Fix for coverity #29409 - Use char 0 instead of NULL
[supertux.git] / src / math / 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
37 #include <assert.h>
38 #include <stdexcept>
39 #include <stdio.h>
40 #include <time.h>
41
42 #include "math/random_generator.hpp"
43
44 RandomGenerator graphicsRandom;               // graphic RNG
45 RandomGenerator gameRandom;                   // game RNG
46
47 RandomGenerator::RandomGenerator() :
48   initialized(),
49   fptr(),
50   rptr(),
51   state(),
52   rand_type(),
53   rand_deg(),
54   rand_sep(),
55   end_ptr(),
56   debug()
57 {
58   assert(sizeof(int) >= 4);
59   initialized = 0;
60   debug = 0;                              // change this by hand for debug
61   initialize();
62 }
63
64 RandomGenerator::~RandomGenerator() {
65 }
66
67 int RandomGenerator::srand(int x)    {
68   int x0 = x;
69   while (x <= 0)                          // random seed of zero means
70     x = time(0) % RandomGenerator::rand_max; // randomize with time
71
72   if (debug > 0)
73     printf("==== srand(%10d) (%10d) rand_max=%x =====\n",
74            x, x0, RandomGenerator::rand_max);
75
76   RandomGenerator::srandom(x);
77   return x;                               // let caller know seed used
78 }
79
80 int RandomGenerator::rand() {
81   int rv;                                  // a positive int
82   while ((rv = RandomGenerator::random()) <= 0) // neg or zero causes probs
83     ;
84   if (debug > 0)
85     printf("==== rand(): %10d =====\n", rv);
86   return rv;
87 }
88
89 int RandomGenerator::rand(int v) {
90   assert(v >= 0); // illegal arg
91
92   // remove biases, esp. when v is large (e.g. v == (rand_max/4)*3;)
93   int rv, maxV =(RandomGenerator::rand_max / v) * v;
94   while ((rv = RandomGenerator::random()) >= maxV)
95     ;
96   return rv % v;                          // mod it down to 0..(maxV-1)
97 }
98
99 int RandomGenerator::rand(int u, int v) {
100   assert(v > u);
101   return u + RandomGenerator::rand(v-u);
102 }
103
104 double RandomGenerator::randf(double v) {
105   float rv;
106   do {
107     rv = ((double)RandomGenerator::random())/RandomGenerator::rand_max * v;
108   } while (rv >= v);                      // rounding might cause rv==v
109
110   if (debug > 0)
111     printf("==== rand(): %f =====\n", rv);
112   return rv;
113 }
114
115 double RandomGenerator::randf(double u, double v) {
116   return u + RandomGenerator::randf(v-u);
117 }
118
119 //-----------------------------------------------------------------------
120 //
121 // Copyright (C) 2002 Michael Ringgaard. All rights reserved.
122 // Copyright (C) 1983, 1993 The Regents of the University of California.
123 //
124 // Redistribution and use in source and binary forms, with or without
125 // modification, are permitted provided that the following conditions
126 // are met:
127 //
128 // 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
129 //    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
130 // 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
131 //    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
132 //    documentation and/or other materials provided with the distribution.
133 // 3. Neither the name of the project nor the names of its contributors
134 //    may be used to endorse or promote products derived from this software
135 //    without specific prior written permission.
136 //
137 // THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS "AS IS" AND
138 // ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
139 // IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
140 // ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
141 // FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
142 // DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
143 // OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
144 // HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
145 // LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
146 // OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
147 // SUCH DAMAGE.
148 //
149
150 //**#include <os.h>
151
152 //
153 // An improved random number generation package.  In addition to the standard
154 // rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
155 // interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
156 // bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
157 // then initialized to contain information for random number generation with
158 // that much state information.  Good sizes for the amount of state
159 // information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
160 // calling the setstate() routine with the same array as was initialized
161 // with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
162 // information and generates far better random numbers than a linear
163 // congruential generator.  If the amount of state information is less than
164 // 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
165 //
166 // Internally, the state information is treated as an array of longs; the
167 // zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
168 // integer); the remainder of the array is the state information for the
169 // R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 longs worth of
170 // state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
171 // the zeroeth word of state information also has some other information
172 // stored in it -- see setstate() for details).
