
| 7 |  * | 
|---|
| 8 |  * See http://www.boost.org for most recent version including documentation. | 
|---|
| 9 |  * | 
|---|
| 10 |  * $Id: const_mod.hpp,v 1.8 2004/07/27 03:43:32 dgregor Exp $ | 
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| 11 |  * | 
|---|
| 12 |  * Revision history | 
|---|
| 13 |  *  2001-02-18  moved to individual header files | 
|---|
| 14 |  */ | 
|---|
| 15 |  | 
|---|
| 16 | #ifndef BOOST_RANDOM_CONST_MOD_HPP | 
|---|
| 17 | #define BOOST_RANDOM_CONST_MOD_HPP | 
|---|
| 18 |  | 
|---|
| 19 | #include <cassert> | 
|---|
| 20 | #include <boost/static_assert.hpp> | 
|---|
| 21 | #include <boost/cstdint.hpp> | 
|---|
| 22 | #include <boost/integer_traits.hpp> | 
|---|
| 23 | #include <boost/detail/workaround.hpp> | 
|---|
| 24 |  | 
|---|
| 25 | namespace boost { | 
|---|
| 26 | namespace random { | 
|---|
| 27 |  | 
|---|
| 28 | /* | 
|---|
| 29 |  * Some random number generators require modular arithmetic.  Put | 
|---|
| 30 |  * everything we need here. | 
|---|
| 31 |  * IntType must be an integral type. | 
|---|
| 32 |  */ | 
|---|
| 33 |  | 
|---|
| 34 | namespace detail { | 
|---|
| 35 |  | 
|---|
| 36 |   template<bool is_signed> | 
|---|
| 37 |   struct do_add | 
|---|
| 38 |   { }; | 
|---|
| 39 |  | 
|---|
| 40 |   template<> | 
|---|
| 41 |   struct do_add<true> | 
|---|
| 42 |   { | 
|---|
| 43 |     template<class IntType> | 
|---|
| 44 |     static IntType add(IntType m, IntType x, IntType c) | 
|---|
| 45 |     { | 
|---|
| 46 |       x += (c-m); | 
|---|
| 47 |       if(x < 0) | 
|---|
| 48 |         x += m; | 
|---|
| 49 |       return x; | 
|---|
| 50 |     } | 
|---|
| 51 |   }; | 
|---|
| 52 |  | 
|---|
| 53 |   template<> | 
|---|
| 54 |   struct do_add<false> | 
|---|
| 55 |   { | 
|---|
| 56 |     template<class IntType> | 
|---|
| 57 |     static IntType add(IntType, IntType, IntType) | 
|---|
| 58 |     { | 
|---|
| 59 |       // difficult | 
|---|
| 60 |       assert(!"const_mod::add with c too large"); | 
|---|
| 61 |       return 0; | 
|---|
| 62 |     } | 
|---|
| 63 |   }; | 
|---|
| 64 | } // namespace detail | 
|---|
| 65 |  | 
|---|
| 66 | #if !(defined(__BORLANDC__) && (__BORLANDC__ == 0x560)) | 
|---|
| 67 |  | 
|---|
| 68 | template<class IntType, IntType m> | 
|---|
| 69 | class const_mod | 
|---|
| 70 | { | 
|---|
| 71 | public: | 
|---|
| 72 |   static IntType add(IntType x, IntType c) | 
|---|
| 73 |   { | 
|---|
| 74 |     if(c == 0) | 
|---|
| 75 |       return x; | 
|---|
| 76 |     else if(c <= traits::const_max - m)    // i.e. m+c < max | 
|---|
| 77 |       return add_small(x, c); | 
|---|
| 78 |     else | 
|---|
| 79 |       return detail::do_add<traits::is_signed>::add(m, x, c); | 
|---|
| 80 |   } | 
|---|
| 81 |  | 
|---|
| 82 |   static IntType mult(IntType a, IntType x) | 
|---|
| 83 |   { | 
|---|
| 84 |     if(a == 1) | 
|---|
| 85 |       return x; | 
|---|
| 86 |     else if(m <= traits::const_max/a)      // i.e. a*m <= max | 
|---|
| 87 |       return mult_small(a, x); | 
|---|
| 88 |     else if(traits::is_signed && (m%a < m/a)) | 
|---|
| 89 |       return mult_schrage(a, x); | 
|---|
| 90 |     else { | 
|---|
| 91 |       // difficult | 
|---|
| 92 |       assert(!"const_mod::mult with a too large"); | 
|---|
| 93 |       return 0; | 
|---|
| 94 |     } | 
|---|
| 95 |   } | 
|---|
| 96 |  | 
|---|
| 97 |   static IntType mult_add(IntType a, IntType x, IntType c) | 
|---|
| 98 |   { | 
|---|
| 99 |     if(m <= (traits::const_max-c)/a)   // i.e. a*m+c <= max | 
