bigint-2010.04.30
[bigint/bigint.git] / BigInteger.hh
index 1c56ac5..cf6e910 100644 (file)
-#ifndef BIGINTEGER
-#define BIGINTEGER
+#ifndef BIGINTEGER_H
+#define BIGINTEGER_H
 
 #include "BigUnsigned.hh"
 
-/*
- * A BigInteger object represents a signed integer of size
- * limited only by available memory.  A BigInteger can be
- * created from and converted back to most integral types,
- * and many math operations are defined on BigIntegers.
- *
- * 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.**
+/* A BigInteger object represents a signed integer of size limited only by
+ * available memory.  BigUnsigneds support most mathematical operators and can
+ * be converted to and from most primitive integer types.
  *
- * This class is derived from BigUnsigned, which represents
- * a large nonnegative integer.  BigUnsigned should be studied
- * first, as only new or different things are declared here.
- * Some things are redeclared so that they use the BigInteger
- * versions of methods, rather than the BigUnsigned versions.
- */
-
-class BigInteger : public BigUnsigned {
-
-       // TYPES & CONSTANTS
-       public:
-       enum Sign { negative = -1, zero = 0, positive = 1 }; // Enumeration for the sign of a BigInteger
-
-       // FIELDS
-       protected:
-       Sign sign; // The sign of this BigInteger
+ * A BigInteger is just an aggregate of a BigUnsigned and a sign.  (It is no
+ * longer derived from BigUnsigned because that led to harmful implicit
+ * conversions.) */
+class BigInteger {
+
+public:
+       typedef BigUnsigned::Blk Blk;
+       typedef BigUnsigned::Index Index;
+       typedef BigUnsigned::CmpRes CmpRes;
+       static const CmpRes
+               less    = BigUnsigned::less   ,
+               equal   = BigUnsigned::equal  ,
+               greater = BigUnsigned::greater;
+       // Enumeration for the sign of a BigInteger.
+       enum Sign { negative = -1, zero = 0, positive = 1 };
+
+protected:
+       Sign sign;
+       BigUnsigned mag;
+
+public:
+       // Constructs zero.
+       BigInteger() : sign(zero), mag() {}
+
+       // Copy constructor
+       BigInteger(const BigInteger &x) : sign(x.sign), mag(x.mag) {};
+
+       // Assignment operator
+       void operator=(const BigInteger &x);
+
+       // Constructor that copies from a given array of blocks with a sign.
+       BigInteger(const Blk *b, Index blen, Sign s);
+
+       // Nonnegative constructor that copies from a given array of blocks.
+       BigInteger(const Blk *b, Index blen) : mag(b, blen) {
+               sign = mag.isZero() ? zero : positive;
+       }
 
-       // MANAGEMENT
-       protected:
-       BigInteger(Sign s, Index c) : BigUnsigned(0, c), sign(s) {}; // Creates a BigInteger with a sign and capacity
-       public:
+       // Constructor from a BigUnsigned and a sign
+       BigInteger(const BigUnsigned &x, Sign s);
 
