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