*include stdio.h in a couple files for MinGW GCC 4.4.0
[supertux.git] / src / random_generator.cpp
1 // $Id$
2 //
3 // A strong random number generator
4 //
5 // Copyright (C) 2006 Allen King
6 // Copyright (C) 2002 Michael Ringgaard. All rights reserved.
7 // Copyright (C) 1983, 1993 The Regents of the University of California.
8 //
9 // Redistribution and use in source and binary forms, with or without
10 // modification, are permitted provided that the following conditions
11 // are met:
12 //
13 // 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
14 //    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
15 // 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
16 //    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
17 //    documentation and/or other materials provided with the distribution.
18 // 3. Neither the name of the project nor the names of its contributors
19 //    may be used to endorse or promote products derived from this software
20 //    without specific prior written permission.
21 //
22 // THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS "AS IS" AND
23 // ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
24 // IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
25 // ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
26 // FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
27 // DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
28 // OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
29 // HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
30 // LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
31 // OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
32 // SUCH DAMAGE.
33
34 // Transliterated into C++ Allen King 060417, from sources on
35 //          http://www.jbox.dk/sanos/source/lib/random.c.html
36 #include <config.h>
37
38
39 #include <stdexcept>
40 #include <stdio.h>
41 #include <time.h>
42 #include <cassert>
43 #include "random_generator.hpp"
44
45 RandomGenerator systemRandom;               // global random number generator
46
47 RandomGenerator::RandomGenerator() {
48     assert(sizeof(int) >= 4);
49     initialized = 0;
50     debug = 0;                              // change this by hand for debug
51     initialize();
52 }
53
54 RandomGenerator::~RandomGenerator() {
55 }
56
57 int RandomGenerator::srand(int x)    {
58     int x0 = x;
59     while (x <= 0)                          // random seed of zero means
60         x = time(0) % RandomGenerator::rand_max; // randomize with time
61
62     if (debug > 0)
63         printf("==== srand(%10d) (%10d) rand_max=%x =====\n",
64                x, x0, RandomGenerator::rand_max);
65
66     RandomGenerator::srandom(x);
67     return x;                               // let caller know seed used
68 }
69
70 int RandomGenerator::rand() {
71     int rv;                                  // a positive int
72     while ((rv = RandomGenerator::random()) <= 0) // neg or zero causes probs
73         ;
74     if (debug > 0)
75         printf("==== rand(): %10d =====\n", rv);
76     return rv;
77 }
78
79 int RandomGenerator::rand(int v) {
80     assert(v >= 0 && v <= RandomGenerator::rand_max); // illegal arg
81
82      // remove biases, esp. when v is large (e.g. v == (rand_max/4)*3;)
83     int rv, maxV =(RandomGenerator::rand_max / v) * v;
84     assert(maxV <= RandomGenerator::rand_max);
85     while ((rv = RandomGenerator::random()) >= maxV)
86         ;
87     return rv % v;                          // mod it down to 0..(maxV-1)
88 }
89
90 int RandomGenerator::rand(int u, int v) {
91     assert(v > u);
92     return u + RandomGenerator::rand(v-u);
93 }
94
95 double RandomGenerator::randf(double v) {
96     float rv;
97     do {
98         rv = ((double)RandomGenerator::random())/RandomGenerator::rand_max * v;
99     } while (rv >= v);                      // rounding might cause rv==v
100
101     if (debug > 0)
102         printf("==== rand(): %f =====\n", rv);
103     return rv;
104 }
105
106 double RandomGenerator::randf(double u, double v) {
107     return u + RandomGenerator::randf(v-u);
108 }
109
110 //-----------------------------------------------------------------------
111 //
112 // Copyright (C) 2002 Michael Ringgaard. All rights reserved.
113 // Copyright (C) 1983, 1993 The Regents of the University of California.
114 //
115 // Redistribution and use in source and binary forms, with or without
116 // modification, are permitted provided that the following conditions
117 // are met:
118 //
119 // 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
120 //    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
121 // 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
122 //    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
123 //    documentation and/or other materials provided with the distribution.
124 // 3. Neither the name of the project nor the names of its contributors
125 //    may be used to endorse or promote products derived from this software
126 //    without specific prior written permission.
127 //
128 // THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS "AS IS" AND
129 // ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
130 // IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
131 // ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
132 // FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
133 // DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
134 // OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
135 // HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
136 // LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
137 // OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
138 // SUCH DAMAGE.
