I decided to delete whitespace from otherwise empty lines.
[bigint/bigint.git] / BigUnsigned.cc
index 4074822..f6a925c 100644 (file)
@@ -1,6 +1,5 @@
 /*
 * Matt McCutchen's Big Integer Library
-* http://mysite.verizon.net/mccutchen/bigint/
 */
 
 #include "BigUnsigned.hh"
@@ -219,11 +218,37 @@ BigUnsigned::CmpRes BigUnsigned::compareTo(const BigUnsigned &x) const {
 * See Section 4.3.1 of Knuth's ``The Art of Computer Programming''.
 */
 
+/*
+ * On most calls to put-here operations, it's safe to read the inputs little by
+ * little and write the outputs little by little.  However, if one of the
+ * inputs is coming from the same variable into which the output is to be
+ * stored (an "aliased" call), we risk overwriting the input before we read it.
+ * In this case, we first compute the result into a temporary BigUnsigned
+ * variable and then copy it into the requested output variable *this.
+ * Each put-here operation uses the DTRT_ALIASED macro (Do The Right Thing on
+ * aliased calls) to generate code for this check.
+ * 
+ * I adopted this approach on 2007.02.13 (see Assignment Operators in
+ * BigUnsigned.hh).  Before then, put-here operations rejected aliased calls
+ * with an exception.  I think doing the right thing is better.
+ * 
+ * Some of the put-here operations can probably handle aliased calls safely
+ * without the extra copy because (for example) they process blocks strictly
+ * right-to-left.  At some point I might determine which ones don't need the
+ * copy, but my reasoning would need to be verified very carefully.  For now
+ * I'll leave in the copy.
+ */
+#define DTRT_ALIASED(cond, op) \
+       if (cond) { \
+               BigUnsigned tmpThis; \
+               tmpThis.op; \
+               *this = tmpThis; \
+               return; \
+       }
+
 // Addition
 void BigUnsigned::add(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
-       // Block unsafe calls
-       if (this == &a || this == &b)
-               throw "BigUnsigned::add: One of the arguments is the invoked object";
+       DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, add(a, b));
        // If one argument is zero, copy the other.
        if (a.len == 0) {
                operator =(b);
@@ -284,9 +309,7 @@ void BigUnsigned::add(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
 
 // Subtraction
 void BigUnsigned::subtract(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
-       // Block unsafe calls
-       if (this == &a || this == &b)
-               throw "BigUnsigned::subtract: One of the arguments is the invoked object";
+       DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, subtract(a, b));
        // If b is zero, copy a.  If a is shorter than b, the result is negative.
        if (b.len == 0) {
                operator =(a);
@@ -398,9 +421,7 @@ inline BigUnsigned::Blk getShiftedBlock(const BigUnsigned &num,
 
