]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/stable/10.git/blob - lib/libc/stdlib/random.c
MFH (r325010): don't bother verifying a password that we know is too long.
[FreeBSD/stable/10.git] / lib / libc / stdlib / random.c
1 /*
2  * Copyright (c) 1983, 1993
3  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
4  *
5  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
6  * modification, are permitted provided that the following conditions
7  * are met:
8  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
9  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
10  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
11  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
12  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
13  * 3. Neither the name of the University nor the names of its contributors
14  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
15  *    without specific prior written permission.
16  *
17  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
18  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
19  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
20  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
21  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
22  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
23  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
24  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
25  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
26  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
27  * SUCH DAMAGE.
28  */
29
30 #if defined(LIBC_SCCS) && !defined(lint)
31 static char sccsid[] = "@(#)random.c    8.2 (Berkeley) 5/19/95";
32 #endif /* LIBC_SCCS and not lint */
33 #include <sys/cdefs.h>
34 __FBSDID("$FreeBSD$");
35
36 #include "namespace.h"
37 #include <sys/param.h>
38 #include <sys/sysctl.h>
39 #include <stdint.h>
40 #include <stdlib.h>
41 #include "un-namespace.h"
42
43 /*
44  * random.c:
45  *
46  * An improved random number generation package.  In addition to the standard
47  * rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
48  * interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
49  * bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
50  * then initialized to contain information for random number generation with
51  * that much state information.  Good sizes for the amount of state
52  * information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
53  * calling the setstate() routine with the same array as was initiallized
54  * with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
55  * information and generates far better random numbers than a linear
56  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
57  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
58  *
59  * Internally, the state information is treated as an array of uint32_t's; the
60  * zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
61  * integer); the remainder of the array is the state information for the
62  * R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 ints worth of
63  * state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
64  * the zeroeth word of state information also has some other information
65  * stored in it -- see setstate() for details).
66  *
67  * The random number generation technique is a linear feedback shift register
68  * approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
69  * way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
70  * the state table will act as a linear feedback shift register, and will
71  * have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
72  * used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
73  * higher order bits will have longer periods, since their values are also
74  * influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
75  * period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
76  * the amount of state information has a vast influence on the period of the
77  * generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
78  * large deg, when the period of the shift is the dominant factor.
79  * With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
80  * 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
81  *
82  * Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
83  * The following changes have been made:
84  * All references to the type u_int have been changed to unsigned long.
85  * All references to type int have been changed to type long.  Other
86  * cleanups have been made as well.  A warning for both initstate and
87  * setstate has been inserted to the effect that on Sparc platforms
88  * the 'arg_state' variable must be forced to begin on word boundaries.
89  * This can be easily done by casting a long integer array to char *.
90  * The overall logic has been left STRICTLY alone.  This software was
91  * tested on both a VAX and Sun SpacsStation with exactly the same
92  * results.  The new version and the original give IDENTICAL results.
93  * The new version is somewhat faster than the original.  As the
94  * documentation says:  "By default, the package runs with 128 bytes of
95  * state information and generates far better random numbers than a linear
96  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
97  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used."  For a buffer of
98  * 128 bytes, this new version runs about 19 percent faster and for a 16
99  * byte buffer it is about 5 percent faster.
100  */
101
102 /*
103  * For each of the currently supported random number generators, we have a
104  * break value on the amount of state information (you need at least this
105  * many bytes of state info to support this random number generator), a degree
106  * for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
107  * the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
108  */
109 #define TYPE_0          0               /* linear congruential */
110 #define BREAK_0         8
111 #define DEG_0           0
112 #define SEP_0           0
113
114 #define TYPE_1          1               /* x**7 + x**3 + 1 */
115 #define BREAK_1         32
116 #define DEG_1           7
117 #define SEP_1           3
118
119 #define TYPE_2          2               /* x**15 + x + 1 */
120 #define BREAK_2         64
121 #define DEG_2           15
122 #define SEP_2           1
123
124 #define TYPE_3          3               /* x**31 + x**3 + 1 */
125 #define BREAK_3         128
126 #define DEG_3           31
127 #define SEP_3           3
128
129 #define TYPE_4          4               /* x**63 + x + 1 */
130 #define BREAK_4         256
131 #define DEG_4           63
132 #define SEP_4           1
133
134 /*
135  * Array versions of the above information to make code run faster --
136  * relies on fact that TYPE_i == i.