|---|
| 100 |       return (a*x+c) % m; | 
|---|
| 101 |     else | 
|---|
| 102 |       return add(mult(a, x), c); | 
|---|
| 103 |   } | 
|---|
| 104 |  | 
|---|
| 105 |   static IntType invert(IntType x) | 
|---|
| 106 |   { return x == 0 ? 0 : invert_euclidian(x); } | 
|---|
| 107 |  | 
|---|
| 108 | private: | 
|---|
| 109 |   typedef integer_traits<IntType> traits; | 
|---|
| 110 |  | 
|---|
| 111 |   const_mod();      // don't instantiate | 
|---|
| 112 |  | 
|---|
| 113 |   static IntType add_small(IntType x, IntType c) | 
|---|
| 114 |   { | 
|---|
| 115 |     x += c; | 
|---|
| 116 |     if(x >= m) | 
|---|
| 117 |       x -= m; | 
|---|
| 118 |     return x; | 
|---|
| 119 |   } | 
|---|
| 120 |  | 
|---|
| 121 |   static IntType mult_small(IntType a, IntType x) | 
|---|
| 122 |   { | 
|---|
| 123 |     return a*x % m; | 
|---|
| 124 |   } | 
|---|
| 125 |  | 
|---|
| 126 |   static IntType mult_schrage(IntType a, IntType value) | 
|---|
| 127 |   { | 
|---|
| 128 |     const IntType q = m / a; | 
|---|
| 129 |     const IntType r = m % a; | 
|---|
| 130 |  | 
|---|
| 131 |     assert(r < q);        // check that overflow cannot happen | 
|---|
| 132 |  | 
|---|
| 133 |     value = a*(value%q) - r*(value/q); | 
|---|
| 134 |     // An optimizer bug in the SGI MIPSpro 7.3.1.x compiler requires this | 
|---|
| 135 |     // convoluted formulation of the loop (Synge Todo) | 
|---|
| 136 |     for(;;) { | 
|---|
| 137 |       if (value > 0) | 
|---|
| 138 |         break; | 
|---|
| 139 |       value += m; | 
|---|
| 140 |     } | 
|---|
| 141 |     return value; | 
|---|
| 142 |   } | 
|---|
| 143 |  | 
|---|
| 144 |   // invert c in the finite field (mod m) (m must be prime) | 
|---|
| 145 |   static IntType invert_euclidian(IntType c) | 
|---|
| 146 |   { | 
|---|
| 147 |     // we are interested in the gcd factor for c, because this is our inverse | 
|---|
| 148 |     BOOST_STATIC_ASSERT(m > 0); | 
|---|
| 149 | #if BOOST_WORKAROUND(__MWERKS__, BOOST_TESTED_AT(0x3003)) | 
|---|
| 150 |     assert(boost::integer_traits<IntType>::is_signed); | 
|---|
| 151 | #elif !defined(BOOST_NO_LIMITS_COMPILE_TIME_CONSTANTS) | 
|---|
| 152 |     BOOST_STATIC_ASSERT(boost::integer_traits<IntType>::is_signed); | 
|---|
| 153 | #endif | 
|---|
| 154 |     assert(c > 0); | 
|---|
| 155 |     IntType l1 = 0; | 
|---|
| 156 |     IntType l2 = 1; | 
|---|
| 157 |     IntType n = c; | 
|---|
| 158 |     IntType p = m; | 
|---|
| 159 |     for(;;) { | 
|---|
| 160 |       IntType q = p / n; | 
|---|
| 161 |       l1 -= q * l2;           // this requires a signed IntType! | 
|---|
| 162 |       p -= q * n; | 
|---|
| 163 |       if(p == 0) | 
|---|
| 164 |         return (l2 < 1 ? l2 + m : l2); | 
|---|
| 165 |       IntType q2 = n / p; | 
|---|
| 166 |       l2 -= q2 * l1; | 
|---|
| 167 |       n -= q2 * p; | 
|---|
| 168 |       if(n == 0) | 
|---|
| 169 |         return (l1 < 1 ? l1 + m : l1); | 
|---|
| 170 |     } | 
|---|
| 171 |   } | 
|---|
| 172 | }; | 
|---|
| 173 |  | 
|---|
| 174 | // The modulus is exactly the word size: rely on machine overflow handling. | 
|---|
| 175 | // Due to a GCC bug, we cannot partially specialize in the presence of | 
|---|
| 176 | // template value parameters. | 
|---|
| 177 | template<> | 
|---|
| 178 | class const_mod<unsigned int, 0> | 
|---|
| 179 | { | 
|---|
| 180 |   typedef unsigned int IntType; | 
|---|
| 181 | public: | 
|---|
| 182 |   static IntType add(IntType x, IntType c) { return x+c; } | 