139 //
140
141 //**#include <os.h>
142
143 //
144 // An improved random number generation package.  In addition to the standard
145 // rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
146 // interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
147 // bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
148 // then initialized to contain information for random number generation with
149 // that much state information.  Good sizes for the amount of state
150 // information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
151 // calling the setstate() routine with the same array as was initialized
152 // with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
153 // information and generates far better random numbers than a linear
154 // congruential generator.  If the amount of state information is less than
155 // 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
156 //
157 // Internally, the state information is treated as an array of longs; the
158 // zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
159 // integer); the remainder of the array is the state information for the
160 // R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 longs worth of
161 // state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
162 // the zeroeth word of state information also has some other information
163 // stored in it -- see setstate() for details).
164 //
165 // The random number generation technique is a linear feedback shift register
166 // approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
167 // way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
168 // the state table will act as a linear feedback shift register, and will
169 // have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
170 // used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
171 // higher order bits will have longer periods, since their values are also
172 // influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
173 // period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
174 // the amount of state information has a vast influence on the period of the
175 // generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
176 // large deg, when the period of the shift is the dominant factor.
177 // With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
178 // 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
179 //
180 // Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
181 //
182
183 //
184 // For each of the currently supported random number generators, we have a
185 // break value on the amount of state information (you need at least this
186 // many bytes of state info to support this random number generator), a degree
187 // for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
188 // the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
189
190 void RandomGenerator::initialize() {
191
192 #define NSHUFF 100      // To drop part of seed -> 1st value correlation
193
194 //static long degrees[MAX_TYPES] = { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
195 //static long seps [MAX_TYPES] = { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
196
197     degrees[0] = DEG_0;
198     degrees[1] = DEG_1;
199     degrees[2] = DEG_2;
200     degrees[3] = DEG_3;
201     degrees[4] = DEG_4;
202
203     seps [0] = SEP_0;
204     seps [1] = SEP_1;
205     seps [2] = SEP_2;
206     seps [3] = SEP_3;
207     seps [4] = SEP_4;
208
209 //
210 // Initially, everything is set up as if from:
211 //
212 //  initstate(1, randtbl, 128);
213 //
214 // Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
215 // advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
216 // rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
217 // element of the state information, which contains info about the current
218 // position of the rear pointer is just
219 //
220 //  MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
221
222     randtbl[ 0] =  TYPE_3;
223     randtbl[ 1] =  0x991539b1;
224     randtbl[ 2] =  0x16a5bce3;
225     randtbl[ 3] =  0x6774a4cd;
226     randtbl[ 4] =  0x3e01511e;
227     randtbl[ 5] =  0x4e508aaa;
228     randtbl[ 6] =  0x61048c05;
229     randtbl[ 7] =  0xf5500617;
230     randtbl[ 8] =  0x846b7115;
231     randtbl[ 9] =  0x6a19892c;
232     randtbl[10] =  0x896a97af;
233     randtbl[11] =  0xdb48f936;
234     randtbl[12] =  0x14898454;
235     randtbl[13] =  0x37ffd106;
236     randtbl[14] =  0xb58bff9c;
237     randtbl[15] =  0x59e17104;
238     randtbl[16] =  0xcf918a49;
239     randtbl[17] =  0x09378c83;
240     randtbl[18] =  0x52c7a471;
241     randtbl[19] =  0x8d293ea9;
242     randtbl[20] =  0x1f4fc301;
243     randtbl[21] =  0xc3db71be;
244     randtbl[22] =  0x39b44e1c;
245     randtbl[23] =  0xf8a44ef9;
246     randtbl[24] =  0x4c8b80b1;
247     randtbl[25] =  0x19edc328;
248     randtbl[26] =  0x87bf4bdd;
249     randtbl[27] =  0xc9b240e5;
250     randtbl[28] =  0xe9ee4b1b;
251     randtbl[29] =  0x4382aee7;
252     randtbl[30] =  0x535b6b41;
253     randtbl[31] =  0xf3bec5da;
254
255 // static long randtbl[DEG_3 + 1] =
256 // {
257 //   TYPE_3;
258 //   0x991539b1, 0x16a5bce3, 0x6774a4cd, 0x3e01511e, 0x4e508aaa, 0x61048c05,
259 //   0xf5500617, 0x846b7115, 0x6a19892c, 0x896a97af, 0xdb48f936, 0x14898454,
260 //   0x37ffd106, 0xb58bff9c, 0x59e17104, 0xcf918a49, 0x09378c83, 0x52c7a471,
261 //   0x8d293ea9, 0x1f4fc301, 0xc3db71be, 0x39b44e1c, 0xf8a44ef9, 0x4c8b80b1,
262 //   0x19edc328, 0x87bf4bdd, 0xc9b240e5, 0xe9ee4b1b, 0x4382aee7, 0x535b6b41,
263 //   0xf3bec5da
264 // };
265
266
267 //
268 // fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
269 // pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
270 // cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
271 // could get away with just one pointer, but the code for random() is more
272 // efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
273 // from the call
274 //
275 //  initstate(1, randtbl, 128);
276 //
277 // (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
278 // in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
279 // to point to randtbl[1] (as explained below).
