Append _H to anti-multiple-inclusion macros.
[bigint/bigint.git] / BigUnsigned.hh
index 2a55625..3af3866 100644 (file)
@@ -1,40 +1,35 @@
-/*
-* Matt McCutchen's Big Integer Library
-* http://mysite.verizon.net/mccutchen/bigint/
-*/
-
-#ifndef BIGUNSIGNED
-#define BIGUNSIGNED
+#ifndef BIGUNSIGNED_H
+#define BIGUNSIGNED_H
 
 #include "NumberlikeArray.hh"
 
 /*
-* A BigUnsigned object represents a nonnegative integer of size
-* limited only by available memory.  A BigUnsigned can be
-* created from and converted back to most integral types,
-* and many math operations are defined on BigUnsigneds.
-*
-* The number is stored as a series of blocks in a
-* dynamically allocated array.  It is as if the number
-* were written digit by digit in base 2 ^ N, **where N is the
-* number of bits in an unsigned long.**
-*
-* The memory-management details that used to be in here have
-* been moved into NumberlikeArray, which BigUnsigned now derives from.
-* `(NlA)' means that member(s) are declared identically in NumberlikeArray.
-* Such members are either redeclared here to make them public or are
-* here, commented out, for reference.
-*/
+ * A BigUnsigned object represents a nonnegative integer of size
+ * limited only by available memory.  A BigUnsigned can be
+ * created from and converted back to most integral types,
+ * and many math operations are defined on BigUnsigneds.
+ *
+ * The number is stored as a series of blocks in a
+ * dynamically allocated array.  It is as if the number
+ * were written digit by digit in base 2 ^ N, **where N is the
+ * number of bits in an unsigned long.**
+ *
+ * The memory-management details that used to be in here have
+ * been moved into NumberlikeArray, which BigUnsigned now derives from.
+ * `(NlA)' means that member(s) are declared identically in NumberlikeArray.
+ * Such members are either redeclared here to make them public or are
+ * here, commented out, for reference.
+ */
 
 class BigUnsigned : protected NumberlikeArray<unsigned long> {
-       
+
        // TYPES & CONSTANTS
        public:
        enum CmpRes { less = -1, equal = 0, greater = 1 }; // Enumeration for the result of a comparison
        typedef unsigned long Blk; // The number block type that BigUnsigneds are built from
        typedef NumberlikeArray<Blk>::Index Index; // (NlA) Type for the index of a block in the array
        NumberlikeArray<Blk>::N; // Number of bits in a Blk
-       
+
        /*
        // FIELDS
        protected:
@@ -42,34 +37,34 @@ class BigUnsigned : protected NumberlikeArray<unsigned long> {
        Index len; // (NlA) The actual length of the number stored in this BigUnsigned (in blocks)
        Blk *blk; // (NlA) Dynamically allocated array of the number blocks
        */
-       
+
        // MANAGEMENT
        protected:
        // These members generally defer to those in NumberlikeArray, possibly with slight changes.
        // It might be nice if one could request that constructors be inherited in C++.
-       
+
        BigUnsigned(int, Index c) : NumberlikeArray<Blk>(0, c) {} // Creates a BigUnsigned with a capacity
-       
+
        void zapLeadingZeros() { // Decreases len to eliminate leading zeros
                while (len > 0 && blk[len - 1] == 0)
                        len--;
        }
-       
+
        //void allocate(Index c); // (NlA) Ensures the number array has at least the indicated capacity, maybe discarding contents
        //void allocateAndCopy(Index c); // (NlA) Ensures the number array has at least the indicated capacity, preserving its contents
-       
+
        public:
        BigUnsigned() : NumberlikeArray<Blk>() {} // Default constructor (value is 0)
        BigUnsigned(const BigUnsigned &x) : NumberlikeArray<Blk>(x) {} // Copy constructor
-       
+
        void operator=(const BigUnsigned &x) { // Assignment operator
                NumberlikeArray<Blk>::operator =(x);
        }
-       
+
        BigUnsigned(const Blk *b, Index l) : NumberlikeArray<Blk>(b, l) { // Constructor from an array of blocks
                zapLeadingZeros();
        }
-       
+
        // Constructors from integral types
        BigUnsigned(unsigned long  x);
        BigUnsigned(         long  x);
@@ -78,7 +73,7 @@ class BigUnsigned : protected NumberlikeArray<unsigned long> {
        BigUnsigned(unsigned short x);
        BigUnsigned(         short x);
        ~BigUnsigned() {} // Destructor
-       
+
        // CONVERTERS to integral types
        public:
        operator unsigned long () const;
@@ -87,7 +82,7 @@ class BigUnsigned : protected NumberlikeArray<unsigned long> {
        operator          int  () const;
        operator unsigned short() const;
        operator          short() const;
-       
+
        // PICKING APART
        // These accessors can be used to get the pieces of the number
        public:
@@ -98,57 +93,64 @@ class BigUnsigned : protected NumberlikeArray<unsigned long> {
        Blk getBlock(Index i) const { return i >= len ? 0 : blk[i]; }
        // Note how we replace one level of abstraction with another.  Isn't that neat?
        bool isZero() const { return NumberlikeArray<Blk>::isEmpty(); } // Often convenient for loops
-       
+
        // COMPARISONS
        public:
        // Compares this to x like Perl's <=>
        CmpRes compareTo(const BigUnsigned &x) const;
        // Normal comparison operators
-       NumberlikeArray<Blk>::operator ==; // (NlA) The body used to be `{ return compareTo(x) == equal; }'.  For performance reasons we use NumberlikeArray code that only worries about (in)equality and doesn't waste time determining which is bigger
-       NumberlikeArray<Blk>::operator !=; // (NlA) Ditto.
+       // Bug fixed 2006.04.24: Only we, not the user, can pass a BigUnsigned off as a
+       // NumberlikeArray, so we have to wrap == and !=.
+       bool operator ==(const BigUnsigned &x) const {
+               return NumberlikeArray<Blk>::operator ==(x);
+       }
+       bool operator !=(const BigUnsigned &x) const {
+               return NumberlikeArray<Blk>::operator !=(x);
+       }
        bool operator < (const BigUnsigned &x) const { return compareTo(x) == less   ; }
        bool operator <=(const BigUnsigned &x) const { return compareTo(x) != greater; }
        bool operator >=(const BigUnsigned &x) const { return compareTo(x) != less   ; }
        bool operator > (const BigUnsigned &x) const { return compareTo(x) == greater; }
 
