Indent comments an extra space so the stars line up.
[bigint/bigint.git] / BigUnsigned.cc
1 /*
2  * Matt McCutchen's Big Integer Library
3  */
4
5 #include "BigUnsigned.hh"
6
7 // The "management" routines that used to be here are now in NumberlikeArray.hh.
8
9 /*
10  * The steps for construction of a BigUnsigned
11  * from an integral value x are as follows:
12  * 1. If x is zero, create an empty BigUnsigned and stop.
13  * 2. If x is negative, throw an exception.
14  * 3. Allocate a one-block number array.
15  * 4. If x is of a signed type, convert x to the unsigned
16  *    type of the same length.
17  * 5. Expand x to a Blk, and store it in the number array.
18  *
19  * Since 2005.01.06, NumberlikeArray uses `NULL' rather
20  * than a real array if one of zero length is needed.
21  * These constructors implicitly call NumberlikeArray's
22  * default constructor, which sets `blk = NULL, cap = len = 0'.
23  * So if the input number is zero, they can just return.
24  * See remarks in `NumberlikeArray.hh'.
25  */
26
27 BigUnsigned::BigUnsigned(unsigned long x) {
28         if (x == 0)
29                 ; // NumberlikeArray already did all the work
30         else {
31                 cap = 1;
32                 blk = new Blk[1];
33                 len = 1;
34                 blk[0] = Blk(x);
35         }
36 }
37
38 BigUnsigned::BigUnsigned(long x) {
39         if (x == 0)
40                 ;
41         else if (x > 0) {
42                 cap = 1;
43                 blk = new Blk[1];
44                 len = 1;
45                 blk[0] = Blk(x);
46         } else
47         throw "BigUnsigned::BigUnsigned(long): Cannot construct a BigUnsigned from a negative number";
48 }
49
50 BigUnsigned::BigUnsigned(unsigned int x) {
51         if (x == 0)
52                 ;
53         else {
54                 cap = 1;
55                 blk = new Blk[1];
56                 len = 1;
57                 blk[0] = Blk(x);
58         }
59 }
60
61 BigUnsigned::BigUnsigned(int x) {
62         if (x == 0)
63                 ;
64         else if (x > 0) {
65                 cap = 1;
66                 blk = new Blk[1];
67                 len = 1;
68                 blk[0] = Blk(x);
69         } else
70         throw "BigUnsigned::BigUnsigned(int): Cannot construct a BigUnsigned from a negative number";
71 }
72
73 BigUnsigned::BigUnsigned(unsigned short x) {
74         if (x == 0)
75                 ;
76         else {
77                 cap = 1;
78                 blk = new Blk[1];
79                 len = 1;
80                 blk[0] = Blk(x);
81         }
82 }
83
84 BigUnsigned::BigUnsigned(short x) {
85         if (x == 0)
86                 ;
87         else if (x > 0) {
88                 cap = 1;
89                 blk = new Blk[1];
90                 len = 1;
91                 blk[0] = Blk(x);
92         } else
93         throw "BigUnsigned::BigUnsigned(short): Cannot construct a BigUnsigned from a negative number";
94 }
95
96 // CONVERTERS
97 /*
98  * The steps for conversion of a BigUnsigned to an
99  * integral type are as follows:
100  * 1. If the BigUnsigned is zero, return zero.
101  * 2. If it is more than one block long or its lowest
102  *    block has bits set out of the range of the target
103  *    type, throw an exception.
104  * 3. Otherwise, convert the lowest block to the
105  *    target type and return it.
106  */
107
108 namespace {
109         // These masks are used to test whether a Blk has bits
110         // set out of the range of a smaller integral type.  Note
111         // that this range is not considered to include the sign bit.
