c3608e8b8b737e229101b5ec52ba6f2b84ce0acc
[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 #include <config.h>
37
38
39 #include <stdexcept>
40 #include <time.h>
41 #include <cassert>
42 #include "random_generator.hpp"
43
44 RandomGenerator systemRandom;               // global random number generator
45
46 RandomGenerator::RandomGenerator() {
47     assert(sizeof(int) >= 4);
48     initialized = 0;
49     debug = 0;                              // change this by hand for debug
50     initialize();
51 }
52
53 RandomGenerator::~RandomGenerator() {
54 }
55
56 int RandomGenerator::srand(int x)    {
57     int x0 = x;
58     while (x <= 0)                          // random seed of zero means
59         x = time(0) % RandomGenerator::rand_max; // randomize with time
60
61     if (debug > 0)
62         printf("==== srand(%10d) (%10d) rand_max=%x =====\n",
63                x, x0, RandomGenerator::rand_max);
64
65     RandomGenerator::srandom(x);
66     return x;                               // let caller know seed used
67 }
68
69 int RandomGenerator::rand() {
70     int rv;                                  // a positive int
71     while ((rv = RandomGenerator::random()) <= 0) // neg or zero causes probs
72         ;
73     if (debug > 0)
74         printf("==== rand(): %10d =====\n", rv);
75     return rv;
76 }
77
78 int RandomGenerator::rand(int v) {
79     assert(v >= 0 && v <= RandomGenerator::rand_max); // illegal arg
80
81      // remove biases, esp. when v is large (e.g. v == (rand_max/4)*3;)
82     int rv, maxV =(RandomGenerator::rand_max / v) * v;
83     assert(maxV <= RandomGenerator::rand_max);
84     while ((rv = RandomGenerator::random()) >= maxV)
85         ;
86     return rv % v;                          // mod it down to 0..(maxV-1)
87 }
88
89 int RandomGenerator::rand(int u, int v) {
90     assert(v > u);
91     return u + RandomGenerator::rand(v-u);
92 }
93
94 double RandomGenerator::randf(double v) {
95     float rv;
96     do {
97         rv = ((double)RandomGenerator::random())/RandomGenerator::rand_max * v;
98     } while (rv >= v);                      // rounding might cause rv==v
99
100     if (debug > 0)
101         printf("==== rand(): %f =====\n", rv);
102     return rv;
103 }
104
105 double RandomGenerator::randf(double u, double v) {
106     return u + RandomGenerator::randf(v-u);
107 }
108
109 //-----------------------------------------------------------------------
110 //
111 // Copyright (C) 2002 Michael Ringgaard. All rights reserved.
112 // Copyright (C) 1983, 1993 The Regents of the University of California.
113 //
114 // Redistribution and use in source and binary forms, with or without
115 // modification, are permitted provided that the following conditions
116 // are met:
117 //
118 // 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
119 //    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
120 // 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
121 //    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
122 //    documentation and/or other materials provided with the distribution.
123 // 3. Neither the name of the project nor the names of its contributors
124 //    may be used to endorse or promote products derived from this software
125 //    without specific prior written permission.
126 //
127 // THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE COPYRIGHT HOLDERS AND CONTRIBUTORS "AS IS" AND
128 // ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
129 // IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
130 // ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE COPYRIGHT OWNER OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
131 // FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
132 // DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
133 // OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
134 // HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
135 // LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
136 // OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
137 // SUCH DAMAGE.
138 //
139
140 //**#include <os.h>
141
142 //
143 // An improved random number generation package.  In addition to the standard
144 // rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
145 // interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
146 // bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
147 // then initialized to contain information for random number generation with
148 // that much state information.  Good sizes for the amount of state
149 // information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
150 // calling the setstate() routine with the same array as was initialized
151 // with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
152 // information and generates far better random numbers than a linear
153 // congruential generator.  If the amount of state information is less than
154 // 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
155 //
156 // Internally, the state information is treated as an array of longs; the
157 // zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
158 // integer); the remainder of the array is the state information for the
159 // R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 longs worth of
160 // state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
161 // the zeroeth word of state information also has some other information
162 // stored in it -- see setstate() for details).
