Add multiple precision unsigned integer module
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b752acdff7
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965ca0088e
566
source/tanya/math/mp.d
Normal file
566
source/tanya/math/mp.d
Normal file
@ -0,0 +1,566 @@
|
||||
/* This Source Code Form is subject to the terms of the Mozilla Public
|
||||
* License, v. 2.0. If a copy of the MPL was not distributed with this
|
||||
* file, You can obtain one at http://mozilla.org/MPL/2.0/. */
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* Copyright: Eugene Wissner 2016.
|
||||
* License: $(LINK2 https://www.mozilla.org/en-US/MPL/2.0/,
|
||||
* Mozilla Public License, v. 2.0).
|
||||
* Authors: $(LINK2 mailto:belka@caraus.de, Eugene Wissner)
|
||||
*/
|
||||
module tanya.math.mp;
|
||||
|
||||
import std.algorithm.comparison;
|
||||
import std.algorithm.mutation;
|
||||
import std.algorithm.searching;
|
||||
|
||||
struct Integer
|
||||
{
|
||||
private ubyte[] rep;
|
||||
private bool sign;
|
||||
|
||||
this(in uint value)
|
||||
{
|
||||
opAssign(value);
|
||||
}
|
||||
|
||||
///
|
||||
unittest
|
||||
{
|
||||
auto h = Integer(79);
|
||||
assert(h.length == 1);
|
||||
assert(h.rep[0] == 79);
|
||||
}
|
||||
|
||||
this(in Integer value)
|
||||
{
|
||||
opAssign(value);
|
||||
}
|
||||
|
||||
~this()
|
||||
{
|
||||
destroy(rep);
|
||||
}
|
||||
|
||||
Integer opAssign(in uint value)
|
||||
{
|
||||
uint mask, shift;
|
||||
ushort size = 4;
|
||||
|
||||
// Figure out the minimum amount of space this value will take
|
||||
// up in bytes (leave at least one byte, though, if the value is 0).
|
||||
for (mask = 0xff000000; mask > 0x000000ff; mask >>= 8)
|
||||
{
|
||||
if (value & mask)
|
||||
{
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
--size;
|
||||
}
|
||||
rep.length = size;
|
||||
|
||||
// Work backward through the int, masking off each byte
|
||||
// (up to the first 0 byte) and copy it into the internal
|
||||
// representation in big-endian format.
|
||||
mask = 0x00000000ff;
|
||||
shift = 0;
|
||||
for (auto i = size; i; --i)
|
||||
{
|
||||
rep[i - 1] = cast(ubyte) ((value & mask) >> shift);
|
||||
mask <<= 8;
|
||||
shift += 8;
|
||||
}
|
||||
return this;
|
||||
}
|
||||
|
||||
Integer opAssign(in Integer value)
|
||||
{
|
||||
rep.length = value.length;
|
||||
value.rep.copy(rep);
|
||||
|
||||
return this;
|
||||
}
|
||||
|
||||
///
|
||||
unittest
|
||||
{
|
||||
auto h = Integer(1019);
|
||||
assert(h.length == 2);
|
||||
assert(h.rep[0] == 0b00000011 && h.rep[1] == 0b11111011);
|
||||
|
||||
h = 3337;
|
||||
assert(h.length == 2);
|
||||
assert(h.rep[0] == 0b00001101 && h.rep[1] == 0b00001001);
|
||||
|
||||
h = 688;
|
||||
assert(h.length == 2);
|
||||
assert(h.rep[0] == 0b00000010 && h.rep[1] == 0b10110000);
|
||||
|
||||
h = 0;
|
||||
assert(h.length == 1);
|
||||
assert(h.rep[0] == 0);
|
||||
}
|
||||
|
||||
@property size_t length() const pure nothrow @safe @nogc
|
||||
{
|
||||
return rep.length;
|
||||
}
|
||||
|
||||
bool opEquals(in Integer h)
|
||||
{
|
||||
return rep == h.rep;
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* Compare h1 to h2. Return:
|
||||
* a positive number if h1 > h2
|
||||
* a negative number if h1 < h2
|
||||
*/
|
||||
int opCmp(in Integer h)
|
||||
{
|
||||
if (length > h.length)
|
||||
{
|
||||
return 1;
|
||||
}
|
||||
if (length < h.length)
|
||||
{
|
||||
return -1;
|
||||
}
|
||||
|
||||
// Otherwise, keep searching through the representational integers
|
||||
// until one is bigger than another - once we've found one, it's
|
||||
// safe to stop, since the lower order bytes can't affect the
|
||||
// comparison
|
||||
int i = 0, j = 0;
|
||||
while (i < length && j < h.length)
|
||||
{
|
||||
if (rep[i] < h.rep[j])
|
||||
{
|
||||
return -1;
|
||||
}
|
||||
else if (rep[i] > h.rep[j])
|
||||
{
|
||||
return 1;
|
||||
}
|
||||
++i;
|
||||
++j;
|
||||
}
|
||||
// if we got all the way to the end without a comparison, the
|
||||
// two are equal
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
///
|
||||
unittest
|
||||
{
|
||||
auto h1 = Integer(1019);
|
||||
auto h2 = Integer(1019);
|
||||
assert(h1 == h2);
|
||||
|
||||
h2 = 3337;
|
||||
assert(h1 < h2);
|
||||
|
||||
h2 = 688;
|
||||
assert(h1 > h2);
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* Add two huges - overwrite h1 with the result.