-       BigInteger() : BigUnsigned(), sign(zero) {} // Default constructor (value is 0)
-       BigInteger(const BigInteger &x) : BigUnsigned(x), sign(x.sign) {}; // Copy constructor
-       void operator=(const BigInteger &x); // Assignment operator
-       BigInteger(const Blk *b, Index l) : BigUnsigned(b, l) { // Constructor from an array of blocks
-               sign = (len == 0) ? zero : positive;
-       }
-       BigInteger(const Blk *b, Index l, Sign s); // Constructor from an array of blocks and a sign
-       BigInteger(const BigUnsigned &x) : BigUnsigned(x) { // Constructor from a BigUnsigned
-               sign = (len == 0) ? zero : positive;
+       // Nonnegative constructor from a BigUnsigned
+       BigInteger(const BigUnsigned &x) : mag(x) {
+               sign = mag.isZero() ? zero : positive;
        }
-       BigInteger(const BigUnsigned &x, Sign s); // Constructor from a BigUnsigned and a sign
-       // Constructors from integral types
+
+       // Constructors from primitive integer types
        BigInteger(unsigned long  x);
        BigInteger(         long  x);
        BigInteger(unsigned int   x);
        BigInteger(         int   x);
        BigInteger(unsigned short x);
        BigInteger(         short x);
-       // Note that a BigInteger can be converted to a BigUnsigned
-       // automatically; this takes its absolute value.
-
-       // CONVERTERS to integral types
-       public:
-       operator unsigned long () const;
-       operator          long () const;
-       operator unsigned int  () const;
-       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:
-       Sign getSign() const;
+
+       /* Converters to primitive integer types
+        * The implicit conversion operators caused trouble, so these are now
+        * named. */
+       unsigned long  toUnsignedLong () const;
+       long           toLong         () const;
+       unsigned int   toUnsignedInt  () const;
+       int            toInt          () const;
+       unsigned short toUnsignedShort() const;
+       short          toShort        () const;
+protected:
+       // Helper
+       template <class X> X convertToUnsignedPrimitive() const;
+       template <class X, class UX> X convertToSignedPrimitive() const;
+public:
+
+       // ACCESSORS
+       Sign getSign() const { return sign; }
+       /* The client can't do any harm by holding a read-only reference to the
+        * magnitude. */
+       const BigUnsigned &getMagnitude() const { return mag; }
+
+       // Some accessors that go through to the magnitude
+       Index getLength() const { return mag.getLength(); }
+       Index getCapacity() const { return mag.getCapacity(); }
+       Blk getBlock(Index i) const { return mag.getBlock(i); }
+       bool isZero() const { return sign == zero; } // A bit special
 
        // COMPARISONS
-       public:
+
        // Compares this to x like Perl's <=>
        CmpRes compareTo(const BigInteger &x) const;
-       // Normal comparison operators
+
+       // Ordinary comparison operators
        bool operator ==(const BigInteger &x) const {
-               return sign == x.sign && BigUnsigned::operator ==(x);
+               return sign == x.sign && mag == x.mag;
        }
        bool operator !=(const BigInteger &x) const { return !operator ==(x); };
        bool operator < (const BigInteger &x) const { return compareTo(x) == less   ; }
@@ -85,78 +103,40 @@ class BigInteger : public BigUnsigned {
        bool operator >=(const BigInteger &x) const { return compareTo(x) != less   ; }
        bool operator > (const BigInteger &x) const { return compareTo(x) == greater; }
 
-       // PUT-HERE OPERATIONS
-       /* These store the result of the operation on the arguments into this.
-        * a.add(b, c) is equivalent to, but faster than, a = b + c.
-        * See explanation of "put-here operations" in BigUnsigned.cc . */
-       public:
-       void add     (const BigInteger &a, const BigInteger &b); // Addition
-       void subtract(const BigInteger &a, const BigInteger &b); // Subtraction
-       void multiply(const BigInteger &a, const BigInteger &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 usually differ from the semantics of primitive-type
-        * / and % when negatives and/or zeroes are involved.
-        * Look in `BigInteger.cc' for details.
-        * `a.divideWithRemainder(b, a)' causes an exception: it doesn't make
-        * sense to write quotient and remainder into the same variable.
-        */
+       // OPERATORS -- See the discussion in BigUnsigned.hh.
+       void add     (const BigInteger &a, const BigInteger &b);
+       void subtract(const BigInteger &a, const BigInteger &b);
+       void multiply(const BigInteger &a, const BigInteger &b);
+       /* See the comment on BigUnsigned::divideWithRemainder.  Semantics
+        * differ from those of primitive integers when negatives and/or zeros
+        * are involved. */
        void divideWithRemainder(const BigInteger &b, BigInteger &q);
-       void divide(const BigInteger &a, const BigInteger &b) {
-               BigInteger a2(a);
-               a2.divideWithRemainder(b, *this);
-               // quotient now in *this
-               // don't care about remainder left in a2
-       }
-       void modulo(const BigInteger &a, const BigInteger &b) {
-               *this = a;
-               BigInteger q;
-               divideWithRemainder(b, q);
-               // remainder now in *this
-               // don't care about quotient left in q
-       }
-       void negate(const BigInteger &a); // Negative
-       // Some operations are inherently unsigned and are not
-       // redefined for BigIntegers.  Calling one of these on
-       // a BigInteger will convert it to a BigUnsigned,
-       // which takes its absolute value.
-
-       // 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 BigInteger with the result.
-       public:
-       BigInteger operator +(const BigInteger &x) const; // Addition
-       BigInteger operator -(const BigInteger &x) const; // Subtraction
-       BigInteger operator *(const BigInteger &x) const; // Multiplication
-       BigInteger operator /(const BigInteger &x) const; // Division
-       BigInteger operator %(const BigInteger &x) const; // Modular reduction
-       BigInteger operator -(                   ) const; // Negative
-
-       // ASSIGNMENT OPERATORS
-       // These perform the operation on this and x, storing the result into this.
-       public:
-       void operator +=(const BigInteger &x); // Addition
-       void operator -=(const BigInteger &x); // Subtraction
-       void operator *=(const BigInteger &x); // Multiplication
-       void operator /=(const BigInteger &x); // Division
-       void operator %=(const BigInteger &x); // Modular reduction
-       void flipSign();                       // Negative
+       void negate(const BigInteger &a);
+       
+       /* Bitwise operators are not provided for BigIntegers.  Use
+        * getMagnitude to get the magnitude and operate on that instead. */
+
+       BigInteger operator +(const BigInteger &x) const;
+       BigInteger operator -(const BigInteger &x) const;
+       BigInteger operator *(const BigInteger &x) const;
+       BigInteger operator /(const BigInteger &x) const;
+       BigInteger operator %(const BigInteger &x) const;
+       BigInteger operator -() const;
+
+       void operator +=(const BigInteger &x);
+       void operator -=(const BigInteger &x);
+       void operator *=(const BigInteger &x);
+       void operator /=(const BigInteger &x);
+       void operator %=(const BigInteger &x);
+       void flipSign();
 
