]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - lib/libc/stdlib/random.c
libc: Fix most issues reported by mandoc
[FreeBSD/FreeBSD.git] / lib / libc / stdlib / random.c
1 /*-
2  * SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
3  *
4  * Copyright (c) 1983, 1993
5  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
6  *
7  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
8  * modification, are permitted provided that the following conditions
9  * are met:
10  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
11  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
12  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
13  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
14  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
15  * 3. Neither the name of the University nor the names of its contributors
16  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
17  *    without specific prior written permission.
18  *
19  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
20  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
21  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
22  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
23  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
24  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
25  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
26  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
27  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
28  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
29  * SUCH DAMAGE.
30  */
31
32 #if defined(LIBC_SCCS) && !defined(lint)
33 static char sccsid[] = "@(#)random.c    8.2 (Berkeley) 5/19/95";
34 #endif /* LIBC_SCCS and not lint */
35 #include <sys/cdefs.h>
36 __FBSDID("$FreeBSD$");
37
38 #include "namespace.h"
39 #include <sys/param.h>
40 #include <sys/sysctl.h>
41 #include <errno.h>
42 #include <stdint.h>
43 #include <stdlib.h>
44 #include "un-namespace.h"
45
46 #include "random.h"
47
48 /*
49  * random.c:
50  *
51  * An improved random number generation package.  In addition to the standard
52  * rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
53  * interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
54  * bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
55  * then initialized to contain information for random number generation with
56  * that much state information.  Good sizes for the amount of state
57  * information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
58  * calling the setstate() routine with the same array as was initiallized
59  * with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
60  * information and generates far better random numbers than a linear
61  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
62  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
63  *
64  * Internally, the state information is treated as an array of uint32_t's; the
65  * zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
66  * integer); the remainder of the array is the state information for the
67  * R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 ints worth of
68  * state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
69  * the zeroeth word of state information also has some other information
70  * stored in it -- see setstate() for details).
71  *
72  * The random number generation technique is a linear feedback shift register
73  * approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
74  * way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
75  * the state table will act as a linear feedback shift register, and will
76  * have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
77  * used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
78  * higher order bits will have longer periods, since their values are also
79  * influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
80  * period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
81  * the amount of state information has a vast influence on the period of the
82  * generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
83  * large deg, when the period of the shift is the dominant factor.
84  * With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
85  * 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
86  *
87  * Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
88  * The following changes have been made:
89  * All references to the type u_int have been changed to unsigned long.
90  * All references to type int have been changed to type long.  Other
91  * cleanups have been made as well.  A warning for both initstate and
92  * setstate has been inserted to the effect that on Sparc platforms
93  * the 'arg_state' variable must be forced to begin on word boundaries.
94  * This can be easily done by casting a long integer array to char *.
95  * The overall logic has been left STRICTLY alone.  This software was
96  * tested on both a VAX and Sun SpacsStation with exactly the same
97  * results.  The new version and the original give IDENTICAL results.
98  * The new version is somewhat faster than the original.  As the
99  * documentation says:  "By default, the package runs with 128 bytes of
100  * state information and generates far better random numbers than a linear
101  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
102  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used."  For a buffer of
103  * 128 bytes, this new version runs about 19 percent faster and for a 16
104  * byte buffer it is about 5 percent faster.