163 //
164 // The random number generation technique is a linear feedback shift register
165 // approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
166 // way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
167 // the state table will act as a linear feedback shift register, and will
168 // have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
169 // used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
170 // higher order bits will have longer periods, since their values are also
171 // influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
172 // period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
173 // the amount of state information has a vast influence on the period of the
174 // generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
175 // large deg, when the period of the shift is the dominant factor.
176 // With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
177 // 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
178 //
179 // Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
180 //
181
182 //
183 // For each of the currently supported random number generators, we have a
184 // break value on the amount of state information (you need at least this
185 // many bytes of state info to support this random number generator), a degree
186 // for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
187 // the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
188
189 void RandomGenerator::initialize() {
190
191 #define NSHUFF 100      // To drop part of seed -> 1st value correlation
192
193 //static long degrees[MAX_TYPES] = { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
194 //static long seps [MAX_TYPES] = { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
195
196     degrees[0] = DEG_0;
197     degrees[1] = DEG_1;
198     degrees[2] = DEG_2;
199     degrees[3] = DEG_3;
200     degrees[4] = DEG_4;
201
202     seps [0] = SEP_0;
203     seps [1] = SEP_1;
204     seps [2] = SEP_2;
205     seps [3] = SEP_3;
206     seps [4] = SEP_4;
207
208 //
209 // Initially, everything is set up as if from:
210 //
211 //  initstate(1, randtbl, 128);
212 //
213 // Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
214 // advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
215 // rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
216 // element of the state information, which contains info about the current
217 // position of the rear pointer is just
218 //
219 //  MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
220
221     randtbl[ 0] =  TYPE_3;
222     randtbl[ 1] =  0x991539b1;
223     randtbl[ 2] =  0x16a5bce3;
224     randtbl[ 3] =  0x6774a4cd;
225     randtbl[ 4] =  0x3e01511e;
226     randtbl[ 5] =  0x4e508aaa;
227     randtbl[ 6] =  0x61048c05;
228     randtbl[ 7] =  0xf5500617;
229     randtbl[ 8] =  0x846b7115;
230     randtbl[ 9] =  0x6a19892c;
231     randtbl[10] =  0x896a97af;
232     randtbl[11] =  0xdb48f936;
233     randtbl[12] =  0x14898454;
234     randtbl[13] =  0x37ffd106;
235     randtbl[14] =  0xb58bff9c;
236     randtbl[15] =  0x59e17104;
237     randtbl[16] =  0xcf918a49;
238     randtbl[17] =  0x09378c83;
239     randtbl[18] =  0x52c7a471;
240     randtbl[19] =  0x8d293ea9;
241     randtbl[20] =  0x1f4fc301;
242     randtbl[21] =  0xc3db71be;
243     randtbl[22] =  0x39b44e1c;
244     randtbl[23] =  0xf8a44ef9;
245     randtbl[24] =  0x4c8b80b1;
246     randtbl[25] =  0x19edc328;
247     randtbl[26] =  0x87bf4bdd;
248     randtbl[27] =  0xc9b240e5;
249     randtbl[28] =  0xe9ee4b1b;
250     randtbl[29] =  0x4382aee7;
251     randtbl[30] =  0x535b6b41;
252     randtbl[31] =  0xf3bec5da;
253
254 // static long randtbl[DEG_3 + 1] =
255 // {
256 //   TYPE_3;
257 //   0x991539b1, 0x16a5bce3, 0x6774a4cd, 0x3e01511e, 0x4e508aaa, 0x61048c05,
258 //   0xf5500617, 0x846b7115, 0x6a19892c, 0x896a97af, 0xdb48f936, 0x14898454,
259 //   0x37ffd106, 0xb58bff9c, 0x59e17104, 0xcf918a49, 0x09378c83, 0x52c7a471,
260 //   0x8d293ea9, 0x1f4fc301, 0xc3db71be, 0x39b44e1c, 0xf8a44ef9, 0x4c8b80b1,
261 //   0x19edc328, 0x87bf4bdd, 0xc9b240e5, 0xe9ee4b1b, 0x4382aee7, 0x535b6b41,
262 //   0xf3bec5da
263 // };
264
265
266 //
267 // fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
268 // pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
269 // cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
270 // could get away with just one pointer, but the code for random() is more
271 // efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
272 // from the call
273 //
274 //  initstate(1, randtbl, 128);
275 //
276 // (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
277 // in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
278 // to point to randtbl[1] (as explained below).