173 //
174 // The random number generation technique is a linear feedback shift register
175 // approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
176 // way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
177 // the state table will act as a linear feedback shift register, and will
178 // have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
179 // used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
180 // higher order bits will have longer periods, since their values are also
181 // influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
182 // period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
183 // the amount of state information has a vast influence on the period of the
184 // generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
185 // large deg, when the period of the shift is the dominant factor.
186 // With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
187 // 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
188 //
189 // Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
190 //
191
192 //
193 // For each of the currently supported random number generators, we have a
194 // break value on the amount of state information (you need at least this
195 // many bytes of state info to support this random number generator), a degree
196 // for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
197 // the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
198
199 void RandomGenerator::initialize() {
200
201 #define NSHUFF 100      // To drop part of seed -> 1st value correlation
202
203   //static long degrees[MAX_TYPES] = { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
204   //static long seps [MAX_TYPES] = { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
205
206   degrees[0] = DEG_0;
207   degrees[1] = DEG_1;
208   degrees[2] = DEG_2;
209   degrees[3] = DEG_3;
210   degrees[4] = DEG_4;
211
212   seps [0] = SEP_0;
213   seps [1] = SEP_1;
214   seps [2] = SEP_2;
215   seps [3] = SEP_3;
216   seps [4] = SEP_4;
217
218   //
219   // Initially, everything is set up as if from:
220   //
221   //  initstate(1, randtbl, 128);
222   //
223   // Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
224   // advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
225   // rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
226   // element of the state information, which contains info about the current
227   // position of the rear pointer is just
228   //
229   //  MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
230
231   randtbl[ 0] =  TYPE_3;
232   randtbl[ 1] =  0x991539b1;
233   randtbl[ 2] =  0x16a5bce3;
234   randtbl[ 3] =  0x6774a4cd;
235   randtbl[ 4] =  0x3e01511e;
236   randtbl[ 5] =  0x4e508aaa;
237   randtbl[ 6] =  0x61048c05;
238   randtbl[ 7] =  0xf5500617;
239   randtbl[ 8] =  0x846b7115;
240   randtbl[ 9] =  0x6a19892c;
241   randtbl[10] =  0x896a97af;
242   randtbl[11] =  0xdb48f936;
243   randtbl[12] =  0x14898454;
244   randtbl[13] =  0x37ffd106;
245   randtbl[14] =  0xb58bff9c;
246   randtbl[15] =  0x59e17104;
247   randtbl[16] =  0xcf918a49;
248   randtbl[17] =  0x09378c83;
249   randtbl[18] =  0x52c7a471;
250   randtbl[19] =  0x8d293ea9;
251   randtbl[20] =  0x1f4fc301;
252   randtbl[21] =  0xc3db71be;
253   randtbl[22] =  0x39b44e1c;
254   randtbl[23] =  0xf8a44ef9;
255   randtbl[24] =  0x4c8b80b1;
256   randtbl[25] =  0x19edc328;
257   randtbl[26] =  0x87bf4bdd;
258   randtbl[27] =  0xc9b240e5;
259   randtbl[28] =  0xe9ee4b1b;
260   randtbl[29] =  0x4382aee7;
261   randtbl[30] =  0x535b6b41;
262   randtbl[31] =  0xf3bec5da;
263
264   // static long randtbl[DEG_3 + 1] =
265   // {
266   //   TYPE_3;
267   //   0x991539b1, 0x16a5bce3, 0x6774a4cd, 0x3e01511e, 0x4e508aaa, 0x61048c05,
268   //   0xf5500617, 0x846b7115, 0x6a19892c, 0x896a97af, 0xdb48f936, 0x14898454,
269   //   0x37ffd106, 0xb58bff9c, 0x59e17104, 0xcf918a49, 0x09378c83, 0x52c7a471,
270   //   0x8d293ea9, 0x1f4fc301, 0xc3db71be, 0x39b44e1c, 0xf8a44ef9, 0x4c8b80b1,
271   //   0x19edc328, 0x87bf4bdd, 0xc9b240e5, 0xe9ee4b1b, 0x4382aee7, 0x535b6b41,
272   //   0xf3bec5da
273   // };
274
275   //
276   // fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
277   // pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
278   // cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
279   // could get away with just one pointer, but the code for random() is more
280   // efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
281   // from the call
282   //
283   //  initstate(1, randtbl, 128);
284   //
285   // (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
286   // in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
287   // to point to randtbl[1] (as explained below).