105  */
106
107 #define NSHUFF 50       /* to drop some "seed -> 1st value" linearity */
108
109 static const int degrees[MAX_TYPES] =   { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
110 static const int seps[MAX_TYPES] =      { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
111 static const int breaks[MAX_TYPES] = {
112         BREAK_0, BREAK_1, BREAK_2, BREAK_3, BREAK_4
113 };
114
115 /*
116  * Initially, everything is set up as if from:
117  *
118  *      initstate(1, randtbl, 128);
119  *
120  * Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
121  * advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
122  * rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
123  * element of the state information, which contains info about the current
124  * position of the rear pointer is just
125  *
126  *      MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
127  */
128 static struct __random_state implicit = {
129         .rst_randtbl = {
130                 TYPE_3,
131                 0x2cf41758, 0x27bb3711, 0x4916d4d1, 0x7b02f59f, 0x9b8e28eb, 0xc0e80269,
132                 0x696f5c16, 0x878f1ff5, 0x52d9c07f, 0x916a06cd, 0xb50b3a20, 0x2776970a,
133                 0xee4eb2a6, 0xe94640ec, 0xb1d65612, 0x9d1ed968, 0x1043f6b7, 0xa3432a76,
134                 0x17eacbb9, 0x3c09e2eb, 0x4f8c2b3,  0x708a1f57, 0xee341814, 0x95d0e4d2,
135                 0xb06f216c, 0x8bd2e72e, 0x8f7c38d7, 0xcfc6a8fc, 0x2a59495,  0xa20d2a69,
136                 0xe29d12d1
137         },
138
139         /*
140          * fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
141          * pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
142          * cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
143          * could get away with just one pointer, but the code for random() is more
144          * efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
145          * from the call
146          *
147          *      initstate(1, randtbl, 128);
148          *
149          * (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
150          * in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
151          * to point to randtbl[1] (as explained below).
152          */
153         .rst_fptr = &implicit.rst_randtbl[SEP_3 + 1],
154         .rst_rptr = &implicit.rst_randtbl[1],
155
156         /*
157          * The following things are the pointer to the state information table, the
158          * type of the current generator, the degree of the current polynomial being
159          * used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
160          * of random(), we remember the first location of the state information, not
161          * the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
162          * store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
163          * this is more efficient than indexing every time to find the address of
164          * the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
165          */
166         .rst_state = &implicit.rst_randtbl[1],
167         .rst_type = TYPE_3,
168         .rst_deg = DEG_3,
169         .rst_sep = SEP_3,
170         .rst_end_ptr = &implicit.rst_randtbl[DEG_3 + 1],
171 };
172
173 /*
174  * This is the same low quality PRNG used in rand(3) in FreeBSD 12 and prior.
175  * It may be sufficient for distributing bits and expanding a small seed
176  * integer into a larger state.
177  */
178 static inline uint32_t
179 parkmiller32(uint32_t ctx)
180 {
181 /*
182  * Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
183  * wihout overflowing 31 bits:
184  *      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
185  * From "Random number generators: good ones are hard to find",
186  * Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
187  * October 1988, p. 1195.
188  */
189         int32_t hi, lo, x;
190
191         /* Transform to [1, 0x7ffffffe] range. */
192         x = (ctx % 0x7ffffffe) + 1;
193         hi = x / 127773;
194         lo = x % 127773;
195         x = 16807 * lo - 2836 * hi;
196         if (x < 0)
197                 x += 0x7fffffff;
198         /* Transform to [0, 0x7ffffffd] range. */
199         return (x - 1);
200 }
201
202 /*
203  * srandom:
204  *
205  * Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
206  * type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
207  * Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
208  * congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
209  * that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
210  * information a given number of times to get rid of any initial dependencies
211  * introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
212  * for default usage relies on values produced by this routine.
213  */
214 void
215 srandom_r(struct __random_state *estate, unsigned x)
216 {
217         int i, lim;
218
219         estate->rst_state[0] = (uint32_t)x;
220         if (estate->rst_type == TYPE_0)
221                 lim = NSHUFF;
222         else {
223                 for (i = 1; i < estate->rst_deg; i++)
224                         estate->rst_state[i] =
225                             parkmiller32(estate->rst_state[i - 1]);
226                 estate->rst_fptr = &estate->rst_state[estate->rst_sep];
227                 estate->rst_rptr = &estate->rst_state[0];
228                 lim = 10 * estate->rst_deg;
229         }
230         for (i = 0; i < lim; i++)
231                 (void)random_r(estate);
232 }
233
234 void
235 srandom(unsigned x)
236 {
237         srandom_r(&implicit, x);
238 }
239
240 /*
241  * srandomdev:
242  *
243  * Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
244  * This often causes problems.  We seed the generator using pseudo-random
245  * data from the kernel.
246  *
247  * Note that this particular seeding procedure can generate states
248  * which are impossible to reproduce by calling srandom() with any
249  * value, since the succeeding terms in the state buffer are no longer
250  * derived from the LC algorithm applied to a fixed seed.