|
||||
*/
|
||||
Integer opOpAssign(string op)(Integer h)
|
||||
if (op == "+")
|
||||
{
|
||||
uint sum;
|
||||
uint carry = 0;
|
||||
|
||||
// Adding h2 to h1. If h2 is > h1 to begin with, resize h1
|
||||
|
||||
if (h.length > length)
|
||||
{
|
||||
auto tmp = new ubyte[h.length];
|
||||
tmp[h.length - length ..$] = rep[0..length];
|
||||
destroy(rep);
|
||||
rep = tmp;
|
||||
}
|
||||
|
||||
auto i = length;
|
||||
auto j = h.length;
|
||||
|
||||
do
|
||||
{
|
||||
--i;
|
||||
if (j)
|
||||
{
|
||||
--j;
|
||||
sum = rep[i] + h.rep[j] + carry;
|
||||
}
|
||||
else
|
||||
{
|
||||
sum = rep[i] + carry;
|
||||
}
|
||||
carry = sum > 0xff;
|
||||
rep[i] = cast(ubyte) sum;
|
||||
}
|
||||
while (i);
|
||||
|
||||
if (carry)
|
||||
{
|
||||
// Still overflowed; allocate more space
|
||||
ubyte[] tmp = new ubyte[length + 1];
|
||||
tmp[1..$] = rep[0..length];
|
||||
tmp[0] = 0x01;
|
||||
destroy(rep);
|
||||
rep = tmp;
|
||||
}
|
||||
return this;
|
||||
}
|
||||
|
||||
///
|
||||
unittest
|
||||
{
|
||||
auto h1 = Integer(1019);
|
||||
|
||||
auto h2 = Integer(3337);
|
||||
h1 += h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x11, 0x04]);
|
||||
|
||||
h2 = 2_147_483_647;
|
||||
h1 += h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x80, 0x00, 0x11, 0x03]);
|
||||
|
||||
h1 += h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x01, 0x00, 0x00, 0x11, 0x02]);
|
||||
}
|
||||
|
||||
Integer opOpAssign(string op)(Integer h)
|
||||
if (op == "-")
|
||||
{
|
||||
auto i = rep.length;
|
||||
auto j = h.rep.length;
|
||||
uint borrow = 0;
|
||||
|
||||
do
|
||||
{
|
||||
int difference;
|
||||
--i;
|
||||
|
||||
if (j)
|
||||
{
|
||||
--j;
|
||||
difference = rep[i] - h.rep[j] - borrow;
|
||||
}
|
||||
else
|
||||
{
|
||||
difference = rep[i] - borrow;
|
||||
}
|
||||
borrow = difference < 0;
|
||||
rep[i] = cast(ubyte) difference;
|
||||
}
|
||||
while (i);
|
||||
|
||||
if (borrow && i)
|
||||
{
|
||||
if (!(rep[i - 1])) // Don't borrow i
|
||||
{
|
||||
throw new Exception("Error, subtraction result is negative\n");
|
||||
}
|
||||
--rep[i - 1];
|
||||
}
|
||||
// Go through the representation array and see how many of the
|
||||
// left-most bytes are unused. Remove them and resize the array.