        // 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.
-       public:
-       void operator ++(   ); // Prefix  increment
-       void operator ++(int); // Postfix decrement
-       void operator --(   ); // Prefix  increment
-       void operator --(int); // Postfix decrement
-
+       void operator ++(   );
+       void operator ++(int);
+       void operator --(   );
+       void operator --(int);
 };
 
-// PICKING APART
-inline BigInteger::Sign BigInteger::getSign() const { return sign; }
-
 // NORMAL OPERATORS
 /* These create an object to hold the result and invoke
  * the appropriate put-here operation on it, passing
@@ -177,14 +157,18 @@ inline BigInteger BigInteger::operator *(const BigInteger &x) const {
        return ans;
 }
 inline BigInteger BigInteger::operator /(const BigInteger &x) const {
-       BigInteger ans;
-       ans.divide(*this, x);
-       return ans;
+       if (x.isZero()) throw "BigInteger::operator /: division by zero";
+       BigInteger q, r;
+       r = *this;
+       r.divideWithRemainder(x, q);
+       return q;
 }
 inline BigInteger BigInteger::operator %(const BigInteger &x) const {
-       BigInteger ans;
-       ans.modulo(*this, x);
-       return ans;
+       if (x.isZero()) throw "BigInteger::operator %: division by zero";
+       BigInteger q, r;
+       r = *this;
+       r.divideWithRemainder(x, q);
+       return r;
 }
 inline BigInteger BigInteger::operator -() const {
        BigInteger ans;
@@ -209,18 +193,19 @@ inline void BigInteger::operator *=(const BigInteger &x) {
        multiply(*this, x);
 }
 inline void BigInteger::operator /=(const BigInteger &x) {
-       // Updated for divideWithRemainder
-       BigInteger thisCopy(*this);
-       thisCopy.divideWithRemainder(x, *this);
-       // quotient left in *this
-       // don't care about remainder left in thisCopy
+       if (x.isZero()) throw "BigInteger::operator /=: division by zero";
+       /* The following technique is slightly faster than copying *this first
+        * when x is large. */
+       BigInteger q;
+       divideWithRemainder(x, q);
+       // *this contains the remainder, but we overwrite it with the quotient.
+       *this = q;
 }
 inline void BigInteger::operator %=(const BigInteger &x) {
-       // Shortcut (woohoo!)
+       if (x.isZero()) throw "BigInteger::operator %=: division by zero";
        BigInteger q;
+       // Mods *this by x.  Don't care about quotient left in q.
        divideWithRemainder(x, q);
-       // remainder left in *this
-       // don't care about quotient left in q
 }
 // This one is trivial
 inline void BigInteger::flipSign() {