        /*
-       * BigUnsigned and BigInteger both provide three kinds of operators.
-       * Here ``big-integer'' refers to BigInteger or BigUnsigned.
-       *
-       * (1) Overloaded ``return-by-value'' operators:
-       *     +, -, *, /, %, unary -.
-       * Big-integer code using these operators looks identical to
-       * code using the primitive integer types.  These operators take
-       * one or two big-integer inputs and return a big-integer result,
-       * which can then be assigned to a BigInteger variable or used
-       * in an expression.  Example:
-       *     BigInteger a(1), b = 1;
-       *     BigInteger c = a + b;
-       *
-       * (2) Overloaded assignment operators:
-       *     +=, -=, *=, /=, %=, &=, |=, ^=, ++, --, flipSign.
-       * Again, these are used on big integers just like on ints.
-       * They take one writable big integer that both provides an
-       * operand and receives a result.  The first eight also take
-       * a second read-only operand.  Example:
-       *     BigInteger a(1), b(1);
-       *     a += b;
-       *
-       * (3) ``Put-here'' operations: `add', `subtract', etc.
-       * Using a return-by-value or assignment operator generally involves
-       * copy constructions and/or assignments.  The ``put-here'' operations
-       * require none, but they are more of a hassle to use.  Most take two
-       * read-only operands and save the result in the calling object `*this',
-       * whose previous value is ignored.  `divideWithRemainder' is an exception.
-       * <<< NOTE >>>: Put-here operations do not return a value: they don't need to!!
-       * Examples:
-       *     BigInteger a(43), b(7), c, d;
-       *     c = a + b;   // Now c == 50.
-       *     c.add(a, b); // Same effect but without the two bulk-copies.
-       *     c.divideWithRemainder(b, d); // 50 / 7; now d == 7 (quotient) and c == 1 (remainder).
-       *     a.add(a, b); // Unsafe ``aliased'' call; causes a runtime error.
-       */
-       
+        * BigUnsigned and BigInteger both provide three kinds of operators.
+        * Here ``big-integer'' refers to BigInteger or BigUnsigned.
+        *
+        * (1) Overloaded ``return-by-value'' operators:
+        *     +, -, *, /, %, unary -.
+        * Big-integer code using these operators looks identical to
+        * code using the primitive integer types.  These operators take
+        * one or two big-integer inputs and return a big-integer result,
+        * which can then be assigned to a BigInteger variable or used
+        * in an expression.  Example:
+        *     BigInteger a(1), b = 1;
+        *     BigInteger c = a + b;
+        *
+        * (2) Overloaded assignment operators:
+        *     +=, -=, *=, /=, %=, &=, |=, ^=, ++, --, flipSign.
+        * Again, these are used on big integers just like on ints.
+        * They take one writable big integer that both provides an
+        * operand and receives a result.  The first eight also take
+        * a second read-only operand.  Example:
+        *     BigInteger a(1), b(1);
+        *     a += b;
+        *
+        * (3) ``Put-here'' operations: `add', `subtract', etc.
+        * Using a return-by-value or assignment operator generally involves
+        * copy constructions and/or assignments.  The ``put-here'' operations
+        * require none, but they are more of a hassle to use.  Most take two
+        * read-only operands and save the result in the calling object `*this',
+        * whose previous value is ignored.  `divideWithRemainder' is an exception.
+        * <<< NOTE >>>: Put-here operations do not return a value: they don't need to!!
+        * Examples:
+        *     BigInteger a(43), b(7), c, d;
+        *     c = a + b;   // Now c == 50.
+        *     c.add(a, b); // Same effect but without the two bulk-copies.
+        *     c.divideWithRemainder(b, d); // 50 / 7; now d == 7 (quotient) and c == 1 (remainder).
+        *     a.add(a, b); // ``Aliased'' calls now do the right thing using a
+        *              // temporary copy, but see note on divideWithRemainder.
+        */
+
        // PUT-HERE OPERATIONS
        public:
        /* These 3: Two read-only operands as arguments.  Result left in *this. */
@@ -156,40 +158,37 @@ class BigUnsigned : protected NumberlikeArray<unsigned long> {
        void subtract(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b); // Subtraction
        void multiply(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b); // Multiplication
        /* Divisive stuff
-       * `a.divideWithRemainder(b, q)' is like `q = a / b, a %= b'.
-       * Semantics similar to Donald E. Knuth's are used for / and %,
-       * and these differ from the semantics of primitive-type
-       * / and % under division by zero.
-       * Look in `BigUnsigned.cc' for details.
-       */
+        * `a.divideWithRemainder(b, q)' is like `q = a / b, a %= b'.
+        * Semantics similar to Donald E. Knuth's are used for / and %,
+        * and these differ from the semantics of primitive-type
+        * / and % under division by zero.
+        * Look in `BigUnsigned.cc' for details.
+        * `a.divideWithRemainder(b, a)' causes an exception: it doesn't make
+        * sense to write quotient and remainder into the same variable.
+        */
        void divideWithRemainder(const BigUnsigned &b, BigUnsigned &q);
        void divide(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
-               // Division, deprecated and provided for backward compatibility
                BigUnsigned a2(a);
                a2.divideWithRemainder(b, *this);
                // quotient now in *this
                // don't care about remainder left in a2
        }
        void modulo(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b) {
-               // Modular reduction, deprecated and provided for backward compatibility
                *this = a;
                BigUnsigned q;
                divideWithRemainder(b, q);
                // remainder now in *this
                // don't care about quotient left in q
        }
-       // Bitwise operations.  Two read-only operands as arguments.  Result left in *this.
+       // Bitwise operations.  Result left in *this.
        // These are not provided for BigIntegers; I think that using them on BigIntegers
        // will discard the sign first.
        void bitAnd(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b); // Bitwise AND
        void bitOr(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b); // Bitwise OR
        void bitXor(const BigUnsigned &a, const BigUnsigned &b); // Bitwise XOR
-       
-       // These functions are declared but not defined.  (Sorry.)
-       // Trying to call either will result in a link-time error.
        void bitShiftLeft(const BigUnsigned &a, unsigned int b); // Bitwise left shift
        void bitShiftRight(const BigUnsigned &a, unsigned int b); // Bitwise right shift
-       
+
        // NORMAL OPERATORS
        // These perform the operation on this (to the left of the operator)
        // and x (to the right of the operator) and return a new BigUnsigned with the result.
@@ -202,7 +201,12 @@ class BigUnsigned : protected NumberlikeArray<unsigned long> {
        BigUnsigned operator &(const BigUnsigned &x) const; // Bitwise AND
        BigUnsigned operator |(const BigUnsigned &x) const; // Bitwise OR
        BigUnsigned operator ^(const BigUnsigned &x) const; // Bitwise XOR
-       
+       BigUnsigned operator <<(unsigned int b) const; // Bitwise left shift
+       BigUnsigned operator >>(unsigned int b) const; // Bitwise right shift
+       // Additional operators in an attempt to avoid overloading tangles.
+       BigUnsigned operator <<(int b) const;
+       BigUnsigned operator >>(int b) const;
+
        // ASSIGNMENT OPERATORS
        // These perform the operation on this and x, storing the result into this.
        public:
@@ -214,7 +218,12 @@ class BigUnsigned : protected NumberlikeArray<unsigned long> {
        void operator &=(const BigUnsigned &x); // Bitwise AND
        void operator |=(const BigUnsigned &x); // Bitwise OR
        void operator ^=(const BigUnsigned &x); // Bitwise XOR
-       
+       void operator <<=(unsigned int b); // Bitwise left shift
+       void operator >>=(unsigned int b); // Bitwise right shift
+       // Additional operators in an attempt to avoid overloading tangles.
+       void operator <<=(int b);
+       void operator >>=(int b);
+
        // INCREMENT/DECREMENT OPERATORS
        // These increase or decrease the number by 1.  To discourage side effects,
        // these do not return *this, so prefix and postfix behave the same.
@@ -223,15 +232,15 @@ class BigUnsigned : protected NumberlikeArray<unsigned long> {
        void operator ++(int); // Postfix decrement
        void operator --(   ); // Prefix  increment
        void operator --(int); // Postfix decrement
-       
+
        // Helper function that needs access to BigUnsigned internals
        friend Blk getShiftedBlock(const BigUnsigned &num, Index x, unsigned int y);
 };
 