|---|
| 183 |   static IntType mult(IntType a, IntType x) { return a*x; } | 
|---|
| 184 |   static IntType mult_add(IntType a, IntType x, IntType c) { return a*x+c; } | 
|---|
| 185 |  | 
|---|
| 186 |   // m is not prime, thus invert is not useful | 
|---|
| 187 | private:                      // don't instantiate | 
|---|
| 188 |   const_mod(); | 
|---|
| 189 | }; | 
|---|
| 190 |  | 
|---|
| 191 | template<> | 
|---|
| 192 | class const_mod<unsigned long, 0> | 
|---|
| 193 | { | 
|---|
| 194 |   typedef unsigned long IntType; | 
|---|
| 195 | public: | 
|---|
| 196 |   static IntType add(IntType x, IntType c) { return x+c; } | 
|---|
| 197 |   static IntType mult(IntType a, IntType x) { return a*x; } | 
|---|
| 198 |   static IntType mult_add(IntType a, IntType x, IntType c) { return a*x+c; } | 
|---|
| 199 |  | 
|---|
| 200 |   // m is not prime, thus invert is not useful | 
|---|
| 201 | private:                      // don't instantiate | 
|---|
| 202 |   const_mod(); | 
|---|
| 203 | }; | 
|---|
| 204 |  | 
|---|
| 205 | // the modulus is some power of 2: rely partly on machine overflow handling | 
|---|
| 206 | // we only specialize for rand48 at the moment | 
|---|
| 207 | #ifndef BOOST_NO_INT64_T | 
|---|
| 208 | template<> | 
|---|
| 209 | class const_mod<uint64_t, uint64_t(1) << 48> | 
|---|
| 210 | { | 
|---|
| 211 |   typedef uint64_t IntType; | 
|---|
| 212 | public: | 
|---|
| 213 |   static IntType add(IntType x, IntType c) { return c == 0 ? x : mod(x+c); } | 
|---|
| 214 |   static IntType mult(IntType a, IntType x) { return mod(a*x); } | 
|---|
| 215 |   static IntType mult_add(IntType a, IntType x, IntType c) | 
|---|
| 216 |     { return mod(a*x+c); } | 
|---|
| 217 |   static IntType mod(IntType x) { return x &= ((uint64_t(1) << 48)-1); } | 
|---|
| 218 |  | 
|---|
| 219 |   // m is not prime, thus invert is not useful | 
|---|
| 220 | private:                      // don't instantiate | 
|---|
| 221 |   const_mod(); | 
|---|
| 222 | }; | 
|---|
| 223 | #endif /* !BOOST_NO_INT64_T */ | 
|---|
| 224 |  | 
|---|
| 225 | #else | 
|---|
| 226 |  | 
|---|
| 227 | // | 
|---|
| 228 | // for some reason Borland C++ Builder 6 has problems with | 
|---|
| 229 | // the full specialisations of const_mod, define a generic version | 
|---|
| 230 | // instead, the compiler will optimise away the const-if statements: | 
|---|
| 231 | // | 
|---|
| 232 |  | 
|---|
| 233 | template<class IntType, IntType m> | 
|---|
| 234 | class const_mod | 
|---|
| 235 | { | 
|---|
| 236 | public: | 
|---|
| 237 |   static IntType add(IntType x, IntType c) | 
|---|
| 238 |   { | 
|---|
| 239 |     if(0 == m) | 
|---|
| 240 |     { | 
|---|
| 241 |        return x+c; | 
|---|
| 242 |     } | 
|---|
| 243 |     else | 
|---|
| 244 |     { | 
|---|
| 245 |        if(c == 0) | 
|---|
| 246 |          return x; | 
|---|
| 247 |        else if(c <= traits::const_max - m)    // i.e. m+c < max | 
|---|
| 248 |          return add_small(x, c); | 
|---|
| 249 |        else | 
|---|
| 250 |          return detail::do_add<traits::is_signed>::add(m, x, c); | 
|---|
| 251 |     } | 
|---|
| 252 |   } | 
|---|
| 253 |  | 
|---|
| 254 |   static IntType mult(IntType a, IntType x) | 
|---|
| 255 |   { | 
|---|
| 256 |     if(x == 0) | 
|---|
| 257 |     { | 
|---|
| 258 |        return a*x; | 
|---|
| 259 |     } | 
|---|
| 260 |     else | 
|---|
| 261 |     { | 
|---|
| 262 |        if(a == 1) | 
|---|
| 263 |          return x; | 
|---|