112         const BigUnsigned::Blk  lMask = ~0 >> 1;
113         const BigUnsigned::Blk uiMask = (unsigned int)(~0);
114         const BigUnsigned::Blk  iMask = uiMask >> 1;
115         const BigUnsigned::Blk usMask = (unsigned short)(~0);
116         const BigUnsigned::Blk  sMask = usMask >> 1;
117 }
118
119 BigUnsigned::operator unsigned long() const {
120         if (len == 0)
121                 return 0;
122         else if (len == 1)
123                 return (unsigned long) blk[0];
124         else
125                 throw "BigUnsigned::operator unsigned long: Value is too big for an unsigned long";
126 }
127
128 BigUnsigned::operator long() const {
129         if (len == 0)
130                 return 0;
131         else if (len == 1 && (blk[0] & lMask) == blk[0])
132                 return (long) blk[0];
133         else
134                 throw "BigUnsigned::operator long: Value is too big for a long";
135 }
136
137 BigUnsigned::operator unsigned int() const {
138         if (len == 0)
139                 return 0;
140         else if (len == 1 && (blk[0] & uiMask) == blk[0])
141                 return (unsigned int) blk[0];
142         else
143                 throw "BigUnsigned::operator unsigned int: Value is too big for an unsigned int";
144 }
145
146 BigUnsigned::operator int() const {
147         if (len == 0)
148                 return 0;
149         else if (len == 1 && (blk[0] & iMask) == blk[0])
150                 return (int) blk[0];
151         else
152                 throw "BigUnsigned::operator int: Value is too big for an int";
153 }
154
155 BigUnsigned::operator unsigned short() const {
156         if (len == 0)
157                 return 0;
158         else if (len == 1 && (blk[0] & usMask) == blk[0])
159                 return (unsigned short) blk[0];
160         else
161                 throw "BigUnsigned::operator unsigned short: Value is too big for an unsigned short";
162 }
163
164 BigUnsigned::operator short() const {
165         if (len == 0)
166                 return 0;
167         else if (len == 1 && (blk[0] & sMask) == blk[0])
168                 return (short) blk[0];
169         else
170                 throw "BigUnsigned::operator short: Value is too big for a short";
171 }
172
173 // COMPARISON
174 BigUnsigned::CmpRes BigUnsigned::compareTo(const BigUnsigned &x) const {
175         // A bigger length implies a bigger number.
176         if (len < x.len)
177                 return less;
178         else if (len > x.len)
179                 return greater;
180         else {
181                 // Compare blocks one by one from left to right.
182                 Index i = len;
183                 while (i > 0) {
184                         i--;
185                         if (blk[i] == x.blk[i])
186                                 continue;
187                         else if (blk[i] > x.blk[i])
188                                 return greater;
189                         else
190                                 return less;
191                 }
192                 // If no blocks differed, the numbers are equal.
193                 return equal;
194         }
195 }
196
197 // PUT-HERE OPERATIONS
198
199 /*
200  * Below are implementations of the four basic arithmetic operations
201  * for `BigUnsigned's.  Their purpose is to use a mechanism that can
202  * calculate the sum, difference, product, and quotient/remainder of
203  * two individual blocks in order to calculate the sum, difference,
204  * product, and quotient/remainder of two multi-block BigUnsigned
205  * numbers.
206  *
207  * As alluded to in the comment before class `BigUnsigned',
208  * these algorithms bear a remarkable similarity (in purpose, if
209  * not in implementation) to the way humans operate on big numbers.
210  * The built-in `+', `-', `*', `/' and `%' operators are analogous
211  * to elementary-school ``math facts'' and ``times tables''; the
212  * four routines below are analogous to ``long division'' and its
213  * relatives.  (Only a computer can ``memorize'' a times table with
214  * 18446744073709551616 entries!  (For 32-bit blocks.))
215  *
216  * The discovery of these four algorithms, called the ``classical
217  * algorithms'', marked the beginning of the study of computer science.
218  * See Section 4.3.1 of Knuth's ``The Art of Computer Programming''.
219  */
220
221 /*
222  * On most calls to put-here operations, it's safe to read the inputs little by
223  * little and write the outputs little by little.  However, if one of the
224  * inputs is coming from the same variable into which the output is to be
225  * stored (an "aliased" call), we risk overwriting the input before we read it.
226  * In this case, we first compute the result into a temporary BigUnsigned
227  * variable and then copy it into the requested output variable *this.
228  * Each put-here operation uses the DTRT_ALIASED macro (Do The Right Thing on
229  * aliased calls) to generate code for this check.