251  */
252 void
253 srandomdev_r(struct __random_state *estate)
254 {
255         int mib[2];
256         size_t expected, len;
257
258         if (estate->rst_type == TYPE_0)
259                 len = sizeof(estate->rst_state[0]);
260         else
261                 len = estate->rst_deg * sizeof(estate->rst_state[0]);
262         expected = len;
263
264         mib[0] = CTL_KERN;
265         mib[1] = KERN_ARND;
266         if (sysctl(mib, 2, estate->rst_state, &len, NULL, 0) == -1 ||
267             len != expected) {
268                 /*
269                  * The sysctl cannot fail. If it does fail on some FreeBSD
270                  * derivative or after some future change, just abort so that
271                  * the problem will be found and fixed. abort is not normally
272                  * suitable for a library but makes sense here.
273                  */
274                 abort();
275         }
276
277         if (estate->rst_type != TYPE_0) {
278                 estate->rst_fptr = &estate->rst_state[estate->rst_sep];
279                 estate->rst_rptr = &estate->rst_state[0];
280         }
281 }
282
283 void
284 srandomdev(void)
285 {
286         srandomdev_r(&implicit);
287 }
288
289 /*
290  * initstate_r:
291  *
292  * Initialize the state information in the given array of n bytes for future
293  * random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
294  * the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
295  * one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
296  * initialize the state information.
297  *
298  * Returns zero on success, or an error number on failure.
299  *
300  * Note: There is no need for a setstate_r(); just use a new context.
301  */
302 int
303 initstate_r(struct __random_state *estate, unsigned seed, uint32_t *arg_state,
304     size_t sz)
305 {
306         if (sz < BREAK_0)
307                 return (EINVAL);
308
309         if (sz < BREAK_1) {
310                 estate->rst_type = TYPE_0;
311                 estate->rst_deg = DEG_0;
312                 estate->rst_sep = SEP_0;
313         } else if (sz < BREAK_2) {
314                 estate->rst_type = TYPE_1;
315                 estate->rst_deg = DEG_1;
316                 estate->rst_sep = SEP_1;
317         } else if (sz < BREAK_3) {
318                 estate->rst_type = TYPE_2;
319                 estate->rst_deg = DEG_2;
320                 estate->rst_sep = SEP_2;
321         } else if (sz < BREAK_4) {
322                 estate->rst_type = TYPE_3;
323                 estate->rst_deg = DEG_3;
324                 estate->rst_sep = SEP_3;
325         } else {
326                 estate->rst_type = TYPE_4;
327                 estate->rst_deg = DEG_4;
328                 estate->rst_sep = SEP_4;
329         }
330         estate->rst_state = arg_state + 1;
331         estate->rst_end_ptr = &estate->rst_state[estate->rst_deg];
332         srandom_r(estate, seed);
333         return (0);
334 }
335
336 /*
337  * initstate:
338  *
339  * Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
340  * setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
341  *
342  * Note that on return from initstate_r(), we set state[-1] to be the type
343  * multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
344  * successive calls to initstate() won't lose this information and will be able
345  * to restart with setstate().
346  *
347  * Returns a pointer to the old state.
348  *
349  * Despite the misleading "char *" type, arg_state must alias an array of
350  * 32-bit unsigned integer values.  Naturally, such an array is 32-bit aligned.
351  * Usually objects are naturally aligned to at least 32-bits on all platforms,
352  * but if you treat the provided 'state' as char* you may inadvertently
353  * misalign it.  Don't do that.
354  */
355 char *
356 initstate(unsigned int seed, char *arg_state, size_t n)
357 {
358         char *ostate = (char *)(&implicit.rst_state[-1]);
359         uint32_t *int_arg_state = (uint32_t *)arg_state;
360         int error;
361
362         /*
363          * Persist rptr offset and rst_type in the first word of the prior
364          * state we are replacing.