 // Multiplication
 void BigUnsigned::multiply(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
-       // Block unsafe calls
-       if (this == &a || this == &b)
-               throw "BigUnsigned::multiply: One of the arguments is the invoked object";
+       DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, multiply(a, b));
        // If either a or b is zero, set to zero.
        if (a.len == 0 || b.len == 0) {
                len = 0;
@@ -428,7 +449,7 @@ void BigUnsigned::multiply(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
        for (i = 0; i < a.len; i++) {
                // For each 1-bit of that block...
                for (i2 = 0; i2 < N; i2++) {
-                       if ((a.blk[i] & (1 << i2)) == 0)
+                       if ((a.blk[i] & (Blk(1) << i2)) == 0)
                                continue;
                        /*
                        * Add b to this, shifted left i blocks and i2 bits.
@@ -484,12 +505,29 @@ void BigUnsigned::multiply(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
 * and provide outputs in the most convenient places so that no value ever needs
 * to be copied in its entirety.  That way, the client can perform exactly the
 * copying it needs depending on where the inputs are and where it wants the output.
+* A better name for this function might be "modWithQuotient", but I would rather
+* not change the name now.
 */
 void BigUnsigned::divideWithRemainder(const BigUnsigned &b, BigUnsigned &q) {
-       // Block unsafe calls
-       if (this == &b || &q == &b || this == &q)
-               throw "BigUnsigned::divideWithRemainder: Some two objects involved are the same";
-       
+       /*
+        * Defending against aliased calls is a bit tricky because we are
+        * writing to both *this and q.
+        * 
+        * It would be silly to try to write quotient and remainder to the
+        * same variable.  Rule that out right away.
+        */
+       if (this == &q)
+               throw "BigUnsigned::divideWithRemainder: Cannot write quotient and remainder into the same variable";
+       /*
+        * Now *this and q are separate, so the only concern is that b might be
+        * aliased to one of them.  If so, use a temporary copy of b.
+        */
+       if (this == &b || &q == &b) {
+               BigUnsigned tmpB(b);
+               divideWithRemainder(tmpB, q);
+               return;
+       }
+
        /*
        * Note that the mathematical definition of mod (I'm trusting Knuth) is somewhat
        * different from the way the normal C++ % operator behaves in the case of division by 0.
@@ -503,7 +541,7 @@ void BigUnsigned::divideWithRemainder(const BigUnsigned &b, BigUnsigned &q) {
                q.len = 0;
                return;
        }
-       
+
        /*
        * If *this.len < b.len, then *this < b, and we can be sure that b doesn't go into
        * *this at all.  The quotient is 0 and *this is already the remainder (so leave it alone).
@@ -512,11 +550,11 @@ void BigUnsigned::divideWithRemainder(const BigUnsigned &b, BigUnsigned &q) {
                q.len = 0;
                return;
        }
-       
+
        /*
        * At this point we know *this > b > 0.  (Whew!)
        */
-       
+
        /*
        * Overall method:
        *
@@ -548,7 +586,7 @@ void BigUnsigned::divideWithRemainder(const BigUnsigned &b, BigUnsigned &q) {
        unsigned int i2;
        Blk temp;
        bool borrowIn, borrowOut;
-       
+
        /*
        * Make sure we have an extra zero block just past the value.
        *
@@ -563,20 +601,21 @@ void BigUnsigned::divideWithRemainder(const BigUnsigned &b, BigUnsigned &q) {
        * amusing story of this section of code.
        */
        Index origLen = len; // Save real length.
+       // 2006.05.03: Copy the number and then change the length!
+       allocateAndCopy(len + 1); // Get the space.
        len++; // Increase the length.
-       allocateAndCopy(len); // Get the space.
        blk[origLen] = 0; // Zero the extra block.
-       
+
        // work2 holds part of the result of a subtraction; see above.
        Blk *work2 = new Blk[len];
-       
+
        // Set preliminary length for quotient and make room
        q.len = origLen - b.len + 1;
        q.allocate(q.len);
        // Zero out the quotient
        for (i = 0; i < q.len; i++)
                q.blk[i] = 0;
-       
+
        // For each possible left-shift of b in blocks...
        i = q.len;
        while (i > 0) {
@@ -623,7 +662,7 @@ void BigUnsigned::divideWithRemainder(const BigUnsigned &b, BigUnsigned &q) {
                        * the region of work2 we copy is just [i, k).
                        */
                        if (!borrowIn) {
-                               q.blk[i] |= (1 << i2);
+                               q.blk[i] |= (Blk(1) << i2);
                                while (k > i) {
                                        k--;
                                        blk[k] = work2[k];
@@ -639,7 +678,7 @@ void BigUnsigned::divideWithRemainder(const BigUnsigned &b, BigUnsigned &q) {
        // Deallocate temporary array.
        // (Thanks to Brad Spencer for noticing my accidental omission of this!)
        delete [] work2;
-       
+
 }
 /*
 * The out-of-bounds accesses story:
@@ -684,9 +723,7 @@ void BigUnsigned::divideWithRemainder(const BigUnsigned &b, BigUnsigned &q) {
 
 // Bitwise and
 void BigUnsigned::bitAnd(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
-       // Block unsafe calls
-       if (this == &a || this == &b)
-               throw "BigUnsigned::bitAnd: One of the arguments is the invoked object";
+       DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, bitAnd(a, b));
        len = (a.len >= b.len) ? b.len : a.len;
        allocate(len);
        Index i;
@@ -697,9 +734,7 @@ void BigUnsigned::bitAnd(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
 