230  * 
231  * I adopted this approach on 2007.02.13 (see Assignment Operators in
232  * BigUnsigned.hh).  Before then, put-here operations rejected aliased calls
233  * with an exception.  I think doing the right thing is better.
234  * 
235  * Some of the put-here operations can probably handle aliased calls safely
236  * without the extra copy because (for example) they process blocks strictly
237  * right-to-left.  At some point I might determine which ones don't need the
238  * copy, but my reasoning would need to be verified very carefully.  For now
239  * I'll leave in the copy.
240  */
241 #define DTRT_ALIASED(cond, op) \
242         if (cond) { \
243                 BigUnsigned tmpThis; \
244                 tmpThis.op; \
245                 *this = tmpThis; \
246                 return; \
247         }
248
249 // Addition
250 void BigUnsigned::add(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
251         DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, add(a, b));
252         // If one argument is zero, copy the other.
253         if (a.len == 0) {
254                 operator =(b);
255                 return;
256         } else if (b.len == 0) {
257                 operator =(a);
258                 return;
259         }
260         // Some variables...
261         // Carries in and out of an addition stage
262         bool carryIn, carryOut;
263         Blk temp;
264         Index i;
265         // a2 points to the longer input, b2 points to the shorter
266         const BigUnsigned *a2, *b2;
267         if (a.len >= b.len) {
268                 a2 = &a;
269                 b2 = &b;
270         } else {
271                 a2 = &b;
272                 b2 = &a;
273         }
274         // Set prelimiary length and make room in this BigUnsigned
275         len = a2->len + 1;
276         allocate(len);
277         // For each block index that is present in both inputs...
278         for (i = 0, carryIn = false; i < b2->len; i++) {
279                 // Add input blocks
280                 temp = a2->blk[i] + b2->blk[i];
281                 // If a rollover occurred, the result is less than either input.
282                 // This test is used many times in the BigUnsigned code.
283                 carryOut = (temp < a2->blk[i]);
284                 // If a carry was input, handle it
285                 if (carryIn) {
286                         temp++;
287                         carryOut |= (temp == 0);
288                 }
289                 blk[i] = temp; // Save the addition result
290                 carryIn = carryOut; // Pass the carry along
291         }
292         // If there is a carry left over, increase blocks until
293         // one does not roll over.
294         for (; i < a2->len && carryIn; i++) {
295                 temp = a2->blk[i] + 1;
296                 carryIn = (temp == 0);
297                 blk[i] = temp;
298         }
299         // If the carry was resolved but the larger number
300         // still has blocks, copy them over.
301         for (; i < a2->len; i++)
302                 blk[i] = a2->blk[i];
303         // Set the extra block if there's still a carry, decrease length otherwise
304         if (carryIn)
305                 blk[i] = 1;
306         else
307                 len--;
308 }
309
310 // Subtraction
311 void BigUnsigned::subtract(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
312         DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, subtract(a, b));
313         // If b is zero, copy a.  If a is shorter than b, the result is negative.
314         if (b.len == 0) {
315                 operator =(a);
316                 return;
317         } else if (a.len < b.len)
318         throw "BigUnsigned::subtract: Negative result in unsigned calculation";
319         // Some variables...
320         bool borrowIn, borrowOut;
321         Blk temp;
322         Index i;
323         // Set preliminary length and make room
324         len = a.len;
325         allocate(len);
326         // For each block index that is present in both inputs...
327         for (i = 0, borrowIn = false; i < b.len; i++) {
328                 temp = a.blk[i] - b.blk[i];
329                 // If a reverse rollover occurred, the result is greater than the block from a.
330                 borrowOut = (temp > a.blk[i]);
331                 // Handle an incoming borrow
332                 if (borrowIn) {
333                         borrowOut |= (temp == 0);
334                         temp--;
335                 }
336                 blk[i] = temp; // Save the subtraction result
337                 borrowIn = borrowOut; // Pass the borrow along
338         }
339         // If there is a borrow left over, decrease blocks until
340         // one does not reverse rollover.
341         for (; i < a.len && borrowIn; i++) {
342                 borrowIn = (a.blk[i] == 0);
343                 blk[i] = a.blk[i] - 1;
344         }
345         // If there's still a borrow, the result is negative.
