* Use id(1) instead of grep(1) to detect the presence of the smmsp
[dragonfly.git] / lib / libcr / stdlib / 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/lib/libc/stdlib/random.c,v 1.13 2000/01/27 23:06:49 jasone Exp $
34  * $DragonFly: src/lib/libcr/stdlib/Attic/random.c,v 1.4 2003/12/08 13:56:35 eirikn Exp $
35  *
36  * @(#)random.c 8.2 (Berkeley) 5/19/95
37  */
38
39 #include <sys/time.h>          /* for srandomdev() */
40 #include <fcntl.h>             /* for srandomdev() */
41 #include <stdio.h>
42 #include <stdlib.h>
43 #include <unistd.h>            /* for srandomdev() */
44
45 /*
46  * random.c:
47  *
48  * An improved random number generation package.  In addition to the standard
49  * rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
50  * interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
51  * bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
52  * then initialized to contain information for random number generation with
53  * that much state information.  Good sizes for the amount of state
54  * information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
55  * calling the setstate() routine with the same array as was initiallized
56  * with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
57  * information and generates far better random numbers than a linear
58  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
59  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
60  *
61  * Internally, the state information is treated as an array of ints; the
62  * zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
63  * integer); the remainder of the array is the state information for the
64  * R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 ints worth of
65  * state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
66  * the zeroeth word of state information also has some other information
67  * stored in it -- see setstate() for details).
68  *
69  * The random number generation technique is a linear feedback shift register
70  * approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
71  * way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
72  * the state table will act as a linear feedback shift register, and will
73  * have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
74  * used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
75  * higher order bits will have longer periods, since their values are also
76  * influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
77  * period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
78  * the amount of state information has a vast influence on the period of the
79  * generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
80  * large deg, when the period of the shift register is the dominant factor.
81  * With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
82  * 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
83  *
84  * Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
85  * The following changes have been made:
86  * All references to the type u_int have been changed to unsigned long.
87  * All references to type int have been changed to type long.  Other
88  * cleanups have been made as well.  A warning for both initstate and
89  * setstate has been inserted to the effect that on Sparc platforms
90  * the 'arg_state' variable must be forced to begin on word boundaries.
91  * This can be easily done by casting a long integer array to char *.
92  * The overall logic has been left STRICTLY alone.  This software was
93  * tested on both a VAX and Sun SpacsStation with exactly the same
94  * results.  The new version and the original give IDENTICAL results.
95  * The new version is somewhat faster than the original.  As the
96  * documentation says:  "By default, the package runs with 128 bytes of
97  * state information and generates far better random numbers than a linear
98  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
99  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used."  For a buffer of
100  * 128 bytes, this new version runs about 19 percent faster and for a 16
101  * byte buffer it is about 5 percent faster.
102  */
103
104 /*
105  * For each of the currently supported random number generators, we have a
106  * break value on the amount of state information (you need at least this
107  * many bytes of state info to support this random number generator), a degree
108  * for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
109  * the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
110  */
111 #define TYPE_0          0               /* linear congruential */
112 #define BREAK_0         8
113 #define DEG_0           0
114 #define SEP_0           0
115
116 #define TYPE_1          1               /* x**7 + x**3 + 1 */
117 #define BREAK_1         32
118 #define DEG_1           7
119 #define SEP_1           3
120
121 #define TYPE_2          2               /* x**15 + x + 1 */
122 #define BREAK_2         64
123 #define DEG_2           15
124 #define SEP_2           1
125
126 #define TYPE_3          3               /* x**31 + x**3 + 1 */
127 #define BREAK_3         128
128 #define DEG_3           31
129 #define SEP_3           3
130
131 #define TYPE_4          4               /* x**63 + x + 1 */
132 #define BREAK_4         256
133 #define DEG_4           63
134 #define SEP_4           1
135
136 /*
137  * Array versions of the above information to make code run faster --
138  * relies on fact that TYPE_i == i.