365          */
366         if (implicit.rst_type == TYPE_0)
367                 implicit.rst_state[-1] = implicit.rst_type;
368         else
369                 implicit.rst_state[-1] = MAX_TYPES *
370                     (implicit.rst_rptr - implicit.rst_state) +
371                     implicit.rst_type;
372
373         error = initstate_r(&implicit, seed, int_arg_state, n);
374         if (error != 0)
375                 return (NULL);
376
377         /*
378          * Persist rptr offset and rst_type of the new state in its first word.
379          */
380         if (implicit.rst_type == TYPE_0)
381                 int_arg_state[0] = implicit.rst_type;
382         else
383                 int_arg_state[0] = MAX_TYPES *
384                     (implicit.rst_rptr - implicit.rst_state) +
385                     implicit.rst_type;
386
387         return (ostate);
388 }
389
390 /*
391  * setstate:
392  *
393  * Restore the state from the given state array.
394  *
395  * Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
396  * in the current state information, and restore the locations of the pointers
397  * from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
398  * location into the zeroeth word of the state information.
399  *
400  * Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
401  * setstate() with the same state as the current state.
402  *
403  * Returns a pointer to the old state information.
404  *
405  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on an int
406  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
407  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
408  */
409 char *
410 setstate(char *arg_state)
411 {
412         uint32_t *new_state = (uint32_t *)arg_state;
413         uint32_t type = new_state[0] % MAX_TYPES;
414         uint32_t rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
415         char *ostate = (char *)(&implicit.rst_state[-1]);
416
417         if (type != TYPE_0 && rear >= degrees[type])
418                 return (NULL);
419         if (implicit.rst_type == TYPE_0)
420                 implicit.rst_state[-1] = implicit.rst_type;
421         else
422                 implicit.rst_state[-1] = MAX_TYPES *
423                     (implicit.rst_rptr - implicit.rst_state) +
424                     implicit.rst_type;
425         implicit.rst_type = type;
426         implicit.rst_deg = degrees[type];
427         implicit.rst_sep = seps[type];
428         implicit.rst_state = new_state + 1;
429         if (implicit.rst_type != TYPE_0) {
430                 implicit.rst_rptr = &implicit.rst_state[rear];
431                 implicit.rst_fptr = &implicit.rst_state[
432                     (rear + implicit.rst_sep) % implicit.rst_deg];
433         }
434         implicit.rst_end_ptr = &implicit.rst_state[implicit.rst_deg];
435         return (ostate);
436 }
437
438 /*
439  * random:
440  *
441  * If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
442  * congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
443  * the same in all the other cases due to all the global variables that have
444  * been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
445  * into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
446  * the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
447  * generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
448  *
449  * Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
450  * rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
451  * pointer if the front one has wrapped.
452  *
453  * Returns a 31-bit random number.
454  */
455 long
456 random_r(struct __random_state *estate)
457 {
458         uint32_t i;
459         uint32_t *f, *r;
460
461         if (estate->rst_type == TYPE_0) {
462                 i = estate->rst_state[0];
463                 i = parkmiller32(i);
464                 estate->rst_state[0] = i;
465         } else {
466                 /*
467                  * Use local variables rather than static variables for speed.
468                  */
469                 f = estate->rst_fptr;
470                 r = estate->rst_rptr;
471                 *f += *r;
472                 i = *f >> 1;    /* chucking least random bit */
473                 if (++f >= estate->rst_end_ptr) {
474                         f = estate->rst_state;
475                         ++r;
476                 }
477                 else if (++r >= estate->rst_end_ptr) {
478                         r = estate->rst_state;
479                 }
480
481                 estate->rst_fptr = f;
482                 estate->rst_rptr = r;
483         }
484         return ((long)i);
485 }
486
487 long
488 random(void)
489 {
490         return (random_r(&implicit));
491 }
492
493 struct __random_state *
494 allocatestate(unsigned type)
495 {
496         size_t asize;
497
498         /* No point using this interface to get the Park-Miller LCG. */
499         if (type < TYPE_1)
500                 abort();
501         /* Clamp to widest supported variant. */
502         if (type > (MAX_TYPES - 1))
503                 type = (MAX_TYPES - 1);
504
505         asize = sizeof(struct __random_state) + (size_t)breaks[type];
506         return (malloc(asize));
507 }