346         // Throw an exception, but zero out this object first just in case.
347         if (borrowIn) {
348                 len = 0;
349                 throw "BigUnsigned::subtract: Negative result in unsigned calculation";
350         } else // Copy over the rest of the blocks
351         for (; i < a.len; i++)
352                 blk[i] = a.blk[i];
353         // Zap leading zeros
354         zapLeadingZeros();
355 }
356
357 /*
358  * About the multiplication and division algorithms:
359  *
360  * I searched unsucessfully for fast built-in operations like the `b_0'
361  * and `c_0' Knuth describes in Section 4.3.1 of ``The Art of Computer
362  * Programming'' (replace `place' by `Blk'):
363  *
364  *    ``b_0[:] multiplication of a one-place integer by another one-place
365  *      integer, giving a two-place answer;
366  *
367  *    ``c_0[:] division of a two-place integer by a one-place integer,
368  *      provided that the quotient is a one-place integer, and yielding
369  *      also a one-place remainder.''
370  *
371  * I also missed his note that ``[b]y adjusting the word size, if
372  * necessary, nearly all computers will have these three operations
373  * available'', so I gave up on trying to use algorithms similar to his.
374  * A future version of the library might include such algorithms; I
375  * would welcome contributions from others for this.
376  *
377  * I eventually decided to use bit-shifting algorithms.  To multiply `a'
378  * and `b', we zero out the result.  Then, for each `1' bit in `a', we
379  * shift `b' left the appropriate amount and add it to the result.
380  * Similarly, to divide `a' by `b', we shift `b' left varying amounts,
381  * repeatedly trying to subtract it from `a'.  When we succeed, we note
382  * the fact by setting a bit in the quotient.  While these algorithms
383  * have the same O(n^2) time complexity as Knuth's, the ``constant factor''
384  * is likely to be larger.
385  *
386  * Because I used these algorithms, which require single-block addition
387  * and subtraction rather than single-block multiplication and division,
388  * the innermost loops of all four routines are very similar.  Study one
389  * of them and all will become clear.
390  */
391
392 /*
393  * This is a little inline function used by both the multiplication
394  * routine and the division routine.
395  *
396  * `getShiftedBlock' returns the `x'th block of `num << y'.
397  * `y' may be anything from 0 to N - 1, and `x' may be anything from
398  * 0 to `num.len'.
399  *
400  * Two things contribute to this block:
401  *
402  * (1) The `N - y' low bits of `num.blk[x]', shifted `y' bits left.
403  *
404  * (2) The `y' high bits of `num.blk[x-1]', shifted `N - y' bits right.
405  *
406  * But we must be careful if `x == 0' or `x == num.len', in
407  * which case we should use 0 instead of (2) or (1), respectively.
408  *
409  * If `y == 0', then (2) contributes 0, as it should.  However,
410  * in some computer environments, for a reason I cannot understand,
411  * `a >> b' means `a >> (b % N)'.  This means `num.blk[x-1] >> (N - y)'
412  * will return `num.blk[x-1]' instead of the desired 0 when `y == 0';
413  * the test `y == 0' handles this case specially.
414  */
415 inline BigUnsigned::Blk getShiftedBlock(const BigUnsigned &num,
416         BigUnsigned::Index x, unsigned int y) {
417         BigUnsigned::Blk part1 = (x == 0 || y == 0) ? 0 : (num.blk[x - 1] >> (BigUnsigned::N - y));
418         BigUnsigned::Blk part2 = (x == num.len) ? 0 : (num.blk[x] << y);
419         return part1 | part2;
420 }
421
422 // Multiplication
423 void BigUnsigned::multiply(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
424         DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, multiply(a, b));
425         // If either a or b is zero, set to zero.
426         if (a.len == 0 || b.len == 0) {
427                 len = 0;
428                 return;
429         }
430         /*
431          * Overall method:
432          *
433          * Set this = 0.
434          * For each 1-bit of `a' (say the `i2'th bit of block `i'):
435          *    Add `b << (i blocks and i2 bits)' to *this.
