Initial import from FreeBSD RELENG_4:
[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  *
35  */
36
37 #if defined(LIBC_SCCS) && !defined(lint)
38 static char sccsid[] = "@(#)random.c    8.2 (Berkeley) 5/19/95";
39 #endif /* LIBC_SCCS and not lint */
40
41 #include "config.h"
42 #ifdef HAVE_SYS_TYPES_H
43 # include <sys/types.h>
44 #endif
45 #ifdef HAVE_UNISTD_H
46 # include <unistd.h>
47 #endif
48 #include <stdio.h>
49
50 #include <ntp_types.h>
51
52 /*
53  * random.c:
54  *
55  * An improved random number generation package.  In addition to the standard
56  * rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
57  * interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
58  * bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
59  * then initialized to contain information for random number generation with
60  * that much state information.  Good sizes for the amount of state
61  * information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
62  * calling the setstate() routine with the same array as was initiallized
63  * with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
64  * information and generates far better random numbers than a linear
65  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
66  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
67  *
68  * Internally, the state information is treated as an array of longs; the
69  * zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
70  * integer); the remainder of the array is the state information for the
71  * R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 longs worth of
72  * state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
73  * the zeroeth word of state information also has some other information
74  * stored in it -- see setstate() for details).
75  *
76  * The random number generation technique is a linear feedback shift register
77  * approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
78  * way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
79  * the state table will act as a linear feedback shift register, and will
80  * have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
81  * used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
82  * higher order bits will have longer periods, since their values are also
83  * influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
84  * period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
85  * the amount of state information has a vast influence on the period of the
86  * generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
87  * large deg, when the period of the shift register is the dominant factor.
88  * With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
89  * 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
90  *
91  * Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
92  * The following changes have been made:
93  * All references to the type u_int have been changed to unsigned long.
94  * All references to type int have been changed to type long.  Other
95  * cleanups have been made as well.  A warning for both initstate and
96  * setstate has been inserted to the effect that on Sparc platforms
97  * the 'arg_state' variable must be forced to begin on word boundaries.
98  * This can be easily done by casting a long integer array to char *.
99  * The overall logic has been left STRICTLY alone.  This software was
100  * tested on both a VAX and Sun SpacsStation with exactly the same
101  * results.  The new version and the original give IDENTICAL results.
102  * The new version is somewhat faster than the original.  As the
103  * documentation says:  "By default, the package runs with 128 bytes of
104  * state information and generates far better random numbers than a linear
105  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
106  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used."  For a buffer of
107  * 128 bytes, this new version runs about 19 percent faster and for a 16
108  * byte buffer it is about 5 percent faster.
109  */
110
111 /*
112  * For each of the currently supported random number generators, we have a
113  * break value on the amount of state information (you need at least this
114  * many bytes of state info to support this random number generator), a degree
115  * for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
116  * the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
117  */
118 #define TYPE_0          0               /* linear congruential */
119 #define BREAK_0         8
120 #define DEG_0           0
121 #define SEP_0           0
122
123 #define TYPE_1          1               /* x**7 + x**3 + 1 */
124 #define BREAK_1         32
125 #define DEG_1           7
126 #define SEP_1           3
127
128 #define TYPE_2          2               /* x**15 + x + 1 */
129 #define BREAK_2         64
130 #define DEG_2           15
131 #define SEP_2           1
132
133 #define TYPE_3          3               /* x**31 + x**3 + 1 */
134 #define BREAK_3         128
135 #define DEG_3           31
136 #define SEP_3           3
137
138 #define TYPE_4          4               /* x**63 + x + 1 */
139 #define BREAK_4         256
140 #define DEG_4           63
141 #define SEP_4           1
142
143 /*
144  * Array versions of the above information to make code run faster --
145  * relies on fact that TYPE_i == i.
