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