280 //
281
282     fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
283     rptr = &randtbl[1];
284
285 //
286 // The following things are the pointer to the state information table, the
287 // type of the current generator, the degree of the current polynomial being
288 // used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
289 // of random(), we remember the first location of the state information, not
290 // the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
291 // store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
292 // this is more efficient than indexing every time to find the address of
293 // the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
294 //
295
296     state = &randtbl[1];
297     rand_type = TYPE_3;
298     rand_deg = DEG_3;
299     rand_sep = SEP_3;
300     end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
301
302 }
303
304 //
305 // Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
306 // without overflowing 31 bits:
307 //      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
308 // From "Random number generators: good ones are hard to find",
309 // Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
310 // October 1988, p. 1195.
311 //
312
313 __inline static long good_rand(long x)
314 {
315   long hi, lo;
316
317   // Can't be initialized with 0, so use another value.
318   if (x == 0) x = 123459876;
319   hi = x / 127773;
320   lo = x % 127773;
321   x = 16807 * lo - 2836 * hi;
322   if (x < 0) x += 0x7fffffff;
323   return x;
324 }
325
326 //
327 // srandom
328 //
329 // Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
330 // type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
331 // Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
332 // congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
333 // that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
334 // information a given number of times to get rid of any initial dependencies
335 // introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
336 // for default usage relies on values produced by this routine.
337
338 void RandomGenerator::srandom(unsigned long x)
339 {
340   long i, lim;
341
342   state[0] = x;
343   if (rand_type == TYPE_0)
344     lim = NSHUFF;
345   else
346   {
347     for (i = 1; i < rand_deg; i++) state[i] = good_rand(state[i - 1]);
348     fptr = &state[rand_sep];
349     rptr = &state[0];
350     lim = 10 * rand_deg;
351   }
352
353   initialized = 1;
354   for (i = 0; i < lim; i++) random();
355 }
356
357 #ifdef NOT_FOR_SUPERTUX     // use in supertux doesn't require these methods,
358                             // which are not portable to as many platforms as
359                             // SDL.  The cost is that the variability of the
360                             // initial seed is reduced to only 32 bits of
361                             // randomness, seemingly enough. PAK 060420
362 //
363 // srandomdev
364 //
365 // Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
366 // This often causes problems.  We seed the generator using the much more
367 // secure random() interface.  Note that this particular seeding
368 // procedure can generate states which are impossible to reproduce by
369 // calling srandom() with any value, since the succeeding terms in the
370 // state buffer are no longer derived from the LC algorithm applied to
371 // a fixed seed.
372
373 void RandomGenerator::srandomdev()
374 {
375   int fd, done;
376   size_t len;
377
378   if (rand_type == TYPE_0)
379     len = sizeof state[0];
380   else
381     len = rand_deg * sizeof state[0];
382
383   done = 0;
384   fd = open("/dev/urandom", O_RDONLY);
385   if (fd >= 0)
386    {
387      if (read(fd, state, len) == len) done = 1;
388      close(fd);
389    }
390
391   if (!done)
392   {
393     struct timeval tv;
394
395     gettimeofday(&tv, NULL);
396     srandom(tv.tv_sec ^ tv.tv_usec);
397     return;
398   }
399
400   if (rand_type != TYPE_0)
401   {
402     fptr = &state[rand_sep];
403     rptr = &state[0];
404   }
405   initialized = 1;
406 }
407
408 //
409 // initstate
410 //
411 // Initialize the state information in the given array of n bytes for future
412 // random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
413 // the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
414 // one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
415 // initialize the state information.
