Add the DragonFly cvs id and perform general cleanups on cvs/rcs/sccs ids. Most
[dragonfly.git] / contrib / ntp / libntp / random.c
1 /*
2  * Copyright (c) 1983, 1993
3  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
4  *
5  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6  * modification, are permitted provided that the following conditions
7  * are met:
8  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
9  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
10  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
11  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
12  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
13  * 3. All advertising materials mentioning features or use of this software
14  *    must display the following acknowledgement:
15  *      This product includes software developed by the University of
16  *      California, Berkeley and its contributors.
17  * 4. Neither the name of the University nor the names of its contributors
18  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
19  *    without specific prior written permission.
20  *
21  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
22  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
23  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
24  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
25  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
26  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
27  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
28  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
29  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
30  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
31  * SUCH DAMAGE.
32  *
33  * $FreeBSD: src/contrib/ntp/libntp/random.c,v 1.1.1.1.2.1 2001/12/21 17:39:09 roberto Exp $
34  * $DragonFly: src/contrib/ntp/libntp/Attic/random.c,v 1.2 2003/06/17 04:24:04 dillon Exp $
35  *
36  */
37
38 #if defined(LIBC_SCCS) && !defined(lint)
39 static char sccsid[] = "@(#)random.c    8.2 (Berkeley) 5/19/95";
40 #endif /* LIBC_SCCS and not lint */
41
42 #include "config.h"
43 #ifdef HAVE_SYS_TYPES_H
44 # include <sys/types.h>
45 #endif
46 #ifdef HAVE_UNISTD_H
47 # include <unistd.h>
48 #endif
49 #include <stdio.h>
50
51 #include <ntp_types.h>
52
53 /*
54  * random.c:
55  *
56  * An improved random number generation package.  In addition to the standard
57  * rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
58  * interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
59  * bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
60  * then initialized to contain information for random number generation with
61  * that much state information.  Good sizes for the amount of state
62  * information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
63  * calling the setstate() routine with the same array as was initiallized
64  * with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
65  * information and generates far better random numbers than a linear
66  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
67  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
68  *
69  * Internally, the state information is treated as an array of longs; the
70  * zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
71  * integer); the remainder of the array is the state information for the
72  * R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 longs worth of
73  * state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
74  * the zeroeth word of state information also has some other information
75  * stored in it -- see setstate() for details).
76  *
77  * The random number generation technique is a linear feedback shift register
78  * approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
79  * way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
80  * the state table will act as a linear feedback shift register, and will
81  * have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
82  * used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
83  * higher order bits will have longer periods, since their values are also
84  * influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
85  * period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
86  * the amount of state information has a vast influence on the period of the
87  * generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
88  * large deg, when the period of the shift register is the dominant factor.
89  * With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
90  * 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
91  *
92  * Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
93  * The following changes have been made:
94  * All references to the type u_int have been changed to unsigned long.
95  * All references to type int have been changed to type long.  Other
96  * cleanups have been made as well.  A warning for both initstate and
97  * setstate has been inserted to the effect that on Sparc platforms
98  * the 'arg_state' variable must be forced to begin on word boundaries.
99  * This can be easily done by casting a long integer array to char *.
100  * The overall logic has been left STRICTLY alone.  This software was
101  * tested on both a VAX and Sun SpacsStation with exactly the same
102  * results.  The new version and the original give IDENTICAL results.
103  * The new version is somewhat faster than the original.  As the
104  * documentation says:  "By default, the package runs with 128 bytes of
105  * state information and generates far better random numbers than a linear
106  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
107  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used."  For a buffer of
108  * 128 bytes, this new version runs about 19 percent faster and for a 16
109  * byte buffer it is about 5 percent faster.
110  */
111
112 /*
113  * For each of the currently supported random number generators, we have a
114  * break value on the amount of state information (you need at least this
115  * many bytes of state info to support this random number generator), a degree
116  * for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
117  * the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
118  */
119 #define TYPE_0          0               /* linear congruential */
120 #define BREAK_0         8
121 #define DEG_0           0
122 #define SEP_0           0
123
124 #define TYPE_1          1               /* x**7 + x**3 + 1 */
125 #define BREAK_1         32
126 #define DEG_1           7
127 #define SEP_1           3
128
129 #define TYPE_2          2               /* x**15 + x + 1 */
130 #define BREAK_2         64
131 #define DEG_2           15
132 #define SEP_2           1
133
134 #define TYPE_3          3               /* x**31 + x**3 + 1 */
135 #define BREAK_3         128
136 #define DEG_3           31
137 #define SEP_3           3
138
139 #define TYPE_4          4               /* x**63 + x + 1 */
140 #define BREAK_4         256
141 #define DEG_4           63
142 #define SEP_4           1
143
144 /*
145  * Array versions of the above information to make code run faster --
146  * relies on fact that TYPE_i == i.