137  */
138 #define MAX_TYPES       5               /* max number of types above */
139
140 #define NSHUFF 50       /* to drop some "seed -> 1st value" linearity */
141
142 static const int degrees[MAX_TYPES] =   { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
143 static const int seps [MAX_TYPES] =     { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
144
145 /*
146  * Initially, everything is set up as if from:
147  *
148  *      initstate(1, randtbl, 128);
149  *
150  * Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
151  * advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
152  * rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
153  * element of the state information, which contains info about the current
154  * position of the rear pointer is just
155  *
156  *      MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
157  */
158
159 static uint32_t randtbl[DEG_3 + 1] = {
160         TYPE_3,
161         0x2cf41758, 0x27bb3711, 0x4916d4d1, 0x7b02f59f, 0x9b8e28eb, 0xc0e80269,
162         0x696f5c16, 0x878f1ff5, 0x52d9c07f, 0x916a06cd, 0xb50b3a20, 0x2776970a,
163         0xee4eb2a6, 0xe94640ec, 0xb1d65612, 0x9d1ed968, 0x1043f6b7, 0xa3432a76,
164         0x17eacbb9, 0x3c09e2eb, 0x4f8c2b3,  0x708a1f57, 0xee341814, 0x95d0e4d2,
165         0xb06f216c, 0x8bd2e72e, 0x8f7c38d7, 0xcfc6a8fc, 0x2a59495,  0xa20d2a69,
166         0xe29d12d1
167 };
168
169 /*
170  * fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
171  * pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
172  * cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
173  * could get away with just one pointer, but the code for random() is more
174  * efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
175  * from the call
176  *
177  *      initstate(1, randtbl, 128);
178  *
179  * (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
180  * in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
181  * to point to randtbl[1] (as explained below).
182  */
183 static uint32_t *fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
184 static uint32_t *rptr = &randtbl[1];
185
186 /*
187  * The following things are the pointer to the state information table, the
188  * type of the current generator, the degree of the current polynomial being
189  * used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
190  * of random(), we remember the first location of the state information, not
191  * the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
192  * store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
193  * this is more efficient than indexing every time to find the address of
194  * the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
195  */
196 static uint32_t *state = &randtbl[1];
197 static int rand_type = TYPE_3;
198 static int rand_deg = DEG_3;
199 static int rand_sep = SEP_3;
200 static uint32_t *end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
201
202 static inline uint32_t
203 good_rand(uint32_t ctx)
204 {
205 /*
206  * Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
207  * wihout overflowing 31 bits:
208  *      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
209  * From "Random number generators: good ones are hard to find",
210  * Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
211  * October 1988, p. 1195.
212  */
213         int32_t hi, lo, x;
214
215         /* Transform to [1, 0x7ffffffe] range. */
216         x = (ctx % 0x7ffffffe) + 1;
217         hi = x / 127773;
218         lo = x % 127773;
219         x = 16807 * lo - 2836 * hi;
220         if (x < 0)
221                 x += 0x7fffffff;
222         /* Transform to [0, 0x7ffffffd] range. */
223         return (x - 1);
224 }
225
226 /*
227  * srandom:
228  *
229  * Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
230  * type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
231  * Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
232  * congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
233  * that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
234  * information a given number of times to get rid of any initial dependencies
235  * introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
236  * for default usage relies on values produced by this routine.
237  */
238 void
239 srandom(unsigned long x)
240 {
241         int i, lim;
242
243         state[0] = (uint32_t)x;
244         if (rand_type == TYPE_0)
245                 lim = NSHUFF;
246         else {
247                 for (i = 1; i < rand_deg; i++)
248                         state[i] = good_rand(state[i - 1]);
249                 fptr = &state[rand_sep];
250                 rptr = &state[0];
251                 lim = 10 * rand_deg;
252         }
253         for (i = 0; i < lim; i++)
254                 (void)random();
255 }
256
257 /*
258  * srandomdev:
259  *
260  * Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
261  * This often causes problems.  We seed the generator using pseudo-random
262  * data from the kernel.
263  *
264  * Note that this particular seeding procedure can generate states
265  * which are impossible to reproduce by calling srandom() with any
266  * value, since the succeeding terms in the state buffer are no longer
267  * derived from the LC algorithm applied to a fixed seed.