416 //
417 // Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
418 // multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
419 // successive calls to initstate() won't lose this information and will be
420 // able to restart with setstate().
421 //
422 // Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
423 // setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
424 //
425 // Returns a pointer to the old state.
426 //
427
428 char * RandomGenerator::initstate(unsigned long seed, char *arg_state, long n)
429 {
430   char *ostate = (char *) (&state[-1]);
431   long *long_arg_state = (long *) arg_state;
432
433   if (rand_type == TYPE_0)
434     state[-1] = rand_type;
435   else
436     state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
437
438   if (n < BREAK_0) return NULL;
439
440   if (n < BREAK_1)
441   {
442     rand_type = TYPE_0;
443     rand_deg = DEG_0;
444     rand_sep = SEP_0;
445   }
446   else if (n < BREAK_2)
447   {
448     rand_type = TYPE_1;
449     rand_deg = DEG_1;
450     rand_sep = SEP_1;
451   }
452   else if (n < BREAK_3)
453   {
454     rand_type = TYPE_2;
455     rand_deg = DEG_2;
456     rand_sep = SEP_2;
457   }
458   else if (n < BREAK_4)
459   {
460     rand_type = TYPE_3;
461     rand_deg = DEG_3;
462     rand_sep = SEP_3;
463   }
464   else
465   {
466     rand_type = TYPE_4;
467     rand_deg = DEG_4;
468     rand_sep = SEP_4;
469   }
470
471   state = (long *) (long_arg_state + 1); // First location
472   end_ptr = &state[rand_deg]; // Must set end_ptr before srandom
473   srandom(seed);
474
475   if (rand_type == TYPE_0)
476     long_arg_state[0] = rand_type;
477   else
478     long_arg_state[0] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
479
480   initialized = 1;
481   return ostate;
482 }
483
484 //
485 // setstate
486 //
487 // Restore the state from the given state array.
488 //
489 // Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
490 // in the current state information, and restore the locations of the pointers
491 // from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
492 // location into the zeroeth word of the state information.
493 //
494 // Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
495 // setstate() with the same state as the current state.
496 //
497 // Returns a pointer to the old state information.
498 //
499
500 char * RandomGenerator::setstate(char *arg_state)
501 {
502   long *new_state = (long *) arg_state;
503   long type = new_state[0] % MAX_TYPES;
504   long rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
505   char *ostate = (char *) (&state[-1]);
506
507   if (rand_type == TYPE_0)
508     state[-1] = rand_type;
509   else
510     state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
511
512   switch(type)
513   {
514     case TYPE_0:
515     case TYPE_1:
516     case TYPE_2:
517     case TYPE_3:
518     case TYPE_4:
519       rand_type = type;
520       rand_deg = degrees[type];
521       rand_sep = seps[type];
522       break;
523   }
524
525   state = (long *) (new_state + 1);
526   if (rand_type != TYPE_0)
527   {
528     rptr = &state[rear];
529     fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
530   }
531   end_ptr = &state[rand_deg];   // Set end_ptr too
532
533   initialized = 1;
534   return ostate;
535 }
536 #endif //NOT_FOR_SUPERTUX
537 //
538 // random:
539 //
540 // If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
541 // congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
542 // the same in all the other cases due to all the global variables that have
543 // been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
544 // into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
545 // the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
546 // generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
547 //
548 // Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
549 // rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
550 // pointer if the front one has wrapped.
551 //
552 // Returns a 31-bit random number.
553 //
554
555 long RandomGenerator::random()
556 {
557   long i;
558   long *f, *r;
559   if (!initialized) {
560       throw std::runtime_error("uninitialized RandomGenerator object");
561   }
562
563   if (rand_type == TYPE_0)
564   {
565     i = state[0];
566     state[0] = i = (good_rand(i)) & 0x7fffffff;
567   }
568   else
569   {
570     f = fptr; r = rptr;
571     *f += *r;
572     i = (*f >> 1) & 0x7fffffff; // Chucking least random bit
573     if (++f >= end_ptr)
574     {
575       f = state;
576       ++r;
577     }
578     else if (++r >= end_ptr)
579       r = state;
580
581     fptr = f; rptr = r;
582   }
583
584   return i;
585 }