139  */
140 #define MAX_TYPES       5               /* max number of types above */
141
142 static const int degrees[MAX_TYPES] =   { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
143 static const int seps [MAX_TYPES] =     { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
144
145 /*
146  * Initially, everything is set up as if from:
147  *
148  *      initstate(1, randtbl, 128);
149  *
150  * Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
151  * advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
152  * rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
153  * element of the state information, which contains info about the current
154  * position of the rear pointer is just
155  *
156  *      MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
157  */
158
159 static uint32_t randtbl[DEG_3 + 1] = {
160         TYPE_3,
161 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
162 /* Historic implementation compatibility */
163 /* The random sequences do not vary much with the seed */
164         0x9a319039, 0x32d9c024, 0x9b663182, 0x5da1f342, 0xde3b81e0, 0xdf0a6fb5,
165         0xf103bc02, 0x48f340fb, 0x7449e56b, 0xbeb1dbb0, 0xab5c5918, 0x946554fd,
166         0x8c2e680f, 0xeb3d799f, 0xb11ee0b7, 0x2d436b86, 0xda672e2a, 0x1588ca88,
167         0xe369735d, 0x904f35f7, 0xd7158fd6, 0x6fa6f051, 0x616e6b96, 0xac94efdc,
168         0x36413f93, 0xc622c298, 0xf5a42ab8, 0x8a88d77b, 0xf5ad9d0e, 0x8999220b,
169         0x27fb47b9,
170 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
171         0x991539b1, 0x16a5bce3, 0x6774a4cd, 0x3e01511e, 0x4e508aaa, 0x61048c05,
172         0xf5500617, 0x846b7115, 0x6a19892c, 0x896a97af, 0xdb48f936, 0x14898454,
173         0x37ffd106, 0xb58bff9c, 0x59e17104, 0xcf918a49, 0x09378c83, 0x52c7a471,
174         0x8d293ea9, 0x1f4fc301, 0xc3db71be, 0x39b44e1c, 0xf8a44ef9, 0x4c8b80b1,
175         0x19edc328, 0x87bf4bdd, 0xc9b240e5, 0xe9ee4b1b, 0x4382aee7, 0x535b6b41,
176         0xf3bec5da
177 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
178 };
179
180 /*
181  * fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
182  * pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
183  * cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
184  * could get away with just one pointer, but the code for random() is more
185  * efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
186  * from the call
187  *
188  *      initstate(1, randtbl, 128);
189  *
190  * (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
191  * in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
192  * to point to randtbl[1] (as explained below).
193  */
194 static uint32_t *fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
195 static uint32_t *rptr = &randtbl[1];
196
197 /*
198  * The following things are the pointer to the state information table, the
199  * type of the current generator, the degree of the current polynomial being
200  * used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
201  * of random(), we remember the first location of the state information, not
202  * the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
203  * store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
204  * this is more efficient than indexing every time to find the address of
205  * the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
206  */
207 static uint32_t *state = &randtbl[1];
208 static int rand_type = TYPE_3;
209 static int rand_deg = DEG_3;
210 static int rand_sep = SEP_3;
211 static uint32_t *end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
212
213 static inline long good_rand (long);
214
215 static inline long good_rand (x)
216         long x;
217 {
218 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
219 /*
220  * Historic implementation compatibility.
221  * The random sequences do not vary much with the seed,
222  * even with overflowing.
223  */
224         return (1103515245 * x + 12345);
225 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
226 /*
227  * Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
228  * wihout overflowing 31 bits:
229  *      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
230  * From "Random number generators: good ones are hard to find",
231  * Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
232  * October 1988, p. 1195.
233  */
234         long hi, lo;
235
236         hi = x / 127773;
237         lo = x % 127773;
238         x = 16807 * lo - 2836 * hi;
239         if (x <= 0)
240                 x += 0x7fffffff;
241         return (x);
242 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
243 }
244
245 /*
246  * srandom:
247  *
248  * Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
249  * type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
250  * Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
251  * congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
252  * that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
253  * information a given number of times to get rid of any initial dependencies
254  * introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
255  * for default usage relies on values produced by this routine.
256  */
257 void
258 srandom(x)
259         unsigned long x;
260 {
261         int i;
262
263         if (rand_type == TYPE_0)
264                 state[0] = (uint32_t)x;
265         else {
266                 state[0] = (uint32_t)x;
267                 for (i = 1; i < rand_deg; i++)
268                         state[i] = (uint32_t)good_rand(state[i - 1]);
269                 fptr = &state[rand_sep];
270                 rptr = &state[0];
271                 for (i = 0; i < 10 * rand_deg; i++)
272                         (void)random();
273         }
274 }
275
276 /*
277  * srandomdev:
278  *
279  * Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
280  * This often causes problems.  We seed the generator using the much more
281  * secure urandom(4) interface.  Note that this particular seeding
282  * procedure can generate states which are impossible to reproduce by
283  * calling srandom() with any value, since the succeeding terms in the
284  * state buffer are no longer derived from the LC algorithm applied to
285  * a fixed seed.
286  */
287 void
288 srandomdev()
289 {
290         int fd, done;
291         size_t len;
292
293         if (rand_type == TYPE_0)
294                 len = sizeof state[0];
295         else
296                 len = rand_deg * sizeof state[0];
297
298         done = 0;
299         fd = _open("/dev/urandom", O_RDONLY, 0);
300         if (fd >= 0) {
301                 if (_read(fd, (void *) state, len) == (ssize_t) len)
302                         done = 1;
303                 _close(fd);
304         }
305
306         if (!done) {
307                 struct timeval tv;
308                 unsigned long junk;
309
310                 gettimeofday(&tv, NULL);
311                 srandom(getpid() ^ tv.tv_sec ^ tv.tv_usec ^ junk);
312                 return;
313         }
314
315         if (rand_type != TYPE_0) {
316                 fptr = &state[rand_sep];
317                 rptr = &state[0];
318         }
319 }
320
321 /*
322  * initstate:
323  *
324  * Initialize the state information in the given array of n bytes for future
325  * random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
326  * the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
327  * one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
328  * initialize the state information.