436          */
437         // Variables for the calculation
438         Index i, j, k;
439         unsigned int i2;
440         Blk temp;
441         bool carryIn, carryOut;
442         // Set preliminary length and make room
443         len = a.len + b.len;
444         allocate(len);
445         // Zero out this object
446         for (i = 0; i < len; i++)
447                 blk[i] = 0;
448         // For each block of the first number...
449         for (i = 0; i < a.len; i++) {
450                 // For each 1-bit of that block...
451                 for (i2 = 0; i2 < N; i2++) {
452                         if ((a.blk[i] & (Blk(1) << i2)) == 0)
453                                 continue;
454                         /*
455                          * Add b to this, shifted left i blocks and i2 bits.
456                          * j is the index in b, and k = i + j is the index in this.
457                          *
458                          * `getShiftedBlock', a short inline function defined above,
459                          * is now used for the bit handling.  It replaces the more
460                          * complex `bHigh' code, in which each run of the loop dealt
461                          * immediately with the low bits and saved the high bits to
462                          * be picked up next time.  The last run of the loop used to
463                          * leave leftover high bits, which were handled separately.
464                          * Instead, this loop runs an additional time with j == b.len.
465                          * These changes were made on 2005.01.11.
466                          */
467                         for (j = 0, k = i, carryIn = false; j <= b.len; j++, k++) {
468                                 /*
469                                  * The body of this loop is very similar to the body of the first loop
470                                  * in `add', except that this loop does a `+=' instead of a `+'.
471                                  */
472                                 temp = blk[k] + getShiftedBlock(b, j, i2);
473                                 carryOut = (temp < blk[k]);
474                                 if (carryIn) {
475                                         temp++;
476                                         carryOut |= (temp == 0);
477                                 }
478                                 blk[k] = temp;
479                                 carryIn = carryOut;
480                         }
481                         // No more extra iteration to deal with `bHigh'.
482                         // Roll-over a carry as necessary.
483                         for (; carryIn; k++) {
484                                 blk[k]++;
485                                 carryIn = (blk[k] == 0);
486                         }
487                 }
488         }
489         // Zap possible leading zero
490         if (blk[len - 1] == 0)
491                 len--;
492 }
493
494 /*
495  * DIVISION WITH REMAINDER
496  * The functionality of divide, modulo, and %= is included in this one monstrous call,
497  * which deserves some explanation.
498  *
499  * The division *this / b is performed.
500  * Afterwards, q has the quotient, and *this has the remainder.
501  * Thus, a call is like q = *this / b, *this %= b.
502  *
503  * This seemingly bizarre pattern of inputs and outputs has a justification.  The
504  * ``put-here operations'' are supposed to be fast.  Therefore, they accept inputs
505  * and provide outputs in the most convenient places so that no value ever needs
506  * to be copied in its entirety.  That way, the client can perform exactly the
507  * copying it needs depending on where the inputs are and where it wants the output.
508  * A better name for this function might be "modWithQuotient", but I would rather
509  * not change the name now.
510  */
511 void BigUnsigned::divideWithRemainder(const BigUnsigned &b, BigUnsigned &q) {
512         /*
513          * Defending against aliased calls is a bit tricky because we are
514          * writing to both *this and q.
515          * 
516          * It would be silly to try to write quotient and remainder to the
517          * same variable.  Rule that out right away.
518          */
519         if (this == &q)
520                 throw "BigUnsigned::divideWithRemainder: Cannot write quotient and remainder into the same variable";
521         /*
522          * Now *this and q are separate, so the only concern is that b might be
523          * aliased to one of them.  If so, use a temporary copy of b.
524          */
525         if (this == &b || &q == &b) {
526                 BigUnsigned tmpB(b);
527                 divideWithRemainder(tmpB, q);
528                 return;
529         }
530
531         /*
532          * Note that the mathematical definition of mod (I'm trusting Knuth) is somewhat
533          * different from the way the normal C++ % operator behaves in the case of division by 0.
534          * This function does it Knuth's way.
535          *
536          * We let a / 0 == 0 (it doesn't matter) and a % 0 == a, no exceptions thrown.
537          * This allows us to preserve both Knuth's demand that a mod 0 == a
538          * and the useful property that (a / b) * b + (a % b) == a.