 // NORMAL OPERATORS
 /* These create an object to hold the result and invoke
-* the appropriate put-here operation on it, passing
-* this and x.  The new object is then returned. */
+ * the appropriate put-here operation on it, passing
+ * this and x.  The new object is then returned. */
 inline BigUnsigned BigUnsigned::operator +(const BigUnsigned &x) const {
        BigUnsigned ans;
        ans.add(*this, x);
@@ -272,22 +281,44 @@ inline BigUnsigned BigUnsigned::operator ^(const BigUnsigned &x) const {
        ans.bitXor(*this, x);
        return ans;
 }
+inline BigUnsigned BigUnsigned::operator <<(unsigned int b) const {
+       BigUnsigned ans;
+       ans.bitShiftLeft(*this, b);
+       return ans;
+}
+inline BigUnsigned BigUnsigned::operator >>(unsigned int b) const {
+       BigUnsigned ans;
+       ans.bitShiftRight(*this, b);
+       return ans;
+}
+inline BigUnsigned BigUnsigned::operator <<(int b) const {
+       if (b < 0)
+               throw "BigUnsigned::operator <<(int): Negative shift amounts are not supported";
+       return *this << (unsigned int)(b);
+}
+inline BigUnsigned BigUnsigned::operator >>(int b) const {
+       if (b < 0)
+               throw "BigUnsigned::operator >>(int): Negative shift amounts are not supported";
+       return *this >> (unsigned int)(b);
+}
 