|
||||
immutable offset = rep.countUntil!(a => a != 0);
|
||||
if (offset > 0)
|
||||
{
|
||||
ubyte[] tmp = rep;
|
||||
rep = new ubyte[rep.length - offset];
|
||||
tmp[offset..$].copy(rep);
|
||||
destroy(tmp);
|
||||
}
|
||||
return this;
|
||||
}
|
||||
|
||||
///
|
||||
unittest
|
||||
{
|
||||
auto h1 = Integer(4294967295);
|
||||
auto h2 = Integer(4294967295);
|
||||
h1 += h2;
|
||||
|
||||
h2 = 2147483647;
|
||||
h1 -= h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x01, 0x7f, 0xff, 0xff, 0xff]);
|
||||
|
||||
h2 = 4294967294;
|
||||
h1 -= h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x80, 0x00, 0x00, 0x01]);
|
||||
|
||||
}
|
||||
|
||||
Integer opOpAssign(string op)(in size_t n)
|
||||
if (op == "<<")
|
||||
{
|
||||
ubyte carry;
|
||||
auto i = rep.length;
|
||||
size_t j;
|
||||
immutable bit = n % 8;
|
||||
immutable delta = 8 - bit;
|
||||
|
||||
if (cast(ubyte) (rep[0] >> delta))
|
||||
{
|
||||
rep.length = rep.length + n / 8 + 1;
|
||||
j = i + 1;
|
||||
}
|
||||
else
|
||||
{
|
||||
rep.length = rep.length + n / 8;
|
||||
j = i;
|
||||
}
|
||||
do
|
||||
{
|
||||
--i;
|
||||
--j;
|
||||
immutable oldCarry = carry;
|
||||
carry = rep[i] >> delta;
|
||||
rep[j] = cast(ubyte) ((rep[i] << bit) | oldCarry);
|
||||
}
|
||||
while (i);
|
||||
if (carry)
|
||||
{
|
||||
rep[0] = carry;
|
||||
}
|
||||
return this;
|
||||
}
|
||||
|
||||
///
|
||||
unittest
|
||||
{
|
||||
auto h1 = Integer(4294967295);
|
||||
h1 <<= 1;
|
||||
assert(h1.rep == [0x01, 0xff, 0xff, 0xff, 0xfe]);
|
||||
}
|
||||
|
||||
Integer opOpAssign(string op)(in size_t n)
|
||||
if (op == ">>")
|
||||
{
|
||||
immutable step = n / 8;
|
||||
if (step >= rep.length)
|
||||
{
|
||||
rep.length = 1;
|
||||
rep[0] = 0;
|
||||
return this;
|
||||
}
|
||||
|
||||
size_t i, j;
|
||||
ubyte carry;
|
||||
immutable bit = n % 8;
|
||||
immutable delta = 8 - bit;
|
||||
|
||||
carry = cast(ubyte) (rep[0] << delta);
|
||||
rep[0] = (rep[0] >> bit);
|
||||
if (rep[0])
|
||||
{
|
||||
++j;
|
||||
}
|
||||
for (i = 1; i < rep.length; ++i)
|
||||
{
|
||||
immutable oldCarry = carry;
|
||||
carry = cast(ubyte) (rep[i] << delta);
|
||||
rep[j] = (rep[i] >> bit | oldCarry);
|
||||
++j;
|
||||
}
|
||||
rep.length = max(1, rep.length - n / 8 - (i == j ? 0 : 1));
|
||||
|
||||
return this;
|
||||
}
|
||||
|
||||
///
|
||||
unittest
|
||||
{
|
||||
auto h1 = Integer(4294967294);
|
||||
h1 >>= 10;
|
||||
assert(h1.rep == [0x3f, 0xff, 0xff]);
|
||||
|
||||
h1 = 27336704;
|
||||
h1 >>= 1;
|
||||
assert(h1.rep == [0xd0, 0x90, 0x00]);
|
||||
|
||||
h1 = 4294967294;
|
||||
h1 >>= 20;
|
||||
assert(h1.rep == [0x0f, 0xff]);
|
||||
|
||||
h1 >>= 0;
|
||||
assert(h1.rep == [0x0f, 0xff]);
|
||||
|
||||
h1 >>= 20;
|
||||
assert(h1.rep == [0x00]);
|
||||
|
||||
h1 >>= 2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x00]);
|
||||
|
||||
h1 = 1431655765;
|
||||
h1 >>= 16;
|
||||
assert(h1.rep == [0x55, 0x55]);
|
||||
|
||||
h1 >>= 16;
|
||||
assert(h1.rep == [0x00]);
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* Multiply h1 by h2, overwriting the value of h1.