539          */
540         if (b.len == 0) {
541                 q.len = 0;
542                 return;
543         }
544
545         /*
546          * If *this.len < b.len, then *this < b, and we can be sure that b doesn't go into
547          * *this at all.  The quotient is 0 and *this is already the remainder (so leave it alone).
548          */
549         if (len < b.len) {
550                 q.len = 0;
551                 return;
552         }
553
554         /*
555          * At this point we know *this > b > 0.  (Whew!)
556          */
557
558         /*
559          * Overall method:
560          *
561          * For each appropriate i and i2, decreasing:
562          *    Try to subtract (b << (i blocks and i2 bits)) from *this.
563          *        (`work2' holds the result of this subtraction.)
564          *    If the result is nonnegative:
565          *        Turn on bit i2 of block i of the quotient q.
566          *        Save the result of the subtraction back into *this.
567          *    Otherwise:
568          *        Bit i2 of block i remains off, and *this is unchanged.
569          * 
570          * Eventually q will contain the entire quotient, and *this will
571          * be left with the remainder.
572          *
573          * We use work2 to temporarily store the result of a subtraction.
574          * work2[x] corresponds to blk[x], not blk[x+i], since 2005.01.11.
575          * If the subtraction is successful, we copy work2 back to blk.
576          * (There's no `work1'.  In a previous version, when division was
577          * coded for a read-only dividend, `work1' played the role of
578          * the here-modifiable `*this' and got the remainder.)
579          *
580          * We never touch the i lowest blocks of either blk or work2 because
581          * they are unaffected by the subtraction: we are subtracting
582          * (b << (i blocks and i2 bits)), which ends in at least `i' zero blocks.
583          */
584         // Variables for the calculation
585         Index i, j, k;
586         unsigned int i2;
587         Blk temp;
588         bool borrowIn, borrowOut;
589
590         /*
591          * Make sure we have an extra zero block just past the value.
592          *
593          * When we attempt a subtraction, we might shift `b' so
594          * its first block begins a few bits left of the dividend,
595          * and then we'll try to compare these extra bits with
596          * a nonexistent block to the left of the dividend.  The
597          * extra zero block ensures sensible behavior; we need
598          * an extra block in `work2' for exactly the same reason.
599          *
600          * See below `divideWithRemainder' for the interesting and
601          * amusing story of this section of code.
602          */
603         Index origLen = len; // Save real length.
604         // 2006.05.03: Copy the number and then change the length!
605         allocateAndCopy(len + 1); // Get the space.
606         len++; // Increase the length.
607         blk[origLen] = 0; // Zero the extra block.
608
609         // work2 holds part of the result of a subtraction; see above.
610         Blk *work2 = new Blk[len];
611
612         // Set preliminary length for quotient and make room
613         q.len = origLen - b.len + 1;
614         q.allocate(q.len);
615         // Zero out the quotient
616         for (i = 0; i < q.len; i++)
617                 q.blk[i] = 0;
618
619         // For each possible left-shift of b in blocks...
620         i = q.len;
621         while (i > 0) {
622                 i--;
623                 // For each possible left-shift of b in bits...
624                 // (Remember, N is the number of bits in a Blk.)
625                 q.blk[i] = 0;
626                 i2 = N;
627                 while (i2 > 0) {
628                         i2--;
629                         /*
630                          * Subtract b, shifted left i blocks and i2 bits, from *this,
631                          * and store the answer in work2.  In the for loop, `k == i + j'.
632                          *
633                          * Compare this to the middle section of `multiply'.  They
634                          * are in many ways analogous.  See especially the discussion
635                          * of `getShiftedBlock'.
636                          */
637                         for (j = 0, k = i, borrowIn = false; j <= b.len; j++, k++) {
638                                 temp = blk[k] - getShiftedBlock(b, j, i2);
639                                 borrowOut = (temp > blk[k]);
640                                 if (borrowIn) {
641                                         borrowOut |= (temp == 0);
642                                         temp--;
643                                 }
644                                 // Since 2005.01.11, indices of `work2' directly match those of `blk', so use `k'.
645                                 work2[k] = temp; 
646                                 borrowIn = borrowOut;
647                         }
648                         // No more extra iteration to deal with `bHigh'.