147  */
148 #define MAX_TYPES       5               /* max number of types above */
149
150 static long degrees[MAX_TYPES] =        { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
151 static long seps [MAX_TYPES] =  { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
152
153 /*
154  * Initially, everything is set up as if from:
155  *
156  *      initstate(1, randtbl, 128);
157  *
158  * Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
159  * advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
160  * rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
161  * element of the state information, which contains info about the current
162  * position of the rear pointer is just
163  *
164  *      MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
165  */
166
167 static long randtbl[DEG_3 + 1] = {
168         TYPE_3,
169 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
170 /* Historic implementation compatibility */
171 /* The random sequences do not vary much with the seed */
172         0x9a319039, 0x32d9c024, 0x9b663182, 0x5da1f342, 0xde3b81e0, 0xdf0a6fb5,
173         0xf103bc02, 0x48f340fb, 0x7449e56b, 0xbeb1dbb0, 0xab5c5918, 0x946554fd,
174         0x8c2e680f, 0xeb3d799f, 0xb11ee0b7, 0x2d436b86, 0xda672e2a, 0x1588ca88,
175         0xe369735d, 0x904f35f7, 0xd7158fd6, 0x6fa6f051, 0x616e6b96, 0xac94efdc,
176         0x36413f93, 0xc622c298, 0xf5a42ab8, 0x8a88d77b, 0xf5ad9d0e, 0x8999220b,
177         0x27fb47b9,
178 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
179         0x991539b1, 0x16a5bce3, 0x6774a4cd, 0x3e01511e, 0x4e508aaa, 0x61048c05,
180         0xf5500617, 0x846b7115, 0x6a19892c, 0x896a97af, 0xdb48f936, 0x14898454,
181         0x37ffd106, 0xb58bff9c, 0x59e17104, 0xcf918a49, 0x09378c83, 0x52c7a471,
182         0x8d293ea9, 0x1f4fc301, 0xc3db71be, 0x39b44e1c, 0xf8a44ef9, 0x4c8b80b1,
183         0x19edc328, 0x87bf4bdd, 0xc9b240e5, 0xe9ee4b1b, 0x4382aee7, 0x535b6b41,
184         0xf3bec5da
185 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
186 };
187
188 /*
189  * fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
190  * pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
191  * cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
192  * could get away with just one pointer, but the code for random() is more
193  * efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
194  * from the call
195  *
196  *      initstate(1, randtbl, 128);
197  *
198  * (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
199  * in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
200  * to point to randtbl[1] (as explained below).
201  */
202 static long *fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
203 static long *rptr = &randtbl[1];
204
205 /*
206  * The following things are the pointer to the state information table, the
207  * type of the current generator, the degree of the current polynomial being
208  * used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
209  * of random(), we remember the first location of the state information, not
210  * the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
211  * store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
212  * this is more efficient than indexing every time to find the address of
213  * the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
214  */
215 static long *state = &randtbl[1];
216 static long rand_type = TYPE_3;
217 static long rand_deg = DEG_3;
218 static long rand_sep = SEP_3;
219 static long *end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
220
221 static inline long good_rand P((long));
222 long random P((void));
223
224 static inline long
225 good_rand (
226         register long x
227         )
228 {
229 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
230 /*
231  * Historic implementation compatibility.
232  * The random sequences do not vary much with the seed,
233  * even with overflowing.
234  */
235         return (1103515245 * x + 12345);
236 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
237 /*
238  * Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
239  * wihout overflowing 31 bits:
240  *      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
241  * From "Random number generators: good ones are hard to find",
242  * Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
243  * October 1988, p. 1195.
244  */
245         register long hi, lo;
246
247         hi = x / 127773;
248         lo = x % 127773;
249         x = 16807 * lo - 2836 * hi;
250         if (x <= 0)
251                 x += 0x7fffffff;
252         return (x);
253 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
254 }
255
256 /*
257  * srandom:
258  *
259  * Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
260  * type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
261  * Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
262  * congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
263  * that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
264  * information a given number of times to get rid of any initial dependencies
265  * introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
266  * for default usage relies on values produced by this routine.
267  */
268 void
269 srandom(
270         unsigned long x
271         )
272 {
273         register long i;
274
275         if (rand_type == TYPE_0)
276                 state[0] = x;
277         else {
278                 state[0] = x;
279                 for (i = 1; i < rand_deg; i++)
280                         state[i] = good_rand(state[i - 1]);
281                 fptr = &state[rand_sep];
282                 rptr = &state[0];
283                 for (i = 0; i < 10 * rand_deg; i++)
284                         (void)random();
285         }
286 }
287
288 /*
289  * srandomdev:
290  *
291  * Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
292  * This often causes problems.  We seed the generator using the much more
293  * secure urandom(4) interface.  Note that this particular seeding
294  * procedure can generate states which are impossible to reproduce by
295  * calling srandom() with any value, since the succeeding terms in the
296  * state buffer are no longer derived from the LC algorithm applied to
297  * a fixed seed.