 // Bitwise or
 void BigUnsigned::bitOr(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
-       // Block unsafe calls
-       if (this == &a || this == &b)
-               throw "BigUnsigned::bitOr: One of the arguments is the invoked object";
+       DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, bitOr(a, b));
        Index i;
        const BigUnsigned *a2, *b2;
        if (a.len >= b.len) {
@@ -719,9 +754,7 @@ void BigUnsigned::bitOr(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
 
 // Bitwise xor
 void BigUnsigned::bitXor(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
-       // Block unsafe calls
-       if (this == &a || this == &b)
-               throw "BigUnsigned::bitXor: One of the arguments is the invoked object";
+       DTRT_ALIASED(this == &a || this == &b, bitXor(a, b));
        Index i;
        const BigUnsigned *a2, *b2;
        if (a.len >= b.len) {
@@ -731,7 +764,7 @@ void BigUnsigned::bitXor(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
                a2 = &b;
                b2 = &a;
        }
-       allocate(b2->len);
+       allocate(a2->len);
        for (i = 0; i < b2->len; i++)
                blk[i] = a2->blk[i] ^ b2->blk[i];
        for (; i < a2->len; i++)
@@ -740,6 +773,51 @@ void BigUnsigned::bitXor(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
        zapLeadingZeros();
 }
 
+// Bitwise shift left
+void BigUnsigned::bitShiftLeft(const BigUnsigned &a, unsigned int b) {
+       DTRT_ALIASED(this == &a, bitShiftLeft(a, b));
+       Index shiftBlocks = b / N;
+       unsigned int shiftBits = b % N;
+       // + 1: room for high bits nudged left into another block
+       len = a.len + shiftBlocks + 1;
+       allocate(len);
+       Index i, j;
+       for (i = 0; i < shiftBlocks; i++)
+               blk[i] = 0;
+       for (j = 0, i = shiftBlocks; j <= a.len; j++, i++)
+               blk[i] = getShiftedBlock(a, j, shiftBits);
+       // Zap possible leading zero
+       if (blk[len - 1] == 0)
+               len--;
+}
+
+// Bitwise shift right
+void BigUnsigned::bitShiftRight(const BigUnsigned &a, unsigned int b) {
+       DTRT_ALIASED(this == &a, bitShiftRight(a, b));
+       // This calculation is wacky, but expressing the shift as a left bit shift
+       // within each block lets us use getShiftedBlock.
+       Index rightShiftBlocks = (b + N - 1) / N;
+       unsigned int leftShiftBits = N * rightShiftBlocks - b;
+       // Now (N * rightShiftBlocks - leftShiftBits) == b
+       // and 0 <= leftShiftBits < N.
+       if (rightShiftBlocks >= a.len + 1) {
+               // All of a is guaranteed to be shifted off, even considering the left
+               // bit shift.
+               len = 0;
+               return;
+       }
+       // Now we're allocating a positive amount.
+       // + 1: room for high bits nudged left into another block
+       len = a.len + 1 - rightShiftBlocks;
+       allocate(len);
+       Index i, j;
+       for (j = rightShiftBlocks, i = 0; j <= a.len; j++, i++)
+               blk[i] = getShiftedBlock(a, j, leftShiftBits);
+       // Zap possible leading zero
+       if (blk[len - 1] == 0)
+               len--;
+}
+
 // INCREMENT/DECREMENT OPERATORS
 
 // Prefix increment
@@ -752,8 +830,10 @@ void BigUnsigned::operator ++() {
        }
        if (carry) {
                // Matt fixed a bug 2004.12.24: next 2 lines used to say allocateAndCopy(len + 1)
+               // Matt fixed another bug 2006.04.24:
+               // old number only has len blocks, so copy before increasing length
+               allocateAndCopy(len + 1);
                len++;
-               allocateAndCopy(len);
                blk[i] = 1;
        }
 }