649                         // Roll-over a borrow as necessary.
650                         for (; k < origLen && borrowIn; k++) {
651                                 borrowIn = (blk[k] == 0);
652                                 work2[k] = blk[k] - 1;
653                         }
654                         /*
655                          * If the subtraction was performed successfully (!borrowIn),
656                          * set bit i2 in block i of the quotient.
657                          *
658                          * Then, copy the portion of work2 filled by the subtraction
659                          * back to *this.  This portion starts with block i and ends--
660                          * where?  Not necessarily at block `i + b.len'!  Well, we
661                          * increased k every time we saved a block into work2, so
662                          * the region of work2 we copy is just [i, k).
663                          */
664                         if (!borrowIn) {
665                                 q.blk[i] |= (Blk(1) << i2);
666                                 while (k > i) {
667                                         k--;
668                                         blk[k] = work2[k];
669                                 }
670                         } 
671                 }
672         }
673         // Zap possible leading zero in quotient
674         if (q.blk[q.len - 1] == 0)
675                 q.len--;
676         // Zap any/all leading zeros in remainder
677         zapLeadingZeros();
678         // Deallocate temporary array.
679         // (Thanks to Brad Spencer for noticing my accidental omission of this!)
680         delete [] work2;
681
682 }
683 /*
684  * The out-of-bounds accesses story:
685  * 
686  * On 2005.01.06 or 2005.01.07 (depending on your time zone),
687  * Milan Tomic reported out-of-bounds memory accesses in
688  * the Big Integer Library.  To investigate the problem, I
689  * added code to bounds-check every access to the `blk' array
690  * of a `NumberlikeArray'.
691  *
692  * This gave me warnings that fell into two categories of false
693  * positives.  The bounds checker was based on length, not
694  * capacity, and in two places I had accessed memory that I knew
695  * was inside the capacity but that wasn't inside the length:
696  * 
697  * (1) The extra zero block at the left of `*this'.  Earlier
698  * versions said `allocateAndCopy(len + 1); blk[len] = 0;'
699  * but did not increment `len'.
700  *
701  * (2) The entire digit array in the conversion constructor
702  * ``BigUnsignedInABase(BigUnsigned)''.  It was allocated with
703  * a conservatively high capacity, but the length wasn't set
704  * until the end of the constructor.
705  *
706  * To simplify matters, I changed both sections of code so that
707  * all accesses occurred within the length.  The messages went
708  * away, and I told Milan that I couldn't reproduce the problem,
709  * sending a development snapshot of the bounds-checked code.
710  *
711  * Then, on 2005.01.09-10, he told me his debugger still found
712  * problems, specifically at the line `delete [] work2'.
713  * It was `work2', not `blk', that was causing the problems;
714  * this possibility had not occurred to me at all.  In fact,
715  * the problem was that `work2' needed an extra block just
716  * like `*this'.  Go ahead and laugh at me for finding (1)
717  * without seeing what was actually causing the trouble.  :-)
718  *
719  * The 2005.01.11 version fixes this problem.  I hope this is
720  * the last of my memory-related bloopers.  So this is what
721  * starts happening to your C++ code if you use Java too much!