279 //
280
281     fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
282     rptr = &randtbl[1];
283
284 //
285 // The following things are the pointer to the state information table, the
286 // type of the current generator, the degree of the current polynomial being
287 // used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
288 // of random(), we remember the first location of the state information, not
289 // the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
290 // store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
291 // this is more efficient than indexing every time to find the address of
292 // the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
293 //
294
295     state = &randtbl[1];
296     rand_type = TYPE_3;
297     rand_deg = DEG_3;
298     rand_sep = SEP_3;
299     end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
300
301 }
302
303 //
304 // Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
305 // without overflowing 31 bits:
306 //      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
307 // From "Random number generators: good ones are hard to find",
308 // Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
309 // October 1988, p. 1195.
310 //
311
312 __inline static long good_rand(long x)
313 {
314   long hi, lo;
315
316   // Can't be initialized with 0, so use another value.
317   if (x == 0) x = 123459876;
318   hi = x / 127773;
319   lo = x % 127773;
320   x = 16807 * lo - 2836 * hi;
321   if (x < 0) x += 0x7fffffff;
322   return x;
323 }
324
325 //
326 // srandom
327 //
328 // Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
329 // type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
330 // Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
331 // congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
332 // that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
333 // information a given number of times to get rid of any initial dependencies
334 // introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
335 // for default usage relies on values produced by this routine.
336
337 void RandomGenerator::srandom(unsigned long x)
338 {
339   long i, lim;
340
341   state[0] = x;
342   if (rand_type == TYPE_0)
343     lim = NSHUFF;
344   else
345   {
346     for (i = 1; i < rand_deg; i++) state[i] = good_rand(state[i - 1]);
347     fptr = &state[rand_sep];
348     rptr = &state[0];
349     lim = 10 * rand_deg;
350   }
351
352   initialized = 1;
353   for (i = 0; i < lim; i++) random();
354 }
355
356 #ifdef NOT_FOR_SUPERTUX     // use in supertux doesn't require these methods,
357                             // which are not portable to as many platforms as
358                             // SDL.  The cost is that the variability of the
359                             // initial seed is reduced to only 32 bits of
360                             // randomness, seemingly enough. PAK 060420
361 //
362 // srandomdev
363 //
364 // Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
365 // This often causes problems.  We seed the generator using the much more
366 // secure random() interface.  Note that this particular seeding
367 // procedure can generate states which are impossible to reproduce by
368 // calling srandom() with any value, since the succeeding terms in the
369 // state buffer are no longer derived from the LC algorithm applied to
370 // a fixed seed.
371
372 void RandomGenerator::srandomdev()
373 {
374   int fd, done;
375   size_t len;
376
377   if (rand_type == TYPE_0)
378     len = sizeof state[0];
379   else
380     len = rand_deg * sizeof state[0];
381
382   done = 0;
383   fd = open("/dev/urandom", O_RDONLY);
384   if (fd >= 0)
385    {
386      if (read(fd, state, len) == len) done = 1;
387      close(fd);
388    }
389
390   if (!done)
391   {
392     struct timeval tv;
393
394     gettimeofday(&tv, NULL);
395     srandom(tv.tv_sec ^ tv.tv_usec);
396     return;
397   }
398
399   if (rand_type != TYPE_0)
400   {
401     fptr = &state[rand_sep];
402     rptr = &state[0];
403   }
404   initialized = 1;
405 }
406
407 //
408 // initstate
409 //
410 // Initialize the state information in the given array of n bytes for future
411 // random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
412 // the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
413 // one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
414 // initialize the state information.
415 //
416 // Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
417 // multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
418 // successive calls to initstate() won't lose this information and will be
419 // able to restart with setstate().