|
||||
*/
|
||||
Integer opOpAssign(string op)(in Integer h)
|
||||
if (op == "*")
|
||||
{
|
||||
ubyte mask;
|
||||
auto i = h.rep.length;
|
||||
auto temp = Integer(this);
|
||||
|
||||
opAssign(0);
|
||||
|
||||
do
|
||||
{
|
||||
--i;
|
||||
for (mask = 0x01; mask; mask <<= 1)
|
||||
{
|
||||
if (mask & h.rep[i])
|
||||
{
|
||||
opOpAssign!"+"(temp);
|
||||
}
|
||||
temp <<= 1;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
while (i);
|
||||
|
||||
return this;
|
||||
}
|
||||
|
||||
///
|
||||
unittest
|
||||
{
|
||||
auto h1 = Integer(123);
|
||||
auto h2 = Integer(456);
|
||||
h1 *= h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0xdb, 0x18]); // 56088
|
||||
}
|
||||
|
||||
/**
|
||||
* divident = numerator, divisor = denominator
|
||||
*
|
||||
* Note that this process destroys divisor (and, of couse,
|
||||
* overwrites quotient). The divident is the remainder of the
|
||||
* division (if that's important to the caller). The divisor will
|
||||
* be modified by this routine, but it will end up back where it
|
||||
* "started".
|
||||
*/
|
||||
Integer opOpAssign(string op)(in Integer h)
|
||||
if ((op == "/") || (op == "%"))
|
||||
{
|
||||
auto divisor = Integer(h);
|
||||
// "bit_position" keeps track of which bit, of the quotient,
|
||||
// is being set or cleared on the current operation.
|
||||
size_t bit_size;
|
||||
|
||||
// First, left-shift divisor until it's >= than the divident
|
||||
while (opCmp(divisor) > 0)
|
||||
{
|
||||
divisor <<= 1;
|
||||
++bit_size;
|
||||
}
|
||||
static if (op == "/")
|
||||
{
|
||||
auto quotient = new ubyte[bit_size / 8 + 1];
|
||||
}
|
||||
|
||||
auto bit_position = 8 - (bit_size % 8) - 1;
|
||||
|
||||
do
|
||||
{
|
||||
if (opCmp(divisor) >= 0)
|
||||
{
|
||||
opOpAssign!"-"(divisor);
|
||||
static if (op == "/")
|
||||
{
|
||||
quotient[bit_position / 8] |= (0x80 >> (bit_position % 8));
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (bit_size)
|
||||
{
|
||||
divisor >>= 1;
|
||||
}
|
||||
++bit_position;
|
||||
}
|
||||
while (bit_size--);
|
||||
|
||||
static if (op == "/")
|
||||
{
|
||||
destroy(rep);
|
||||
rep = quotient;
|
||||
}
|
||||
return this;
|
||||
}
|
||||
|
||||
///
|
||||
unittest
|
||||
{
|
||||
auto h1 = Integer(18);
|
||||
auto h2 = Integer(4);
|
||||
h1 %= h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x02]);
|
||||
|
||||
h1 = 8;
|
||||
h1 %= h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x00]);
|
||||
|
||||
h1 = 7;
|
||||
h1 %= h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x03]);
|
||||
|
||||
h1 = 56088;
|
||||
h2 = 456;
|
||||
h1 /= h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x7b]); // 123
|
||||
}
|
||||
|
||||
Integer opOpAssign(string op)(in Integer exp)
|
||||
if (op == "^^")
|
||||
{
|
||||
auto i = exp.rep.length;
|
||||
auto tmp1 = Integer(this);
|
||||
Integer tmp2;
|
||||
|
||||
opAssign(1);
|
||||
|
||||
do
|
||||
{
|
||||
--i;
|
||||
for (ubyte mask = 0x01; mask; mask <<= 1)
|
||||
{
|
||||
if (exp.rep[i] & mask)
|
||||
{
|
||||
opOpAssign!"*"(tmp1);
|
||||
}
|
||||
// Square tmp1
|
||||
tmp2 = tmp1;
|
||||
tmp1 *= tmp2;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
while (i);
|
||||
|
||||
return this;
|
||||
}
|
||||
|
||||
///
|
||||
unittest
|
||||
{
|
||||
auto h1 = Integer(2);
|
||||
auto h2 = Integer(4);
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||||
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||||
h1 ^^= h2;
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||||
assert(h1.rep == [0x10]);
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||||
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||||
h1 = Integer(2342);
|
||||
h1 ^^= h2;
|
||||
assert(h1.rep == [0x1b, 0x5c, 0xab, 0x9c, 0x31, 0x10]);
|
||||
}
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||||
}
|
@ -10,6 +10,8 @@
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||||
*/
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||||
module tanya.math;
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||||
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||||
public import tanya.math.mp;
|
||||
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||||
version (unittest)
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||||
{
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||||
import std.algorithm.iteration;
|
||||
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