146  */
147 #define MAX_TYPES       5               /* max number of types above */
148
149 static long degrees[MAX_TYPES] =        { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
150 static long seps [MAX_TYPES] =  { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
151
152 /*
153  * Initially, everything is set up as if from:
154  *
155  *      initstate(1, randtbl, 128);
156  *
157  * Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
158  * advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
159  * rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
160  * element of the state information, which contains info about the current
161  * position of the rear pointer is just
162  *
163  *      MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
164  */
165
166 static long randtbl[DEG_3 + 1] = {
167         TYPE_3,
168 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
169 /* Historic implementation compatibility */
170 /* The random sequences do not vary much with the seed */
171         0x9a319039, 0x32d9c024, 0x9b663182, 0x5da1f342, 0xde3b81e0, 0xdf0a6fb5,
172         0xf103bc02, 0x48f340fb, 0x7449e56b, 0xbeb1dbb0, 0xab5c5918, 0x946554fd,
173         0x8c2e680f, 0xeb3d799f, 0xb11ee0b7, 0x2d436b86, 0xda672e2a, 0x1588ca88,
174         0xe369735d, 0x904f35f7, 0xd7158fd6, 0x6fa6f051, 0x616e6b96, 0xac94efdc,
175         0x36413f93, 0xc622c298, 0xf5a42ab8, 0x8a88d77b, 0xf5ad9d0e, 0x8999220b,
176         0x27fb47b9,
177 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
178         0x991539b1, 0x16a5bce3, 0x6774a4cd, 0x3e01511e, 0x4e508aaa, 0x61048c05,
179         0xf5500617, 0x846b7115, 0x6a19892c, 0x896a97af, 0xdb48f936, 0x14898454,
180         0x37ffd106, 0xb58bff9c, 0x59e17104, 0xcf918a49, 0x09378c83, 0x52c7a471,
181         0x8d293ea9, 0x1f4fc301, 0xc3db71be, 0x39b44e1c, 0xf8a44ef9, 0x4c8b80b1,
182         0x19edc328, 0x87bf4bdd, 0xc9b240e5, 0xe9ee4b1b, 0x4382aee7, 0x535b6b41,
183         0xf3bec5da
184 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
185 };
186
187 /*
188  * fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
189  * pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
190  * cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
191  * could get away with just one pointer, but the code for random() is more
192  * efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
193  * from the call
194  *
195  *      initstate(1, randtbl, 128);
196  *
197  * (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
198  * in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
199  * to point to randtbl[1] (as explained below).
200  */
201 static long *fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
202 static long *rptr = &randtbl[1];
203
204 /*
205  * The following things are the pointer to the state information table, the
206  * type of the current generator, the degree of the current polynomial being
207  * used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
208  * of random(), we remember the first location of the state information, not
209  * the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
210  * store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
211  * this is more efficient than indexing every time to find the address of
212  * the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
213  */
214 static long *state = &randtbl[1];
215 static long rand_type = TYPE_3;
216 static long rand_deg = DEG_3;
217 static long rand_sep = SEP_3;
218 static long *end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
219
220 static inline long good_rand P((long));
221 long random P((void));
222
223 static inline long
224 good_rand (
225         register long x
226         )
227 {
228 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
229 /*
230  * Historic implementation compatibility.
231  * The random sequences do not vary much with the seed,
232  * even with overflowing.
233  */
234         return (1103515245 * x + 12345);
235 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
236 /*
237  * Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
238  * wihout overflowing 31 bits:
239  *      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
240  * From "Random number generators: good ones are hard to find",
241  * Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
242  * October 1988, p. 1195.
243  */
244         register long hi, lo;
245
246         hi = x / 127773;
247         lo = x % 127773;
248         x = 16807 * lo - 2836 * hi;
249         if (x <= 0)
250                 x += 0x7fffffff;
251         return (x);
252 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
253 }
254
255 /*
256  * srandom:
257  *
258  * Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
259  * type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
260  * Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
261  * congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
262  * that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
263  * information a given number of times to get rid of any initial dependencies
264  * introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
265  * for default usage relies on values produced by this routine.
266  */
267 void
268 srandom(
269         unsigned long x
270         )
271 {
272         register long i;
273
274         if (rand_type == TYPE_0)
275                 state[0] = x;
276         else {
277                 state[0] = x;
278                 for (i = 1; i < rand_deg; i++)
279                         state[i] = good_rand(state[i - 1]);
280                 fptr = &state[rand_sep];
281                 rptr = &state[0];
282                 for (i = 0; i < 10 * rand_deg; i++)
283                         (void)random();
284         }
285 }
286
287 /*
288  * srandomdev:
289  *
290  * Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
291  * This often causes problems.  We seed the generator using the much more
292  * secure urandom(4) interface.  Note that this particular seeding
293  * procedure can generate states which are impossible to reproduce by
294  * calling srandom() with any value, since the succeeding terms in the
295  * state buffer are no longer derived from the LC algorithm applied to
296  * a fixed seed.
297  */
298 void
299 srandomdev( void )
300 {
301         struct timeval tv;
302         unsigned long junk;     /* Purposely used uninitialized */
303
304         gettimeofday(&tv, NULL);
305         srandom(getpid() ^ tv.tv_sec ^ tv.tv_usec ^ junk);
306         return;
307 }
308
309 /*
310  * initstate:
311  *
312  * Initialize the state information in the given array of n bytes for future
313  * random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
314  * the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
315  * one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
316  * initialize the state information.