420 //
421 // Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
422 // setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
423 //
424 // Returns a pointer to the old state.
425 //
426
427 char * RandomGenerator::initstate(unsigned long seed, char *arg_state, long n)
428 {
429   char *ostate = (char *) (&state[-1]);
430   long *long_arg_state = (long *) arg_state;
431
432   if (rand_type == TYPE_0)
433     state[-1] = rand_type;
434   else
435     state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
436
437   if (n < BREAK_0) return NULL;
438
439   if (n < BREAK_1)
440   {
441     rand_type = TYPE_0;
442     rand_deg = DEG_0;
443     rand_sep = SEP_0;
444   }
445   else if (n < BREAK_2)
446   {
447     rand_type = TYPE_1;
448     rand_deg = DEG_1;
449     rand_sep = SEP_1;
450   }
451   else if (n < BREAK_3)
452   {
453     rand_type = TYPE_2;
454     rand_deg = DEG_2;
455     rand_sep = SEP_2;
456   }
457   else if (n < BREAK_4)
458   {
459     rand_type = TYPE_3;
460     rand_deg = DEG_3;
461     rand_sep = SEP_3;
462   }
463   else
464   {
465     rand_type = TYPE_4;
466     rand_deg = DEG_4;
467     rand_sep = SEP_4;
468   }
469
470   state = (long *) (long_arg_state + 1); // First location
471   end_ptr = &state[rand_deg]; // Must set end_ptr before srandom
472   srandom(seed);
473
474   if (rand_type == TYPE_0)
475     long_arg_state[0] = rand_type;
476   else
477     long_arg_state[0] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
478
479   initialized = 1;
480   return ostate;
481 }
482
483 //
484 // setstate
485 //
486 // Restore the state from the given state array.
487 //
488 // Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
489 // in the current state information, and restore the locations of the pointers
490 // from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
491 // location into the zeroeth word of the state information.
492 //
493 // Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
494 // setstate() with the same state as the current state.
495 //
496 // Returns a pointer to the old state information.
497 //
498
499 char * RandomGenerator::setstate(char *arg_state)
500 {
501   long *new_state = (long *) arg_state;
502   long type = new_state[0] % MAX_TYPES;
503   long rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
504   char *ostate = (char *) (&state[-1]);
505
506   if (rand_type == TYPE_0)
507     state[-1] = rand_type;
508   else
509     state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
510
511   switch(type)
512   {
513     case TYPE_0:
514     case TYPE_1:
515     case TYPE_2:
516     case TYPE_3:
517     case TYPE_4:
518       rand_type = type;
519       rand_deg = degrees[type];
520       rand_sep = seps[type];
521       break;
522   }
523
524   state = (long *) (new_state + 1);
525   if (rand_type != TYPE_0)
526   {
527     rptr = &state[rear];
528     fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
529   }
530   end_ptr = &state[rand_deg];   // Set end_ptr too
531
532   initialized = 1;
533   return ostate;
534 }
535 #endif //NOT_FOR_SUPERTUX
536 //
537 // random:
538 //
539 // If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
540 // congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
541 // the same in all the other cases due to all the global variables that have
542 // been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
543 // into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
544 // the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
545 // generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
546 //
547 // Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
548 // rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
549 // pointer if the front one has wrapped.
550 //
551 // Returns a 31-bit random number.
552 //
553
554 long RandomGenerator::random()
555 {
556   long i;
557   long *f, *r;
558   if (!initialized) {
559       throw std::runtime_error("uninitialized RandomGenerator object");
560   }
561
562   if (rand_type == TYPE_0)
563   {
564     i = state[0];
565     state[0] = i = (good_rand(i)) & 0x7fffffff;
566   }
567   else
568   {
569     f = fptr; r = rptr;
570     *f += *r;
571     i = (*f >> 1) & 0x7fffffff; // Chucking least random bit
572     if (++f >= end_ptr)
573     {
574       f = state;
575       ++r;
576     }
577     else if (++r >= end_ptr)
578       r = state;
579
580     fptr = f; rptr = r;
581   }
582
583   return i;
584 }