722  */
723
724 // Bitwise and
725 void BigUnsigned::bitAnd(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
726         DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, bitAnd(a, b));
727         len = (a.len >= b.len) ? b.len : a.len;
728         allocate(len);
729         Index i;
730         for (i = 0; i < len; i++)
731                 blk[i] = a.blk[i] & b.blk[i];
732         zapLeadingZeros();
733 }
734
735 // Bitwise or
736 void BigUnsigned::bitOr(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
737         DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, bitOr(a, b));
738         Index i;
739         const BigUnsigned *a2, *b2;
740         if (a.len >= b.len) {
741                 a2 = &a;
742                 b2 = &b;
743         } else {
744                 a2 = &b;
745                 b2 = &a;
746         }
747         allocate(a2->len);
748         for (i = 0; i < b2->len; i++)
749                 blk[i] = a2->blk[i] | b2->blk[i];
750         for (; i < a2->len; i++)
751                 blk[i] = a2->blk[i];
752         len = a2->len;
753 }
754
755 // Bitwise xor
756 void BigUnsigned::bitXor(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
757         DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, bitXor(a, b));
758         Index i;
759         const BigUnsigned *a2, *b2;
760         if (a.len >= b.len) {
761                 a2 = &a;
762                 b2 = &b;
763         } else {
764                 a2 = &b;
765                 b2 = &a;
766         }
767         allocate(a2->len);
768         for (i = 0; i < b2->len; i++)
769                 blk[i] = a2->blk[i] ^ b2->blk[i];
770         for (; i < a2->len; i++)
771                 blk[i] = a2->blk[i];
772         len = a2->len;
773         zapLeadingZeros();
774 }
775
776 // Bitwise shift left
777 void BigUnsigned::bitShiftLeft(const BigUnsigned &a, unsigned int b) {
778         DTRT_ALIASED(this == &a, bitShiftLeft(a, b));
779         Index shiftBlocks = b / N;
780         unsigned int shiftBits = b % N;
781         // + 1: room for high bits nudged left into another block
782         len = a.len + shiftBlocks + 1;
783         allocate(len);
784         Index i, j;
785         for (i = 0; i < shiftBlocks; i++)
786                 blk[i] = 0;
787         for (j = 0, i = shiftBlocks; j <= a.len; j++, i++)
788                 blk[i] = getShiftedBlock(a, j, shiftBits);
789         // Zap possible leading zero
790         if (blk[len - 1] == 0)
791                 len--;
792 }
793
794 // Bitwise shift right
795 void BigUnsigned::bitShiftRight(const BigUnsigned &a, unsigned int b) {
796         DTRT_ALIASED(this == &a, bitShiftRight(a, b));
797         // This calculation is wacky, but expressing the shift as a left bit shift
798         // within each block lets us use getShiftedBlock.
799         Index rightShiftBlocks = (b + N - 1) / N;
800         unsigned int leftShiftBits = N * rightShiftBlocks - b;
801         // Now (N * rightShiftBlocks - leftShiftBits) == b
802         // and 0 <= leftShiftBits < N.
803         if (rightShiftBlocks >= a.len + 1) {
804                 // All of a is guaranteed to be shifted off, even considering the left
805                 // bit shift.
806                 len = 0;
807                 return;
808         }
809         // Now we're allocating a positive amount.
810         // + 1: room for high bits nudged left into another block
811         len = a.len + 1 - rightShiftBlocks;
812         allocate(len);
813         Index i, j;
814         for (j = rightShiftBlocks, i = 0; j <= a.len; j++, i++)
815                 blk[i] = getShiftedBlock(a, j, leftShiftBits);
816         // Zap possible leading zero
817         if (blk[len - 1] == 0)
818                 len--;
819 }
820
821 // INCREMENT/DECREMENT OPERATORS
822
823 // Prefix increment
824 void BigUnsigned::operator ++() {
825         Index i;
826         bool carry = true;
827         for (i = 0; i < len && carry; i++) {
828                 blk[i]++;
829                 carry = (blk[i] == 0);
830         }
831         if (carry) {
832                 // Matt fixed a bug 2004.12.24: next 2 lines used to say allocateAndCopy(len + 1)
833                 // Matt fixed another bug 2006.04.24:
834                 // old number only has len blocks, so copy before increasing length
835                 allocateAndCopy(len + 1);
836                 len++;
837                 blk[i] = 1;
838         }
839 }
840
841 // Postfix increment: same as prefix
842 void BigUnsigned::operator ++(int) {
843         operator ++();
844 }
845
846 // Prefix decrement
847 void BigUnsigned::operator --() {
848         if (len == 0)
849                 throw "BigUnsigned::operator --(): Cannot decrement an unsigned zero";
850         Index i;
851         bool borrow = true;
852         for (i = 0; borrow; i++) {
853                 borrow = (blk[i] == 0);
854                 blk[i]--;
855         }
856         // Zap possible leading zero (there can only be one)
857         if (blk[len - 1] == 0)
858                 len--;
859 }
860
861 // Postfix decrement: same as prefix
862 void BigUnsigned::operator --(int) {
863         operator --();
864 }