-// ASSIGNMENT OPERATORS
-// These create a copy of this, then invoke the appropriate
-// put-here operation on this, passing the copy and x.
-// Exception: those updated for divideWithRemainder.
+/*
+ * ASSIGNMENT OPERATORS
+ * 
+ * Now the responsibility for making a temporary copy if necessary
+ * belongs to the put-here operations.  I made this change on 2007.02.13 after
+ * Boris Dessy pointed out that the old implementation handled calls like
+ * "a *= a" badly: it translated them to essentially "a.multiply(aCopy, a)",
+ * which threw an exception.
+ */
 inline void BigUnsigned::operator +=(const BigUnsigned &x) {
-       BigUnsigned thisCopy(*this);
-       add(thisCopy, x);
+       add(*this, x);
 }
 inline void BigUnsigned::operator -=(const BigUnsigned &x) {
-       BigUnsigned thisCopy(*this);
-       subtract(thisCopy, x);
+       subtract(*this, x);
 }
 inline void BigUnsigned::operator *=(const BigUnsigned &x) {
-       BigUnsigned thisCopy(*this);
-       multiply(thisCopy, x);
+       multiply(*this, x);
 }
 inline void BigUnsigned::operator /=(const BigUnsigned &x) {
        // Updated for divideWithRemainder
@@ -304,16 +335,29 @@ inline void BigUnsigned::operator %=(const BigUnsigned &x) {
        // don't care about quotient left in q
 }
 inline void BigUnsigned::operator &=(const BigUnsigned &x) {
-       BigUnsigned thisCopy(*this);
-       bitAnd(thisCopy, x);
+       bitAnd(*this, x);
 }
 inline void BigUnsigned::operator |=(const BigUnsigned &x) {
-       BigUnsigned thisCopy(*this);
-       bitOr(thisCopy, x);
+       bitOr(*this, x);
 }
 inline void BigUnsigned::operator ^=(const BigUnsigned &x) {
-       BigUnsigned thisCopy(*this);
-       bitXor(thisCopy, x);
+       bitXor(*this, x);
+}
+inline void BigUnsigned::operator <<=(unsigned int b) {
+       bitShiftLeft(*this, b);
+}
+inline void BigUnsigned::operator >>=(unsigned int b) {
+       bitShiftRight(*this, b);
+}
+inline void BigUnsigned::operator <<=(int b) {
+       if (b < 0)
+               throw "BigUnsigned::operator <<=(int): Negative shift amounts are not supported";
+       *this <<= (unsigned int)(b);
+}
+inline void BigUnsigned::operator >>=(int b) {
+       if (b < 0)
+               throw "BigUnsigned::operator >>=(int): Negative shift amounts are not supported";
+       *this >>= (unsigned int)(b);
 }
 
 #endif