288   //
289
290   fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
291   rptr = &randtbl[1];
292
293   //
294   // The following things are the pointer to the state information table, the
295   // type of the current generator, the degree of the current polynomial being
296   // used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
297   // of random(), we remember the first location of the state information, not
298   // the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
299   // store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
300   // this is more efficient than indexing every time to find the address of
301   // the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
302   //
303
304   state = &randtbl[1];
305   rand_type = TYPE_3;
306   rand_deg = DEG_3;
307   rand_sep = SEP_3;
308   end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
309
310 }
311
312 //
313 // Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
314 // without overflowing 31 bits:
315 //      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
316 // From "Random number generators: good ones are hard to find",
317 // Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
318 // October 1988, p. 1195.
319 //
320
321 __inline static long good_rand(long x)
322 {
323   long hi, lo;
324
325   // Can't be initialized with 0, so use another value.
326   if (x == 0) x = 123459876;
327   hi = x / 127773;
328   lo = x % 127773;
329   x = 16807 * lo - 2836 * hi;
330   if (x < 0) x += 0x7fffffff;
331   return x;
332 }
333
334 //
335 // srandom
336 //
337 // Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
338 // type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
339 // Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
340 // congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
341 // that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
342 // information a given number of times to get rid of any initial dependencies
343 // introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
344 // for default usage relies on values produced by this routine.
345
346 void RandomGenerator::srandom(unsigned long x)
347 {
348   long i, lim;
349
350   state[0] = x;
351   if (rand_type == TYPE_0)
352     lim = NSHUFF;
353   else
354   {
355     for (i = 1; i < rand_deg; i++) state[i] = good_rand(state[i - 1]);
356     fptr = &state[rand_sep];
357     rptr = &state[0];
358     lim = 10 * rand_deg;
359   }
360
361   initialized = 1;
362   for (i = 0; i < lim; i++) random();
363 }
364
365 #ifdef NOT_FOR_SUPERTUX     // use in supertux doesn't require these methods,
366 // which are not portable to as many platforms as
367 // SDL.  The cost is that the variability of the
368 // initial seed is reduced to only 32 bits of
369 // randomness, seemingly enough. PAK 060420
370 //
371 // srandomdev
372 //
373 // Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
374 // This often causes problems.  We seed the generator using the much more
375 // secure random() interface.  Note that this particular seeding
376 // procedure can generate states which are impossible to reproduce by
377 // calling srandom() with any value, since the succeeding terms in the
378 // state buffer are no longer derived from the LC algorithm applied to
379 // a fixed seed.
380
381 void RandomGenerator::srandomdev()
382 {
383   int fd, done;
384   size_t len;
385
386   if (rand_type == TYPE_0)
387     len = sizeof state[0];
388   else
389     len = rand_deg * sizeof state[0];
390
391   done = 0;
392   fd = open("/dev/urandom", O_RDONLY);
393   if (fd >= 0)
394   {
395     if (read(fd, state, len) == len) done = 1;
396     close(fd);
397   }
398
399   if (!done)
400   {
401     struct timeval tv;
402
403     gettimeofday(&tv, NULL);
404     srandom(tv.tv_sec ^ tv.tv_usec);
405     return;
406   }
407
408   if (rand_type != TYPE_0)
409   {
410     fptr = &state[rand_sep];
411     rptr = &state[0];
412   }
413   initialized = 1;
414 }
415
416 //
417 // initstate
418 //
419 // Initialize the state information in the given array of n bytes for future
420 // random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
421 // the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
422 // one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
423 // initialize the state information.
424 //
425 // Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
426 // multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
427 // successive calls to initstate() won't lose this information and will be
428 // able to restart with setstate().