317  *
318  * Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
319  * multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
320  * successive calls to initstate() won't lose this information and will be
321  * able to restart with setstate().
322  *
323  * Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
324  * setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
325  *
326  * Returns a pointer to the old state.
327  *
328  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on a long
329  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
330  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
331  */
332 char *
333 initstate(
334         unsigned long seed,             /* seed for R.N.G. */
335         char *arg_state,                /* pointer to state array */
336         long n                          /* # bytes of state info */
337         )
338 {
339         register char *ostate = (char *)(&state[-1]);
340         register long *long_arg_state = (long *) arg_state;
341
342         if (rand_type == TYPE_0)
343                 state[-1] = rand_type;
344         else
345                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
346         if (n < BREAK_0) {
347                 (void)fprintf(stderr,
348                     "random: not enough state (%ld bytes); ignored.\n", n);
349                 return(0);
350         }
351         if (n < BREAK_1) {
352                 rand_type = TYPE_0;
353                 rand_deg = DEG_0;
354                 rand_sep = SEP_0;
355         } else if (n < BREAK_2) {
356                 rand_type = TYPE_1;
357                 rand_deg = DEG_1;
358                 rand_sep = SEP_1;
359         } else if (n < BREAK_3) {
360                 rand_type = TYPE_2;
361                 rand_deg = DEG_2;
362                 rand_sep = SEP_2;
363         } else if (n < BREAK_4) {
364                 rand_type = TYPE_3;
365                 rand_deg = DEG_3;
366                 rand_sep = SEP_3;
367         } else {
368                 rand_type = TYPE_4;
369                 rand_deg = DEG_4;
370                 rand_sep = SEP_4;
371         }
372         state = (long *) (long_arg_state + 1); /* first location */
373         end_ptr = &state[rand_deg];     /* must set end_ptr before srandom */
374         srandom(seed);
375         if (rand_type == TYPE_0)
376                 long_arg_state[0] = rand_type;
377         else
378                 long_arg_state[0] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
379         return(ostate);
380 }
381
382 /*
383  * setstate:
384  *
385  * Restore the state from the given state array.
386  *
387  * Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
388  * in the current state information, and restore the locations of the pointers
389  * from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
390  * location into the zeroeth word of the state information.
391  *
392  * Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
393  * setstate() with the same state as the current state.
394  *
395  * Returns a pointer to the old state information.
396  *
397  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on a long
398  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
399  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
400  */
401 char *
402 setstate(
403         char *arg_state                 /* pointer to state array */
404         )
405 {
406         register long *new_state = (long *) arg_state;
407         register long type = new_state[0] % MAX_TYPES;
408         register long rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
409         char *ostate = (char *)(&state[-1]);
410
411         if (rand_type == TYPE_0)
412                 state[-1] = rand_type;
413         else
414                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
415         switch(type) {
416         case TYPE_0:
417         case TYPE_1:
418         case TYPE_2:
419         case TYPE_3:
420         case TYPE_4:
421                 rand_type = type;
422                 rand_deg = degrees[type];
423                 rand_sep = seps[type];
424                 break;
425         default:
426                 (void)fprintf(stderr,
427                     "random: state info corrupted; not changed.\n");
428         }
429         state = (long *) (new_state + 1);
430         if (rand_type != TYPE_0) {
431                 rptr = &state[rear];
432                 fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
433         }
434         end_ptr = &state[rand_deg];             /* set end_ptr too */
435         return(ostate);
436 }
437
438 /*
439  * random:
440  *
441  * If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
442  * congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
443  * the same in all the other cases due to all the global variables that have
444  * been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
445  * into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
446  * the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
447  * generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
448  *
449  * Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
450  * rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
451  * pointer if the front one has wrapped.
452  *
453  * Returns a 31-bit random number.
454  */
455 long
456 random( void )
457 {
458         register long i;
459         register long *f, *r;
460
461         if (rand_type == TYPE_0) {
462                 i = state[0];
463                 state[0] = i = (good_rand(i)) & 0x7fffffff;
464         } else {
465                 /*
466                  * Use local variables rather than static variables for speed.
467                  */
468                 f = fptr; r = rptr;
469                 *f += *r;
470                 i = (*f >> 1) & 0x7fffffff;     /* chucking least random bit */
471                 if (++f >= end_ptr) {
472                         f = state;
473                         ++r;
474                 }
475                 else if (++r >= end_ptr) {
476                         r = state;
477                 }
478
479                 fptr = f; rptr = r;
480         }
481         return(i);
482 }