| 264 |        else if(m <= traits::const_max/a)      // i.e. a*m <= max | 
|---|
| 265 |          return mult_small(a, x); | 
|---|
| 266 |        else if(traits::is_signed && (m%a < m/a)) | 
|---|
| 267 |          return mult_schrage(a, x); | 
|---|
| 268 |        else { | 
|---|
| 269 |          // difficult | 
|---|
| 270 |          assert(!"const_mod::mult with a too large"); | 
|---|
| 271 |          return 0; | 
|---|
| 272 |        } | 
|---|
| 273 |     } | 
|---|
| 274 |   } | 
|---|
| 275 |  | 
|---|
| 276 |   static IntType mult_add(IntType a, IntType x, IntType c) | 
|---|
| 277 |   { | 
|---|
| 278 |     if(m == 0) | 
|---|
| 279 |     { | 
|---|
| 280 |        return a*x+c; | 
|---|
| 281 |     } | 
|---|
| 282 |     else | 
|---|
| 283 |     { | 
|---|
| 284 |        if(m <= (traits::const_max-c)/a)   // i.e. a*m+c <= max | 
|---|
| 285 |          return (a*x+c) % m; | 
|---|
| 286 |        else | 
|---|
| 287 |          return add(mult(a, x), c); | 
|---|
| 288 |     } | 
|---|
| 289 |   } | 
|---|
| 290 |  | 
|---|
| 291 |   static IntType invert(IntType x) | 
|---|
| 292 |   { return x == 0 ? 0 : invert_euclidian(x); } | 
|---|
| 293 |  | 
|---|
| 294 | private: | 
|---|
| 295 |   typedef integer_traits<IntType> traits; | 
|---|
| 296 |  | 
|---|
| 297 |   const_mod();      // don't instantiate | 
|---|
| 298 |  | 
|---|
| 299 |   static IntType add_small(IntType x, IntType c) | 
|---|
| 300 |   { | 
|---|
| 301 |     x += c; | 
|---|
| 302 |     if(x >= m) | 
|---|
| 303 |       x -= m; | 
|---|
| 304 |     return x; | 
|---|
| 305 |   } | 
|---|
| 306 |  | 
|---|
| 307 |   static IntType mult_small(IntType a, IntType x) | 
|---|
| 308 |   { | 
|---|
| 309 |     return a*x % m; | 
|---|
| 310 |   } | 
|---|
| 311 |  | 
|---|
| 312 |   static IntType mult_schrage(IntType a, IntType value) | 
|---|
| 313 |   { | 
|---|
| 314 |     const IntType q = m / a; | 
|---|
| 315 |     const IntType r = m % a; | 
|---|
| 316 |  | 
|---|
| 317 |     assert(r < q);        // check that overflow cannot happen | 
|---|
| 318 |  | 
|---|
| 319 |     value = a*(value%q) - r*(value/q); | 
|---|
| 320 |     while(value <= 0) | 
|---|
| 321 |       value += m; | 
|---|
| 322 |     return value; | 
|---|
| 323 |   } | 
|---|
| 324 |  | 
|---|
| 325 |   // invert c in the finite field (mod m) (m must be prime) | 
|---|
| 326 |   static IntType invert_euclidian(IntType c) | 
|---|
| 327 |   { | 
|---|
| 328 |     // we are interested in the gcd factor for c, because this is our inverse | 
|---|
| 329 |     BOOST_STATIC_ASSERT(m > 0); | 
|---|
| 330 | #ifndef BOOST_NO_LIMITS_COMPILE_TIME_CONSTANTS | 
|---|
| 331 |     BOOST_STATIC_ASSERT(boost::integer_traits<IntType>::is_signed); | 
|---|
| 332 | #endif | 
|---|
| 333 |     assert(c > 0); | 
|---|
| 334 |     IntType l1 = 0; | 
|---|
| 335 |     IntType l2 = 1; | 
|---|
| 336 |     IntType n = c; | 
|---|
| 337 |     IntType p = m; | 
|---|
| 338 |     for(;;) { | 
|---|
| 339 |       IntType q = p / n; | 
|---|
| 340 |       l1 -= q * l2;           // this requires a signed IntType! | 
|---|
| 341 |       p -= q * n; | 
|---|
| 342 |       if(p == 0) | 
|---|
| 343 |         return (l2 < 1 ? l2 + m : l2); | 
|---|
| 344 |       IntType q2 = n / p; | 
|---|
| 345 |       l2 -= q2 * l1; | 
|---|
| 346 |       n -= q2 * p; | 
|---|
| 347 |       if(n == 0) | 
|---|
| 348 |         return (l1 < 1 ? l1 + m : l1); | 
|---|
| 349 |     } | 
|---|
| 350 |   } | 
|---|
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