429 //
430 // Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
431 // setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
432 //
433 // Returns a pointer to the old state.
434 //
435
436 char * RandomGenerator::initstate(unsigned long seed, char *arg_state, long n)
437 {
438   char *ostate = (char *) (&state[-1]);
439   long *long_arg_state = (long *) arg_state;
440
441   if (rand_type == TYPE_0)
442     state[-1] = rand_type;
443   else
444     state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
445
446   if (n < BREAK_0) return NULL;
447
448   if (n < BREAK_1)
449   {
450     rand_type = TYPE_0;
451     rand_deg = DEG_0;
452     rand_sep = SEP_0;
453   }
454   else if (n < BREAK_2)
455   {
456     rand_type = TYPE_1;
457     rand_deg = DEG_1;
458     rand_sep = SEP_1;
459   }
460   else if (n < BREAK_3)
461   {
462     rand_type = TYPE_2;
463     rand_deg = DEG_2;
464     rand_sep = SEP_2;
465   }
466   else if (n < BREAK_4)
467   {
468     rand_type = TYPE_3;
469     rand_deg = DEG_3;
470     rand_sep = SEP_3;
471   }
472   else
473   {
474     rand_type = TYPE_4;
475     rand_deg = DEG_4;
476     rand_sep = SEP_4;
477   }
478
479   state = (long *) (long_arg_state + 1); // First location
480   end_ptr = &state[rand_deg]; // Must set end_ptr before srandom
481   srandom(seed);
482
483   if (rand_type == TYPE_0)
484     long_arg_state[0] = rand_type;
485   else
486     long_arg_state[0] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
487
488   initialized = 1;
489   return ostate;
490 }
491
492 //
493 // setstate
494 //
495 // Restore the state from the given state array.
496 //
497 // Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
498 // in the current state information, and restore the locations of the pointers
499 // from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
500 // location into the zeroeth word of the state information.
501 //
502 // Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
503 // setstate() with the same state as the current state.
504 //
505 // Returns a pointer to the old state information.
506 //
507
508 char * RandomGenerator::setstate(char *arg_state)
509 {
510   long *new_state = (long *) arg_state;
511   long type = new_state[0] % MAX_TYPES;
512   long rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
513   char *ostate = (char *) (&state[-1]);
514
515   if (rand_type == TYPE_0)
516     state[-1] = rand_type;
517   else
518     state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
519
520   switch(type)
521   {
522     case TYPE_0:
523     case TYPE_1:
524     case TYPE_2:
525     case TYPE_3:
526     case TYPE_4:
527       rand_type = type;
528       rand_deg = degrees[type];
529       rand_sep = seps[type];
530       break;
531   }
532
533   state = (long *) (new_state + 1);
534   if (rand_type != TYPE_0)
535   {
536     rptr = &state[rear];
537     fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
538   }
539   end_ptr = &state[rand_deg];   // Set end_ptr too
540
541   initialized = 1;
542   return ostate;
543 }
544 #endif //NOT_FOR_SUPERTUX
545 //
546 // random:
547 //
548 // If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
549 // congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
550 // the same in all the other cases due to all the global variables that have
551 // been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
552 // into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
553 // the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
554 // generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
555 //
556 // Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
557 // rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
558 // pointer if the front one has wrapped.
559 //
560 // Returns a 31-bit random number.
561 //
562
563 long RandomGenerator::random()
564 {
565   long i;
566   long *f, *r;
567   if (!initialized) {
568     throw std::runtime_error("uninitialized RandomGenerator object");
569   }
570
571   if (rand_type == TYPE_0)
572   {
573     i = state[0];
574     state[0] = i = (good_rand(i)) & 0x7fffffff;
575   }
576   else
577   {
578     f = fptr; r = rptr;
579     *f += *r;
580     i = (*f >> 1) & 0x7fffffff; // Chucking least random bit
581     if (++f >= end_ptr)
582     {
583       f = state;
584       ++r;
585     }
586     else if (++r >= end_ptr)
587       r = state;
588
589     fptr = f; rptr = r;
590   }
591
592   return i;
593 }
594
595 /* EOF */