298  */
299 void
300 srandomdev( void )
301 {
302         struct timeval tv;
303         unsigned long junk;     /* Purposely used uninitialized */
304
305         gettimeofday(&tv, NULL);
306         srandom(getpid() ^ tv.tv_sec ^ tv.tv_usec ^ junk);
307         return;
308 }
309
310 /*
311  * initstate:
312  *
313  * Initialize the state information in the given array of n bytes for future
314  * random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
315  * the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
316  * one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
317  * initialize the state information.
318  *
319  * Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
320  * multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
321  * successive calls to initstate() won't lose this information and will be
322  * able to restart with setstate().
323  *
324  * Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
325  * setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
326  *
327  * Returns a pointer to the old state.
328  *
329  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on a long
330  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
331  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
332  */
333 char *
334 initstate(
335         unsigned long seed,             /* seed for R.N.G. */
336         char *arg_state,                /* pointer to state array */
337         long n                          /* # bytes of state info */
338         )
339 {
340         register char *ostate = (char *)(&state[-1]);
341         register long *long_arg_state = (long *) arg_state;
342
343         if (rand_type == TYPE_0)
344                 state[-1] = rand_type;
345         else
346                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
347         if (n < BREAK_0) {
348                 (void)fprintf(stderr,
349                     "random: not enough state (%ld bytes); ignored.\n", n);
350                 return(0);
351         }
352         if (n < BREAK_1) {
353                 rand_type = TYPE_0;
354                 rand_deg = DEG_0;
355                 rand_sep = SEP_0;
356         } else if (n < BREAK_2) {
357                 rand_type = TYPE_1;
358                 rand_deg = DEG_1;
359                 rand_sep = SEP_1;
360         } else if (n < BREAK_3) {
361                 rand_type = TYPE_2;
362                 rand_deg = DEG_2;
363                 rand_sep = SEP_2;
364         } else if (n < BREAK_4) {
365                 rand_type = TYPE_3;
366                 rand_deg = DEG_3;
367                 rand_sep = SEP_3;
368         } else {
369                 rand_type = TYPE_4;
370                 rand_deg = DEG_4;
371                 rand_sep = SEP_4;
372         }
373         state = (long *) (long_arg_state + 1); /* first location */
374         end_ptr = &state[rand_deg];     /* must set end_ptr before srandom */
375         srandom(seed);
376         if (rand_type == TYPE_0)
377                 long_arg_state[0] = rand_type;
378         else
379                 long_arg_state[0] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
380         return(ostate);
381 }
382
383 /*
384  * setstate:
385  *
386  * Restore the state from the given state array.
387  *
388  * Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
389  * in the current state information, and restore the locations of the pointers
390  * from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
391  * location into the zeroeth word of the state information.
392  *
393  * Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
394  * setstate() with the same state as the current state.
395  *
396  * Returns a pointer to the old state information.
397  *
398  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on a long
399  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
400  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
401  */
402 char *
403 setstate(
404         char *arg_state                 /* pointer to state array */
405         )
406 {
407         register long *new_state = (long *) arg_state;
408         register long type = new_state[0] % MAX_TYPES;
409         register long rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
410         char *ostate = (char *)(&state[-1]);
411
412         if (rand_type == TYPE_0)
413                 state[-1] = rand_type;
414         else
415                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
416         switch(type) {
417         case TYPE_0:
418         case TYPE_1:
419         case TYPE_2:
420         case TYPE_3:
421         case TYPE_4:
422                 rand_type = type;
423                 rand_deg = degrees[type];
424                 rand_sep = seps[type];
425                 break;
426         default:
427                 (void)fprintf(stderr,
428                     "random: state info corrupted; not changed.\n");
429         }
430         state = (long *) (new_state + 1);
431         if (rand_type != TYPE_0) {
432                 rptr = &state[rear];
433                 fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
434         }
435         end_ptr = &state[rand_deg];             /* set end_ptr too */
436         return(ostate);
437 }
438
439 /*
440  * random:
441  *
442  * If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
443  * congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
444  * the same in all the other cases due to all the global variables that have
445  * been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
446  * into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
447  * the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
448  * generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
449  *
450  * Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
451  * rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
452  * pointer if the front one has wrapped.
453  *
454  * Returns a 31-bit random number.
455  */
456 long
457 random( void )
458 {
459         register long i;
460         register long *f, *r;
461
462         if (rand_type == TYPE_0) {
463                 i = state[0];
464                 state[0] = i = (good_rand(i)) & 0x7fffffff;
465         } else {
466                 /*
467                  * Use local variables rather than static variables for speed.
468                  */
469                 f = fptr; r = rptr;
470                 *f += *r;
471                 i = (*f >> 1) & 0x7fffffff;     /* chucking least random bit */
472                 if (++f >= end_ptr) {
473                         f = state;
474                         ++r;
475                 }
476                 else if (++r >= end_ptr) {
477                         r = state;
478                 }
479
480                 fptr = f; rptr = r;
481         }
482         return(i);
483 }