329  *
330  * Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
331  * multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
332  * successive calls to initstate() won't lose this information and will be
333  * able to restart with setstate().
334  *
335  * Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
336  * setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
337  *
338  * Returns a pointer to the old state.
339  *
340  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on an int
341  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
342  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
343  */
344 char *
345 initstate(seed, arg_state, n)
346         unsigned long seed;             /* seed for R.N.G. */
347         char *arg_state;                /* pointer to state array */
348         long n;                         /* # bytes of state info */
349 {
350         char *ostate = (char *)(&state[-1]);
351         uint32_t *int_arg_state = (uint32_t *)(void *)arg_state;
352
353         if (rand_type == TYPE_0)
354                 state[-1] = rand_type;
355         else
356                 state[-1] = MAX_TYPES * (uint32_t)(rptr - state) + rand_type;
357         if (n < BREAK_0) {
358                 (void)fprintf(stderr,
359                     "random: not enough state (%ld bytes); ignored.\n", n);
360                 return(0);
361         }
362         if (n < BREAK_1) {
363                 rand_type = TYPE_0;
364                 rand_deg = DEG_0;
365                 rand_sep = SEP_0;
366         } else if (n < BREAK_2) {
367                 rand_type = TYPE_1;
368                 rand_deg = DEG_1;
369                 rand_sep = SEP_1;
370         } else if (n < BREAK_3) {
371                 rand_type = TYPE_2;
372                 rand_deg = DEG_2;
373                 rand_sep = SEP_2;
374         } else if (n < BREAK_4) {
375                 rand_type = TYPE_3;
376                 rand_deg = DEG_3;
377                 rand_sep = SEP_3;
378         } else {
379                 rand_type = TYPE_4;
380                 rand_deg = DEG_4;
381                 rand_sep = SEP_4;
382         }
383         state = (uint32_t *) (int_arg_state + 1); /* first location */
384         end_ptr = &state[rand_deg];     /* must set end_ptr before srandom */
385         srandom((uint32_t)seed);
386         if (rand_type == TYPE_0)
387                 int_arg_state[0] = rand_type;
388         else
389                 int_arg_state[0] = MAX_TYPES * (uint32_t)(rptr - state) + rand_type;
390         return(ostate);
391 }
392
393 /*
394  * setstate:
395  *
396  * Restore the state from the given state array.
397  *
398  * Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
399  * in the current state information, and restore the locations of the pointers
400  * from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
401  * location into the zeroeth word of the state information.
402  *
403  * Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
404  * setstate() with the same state as the current state.
405  *
406  * Returns a pointer to the old state information.
407  *
408  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on a long
409  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
410  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
411  */
412 char *
413 setstate(arg_state)
414         char *arg_state;                /* pointer to state array */
415 {
416         uint32_t *new_state = (uint32_t *)(void *)arg_state;
417         uint32_t type = new_state[0] % MAX_TYPES;
418         uint32_t rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
419         char *ostate = (char *)(&state[-1]);
420
421         if (rand_type == TYPE_0)
422                 state[-1] = rand_type;
423         else
424                 state[-1] = MAX_TYPES * (uint32_t)(rptr - state) + rand_type;
425         switch(type) {
426         case TYPE_0:
427         case TYPE_1:
428         case TYPE_2:
429         case TYPE_3:
430         case TYPE_4:
431                 rand_type = type;
432                 rand_deg = degrees[type];
433                 rand_sep = seps[type];
434                 break;
435         default:
436                 (void)fprintf(stderr,
437                     "random: state info corrupted; not changed.\n");
438         }
439         state = (uint32_t *) (new_state + 1);
440         if (rand_type != TYPE_0) {
441                 rptr = &state[rear];
442                 fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
443         }
444         end_ptr = &state[rand_deg];             /* set end_ptr too */
445         return(ostate);
446 }
447
448 /*
449  * random:
450  *
451  * If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
452  * congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
453  * the same in all the other cases due to all the global variables that have
454  * been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
455  * into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
456  * the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
457  * generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
458  *
459  * Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
460  * rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
461  * pointer if the front one has wrapped.
462  *
463  * Returns a 31-bit random number.
464  */
465 long
466 random()
467 {
468         uint32_t i;
469         uint32_t *f, *r;
470
471         if (rand_type == TYPE_0) {
472                 i = state[0];
473                 state[0] = i = (good_rand(i)) & 0x7fffffff;
474         } else {
475                 /*
476                  * Use local variables rather than static variables for speed.
477                  */
478                 f = fptr; r = rptr;
479                 *f += *r;
480                 /* chucking least random bit */
481                 i = (*f >> 1) & 0x7fffffff;
482                 if (++f >= end_ptr) {
483                         f = state;
484                         ++r;
485                 }
486                 else if (++r >= end_ptr) {
487                         r = state;
488                 }
489
490                 fptr = f; rptr = r;
491         }
492         return((long)i);
493 }