268  */
269 void
270 srandomdev(void)
271 {
272         int mib[2];
273         size_t len;
274
275         if (rand_type == TYPE_0)
276                 len = sizeof(state[0]);
277         else
278                 len = rand_deg * sizeof(state[0]);
279
280         mib[0] = CTL_KERN;
281         mib[1] = KERN_ARND;
282         sysctl(mib, 2, state, &len, NULL, 0);
283
284         if (rand_type != TYPE_0) {
285                 fptr = &state[rand_sep];
286                 rptr = &state[0];
287         }
288 }
289
290 /*
291  * initstate:
292  *
293  * Initialize the state information in the given array of n bytes for future
294  * random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
295  * the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
296  * one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
297  * initialize the state information.
298  *
299  * Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
300  * multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
301  * successive calls to initstate() won't lose this information and will be
302  * able to restart with setstate().
303  *
304  * Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
305  * setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
306  *
307  * Returns a pointer to the old state.
308  *
309  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on an int
310  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
311  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
312  */
313 char *
314 initstate(unsigned long seed, char *arg_state, long n)
315 {
316         char *ostate = (char *)(&state[-1]);
317         uint32_t *int_arg_state = (uint32_t *)arg_state;
318
319         if (n < BREAK_0)
320                 return (NULL);
321         if (rand_type == TYPE_0)
322                 state[-1] = rand_type;
323         else
324                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
325         if (n < BREAK_1) {
326                 rand_type = TYPE_0;
327                 rand_deg = DEG_0;
328                 rand_sep = SEP_0;
329         } else if (n < BREAK_2) {
330                 rand_type = TYPE_1;
331                 rand_deg = DEG_1;
332                 rand_sep = SEP_1;
333         } else if (n < BREAK_3) {
334                 rand_type = TYPE_2;
335                 rand_deg = DEG_2;
336                 rand_sep = SEP_2;
337         } else if (n < BREAK_4) {
338                 rand_type = TYPE_3;
339                 rand_deg = DEG_3;
340                 rand_sep = SEP_3;
341         } else {
342                 rand_type = TYPE_4;
343                 rand_deg = DEG_4;
344                 rand_sep = SEP_4;
345         }
346         state = int_arg_state + 1; /* first location */
347         end_ptr = &state[rand_deg];     /* must set end_ptr before srandom */
348         srandom(seed);
349         if (rand_type == TYPE_0)
350                 int_arg_state[0] = rand_type;
351         else
352                 int_arg_state[0] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
353         return (ostate);
354 }
355
356 /*
357  * setstate:
358  *
359  * Restore the state from the given state array.
360  *
361  * Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
362  * in the current state information, and restore the locations of the pointers
363  * from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
364  * location into the zeroeth word of the state information.
365  *
366  * Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
367  * setstate() with the same state as the current state.
368  *
369  * Returns a pointer to the old state information.
370  *
371  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on an int
372  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
373  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
374  */
375 char *
376 setstate(char *arg_state)
377 {
378         uint32_t *new_state = (uint32_t *)arg_state;
379         uint32_t type = new_state[0] % MAX_TYPES;
380         uint32_t rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
381         char *ostate = (char *)(&state[-1]);
382
383         if (type != TYPE_0 && rear >= degrees[type])
384                 return (NULL);
385         if (rand_type == TYPE_0)
386                 state[-1] = rand_type;
387         else
388                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
389         rand_type = type;
390         rand_deg = degrees[type];
391         rand_sep = seps[type];
392         state = new_state + 1;
393         if (rand_type != TYPE_0) {
394                 rptr = &state[rear];
395                 fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
396         }
397         end_ptr = &state[rand_deg];             /* set end_ptr too */
398         return (ostate);
399 }
400
401 /*
402  * random:
403  *
404  * If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
405  * congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
406  * the same in all the other cases due to all the global variables that have
407  * been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
408  * into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
409  * the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
410  * generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
411  *
412  * Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
413  * rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
414  * pointer if the front one has wrapped.
415  *
416  * Returns a 31-bit random number.
417  */
418 long
419 random(void)
420 {
421         uint32_t i;
422         uint32_t *f, *r;
423
424         if (rand_type == TYPE_0) {
425                 i = state[0];
426                 state[0] = i = good_rand(i);
427         } else {
428                 /*
429                  * Use local variables rather than static variables for speed.
430                  */
431                 f = fptr; r = rptr;
432                 *f += *r;
433                 i = *f >> 1;    /* chucking least random bit */
434                 if (++f >= end_ptr) {
435                         f = state;
436                         ++r;
437                 }
438                 else if (++r >= end_ptr) {
439                         r = state;
440                 }
441
442                 fptr = f; rptr = r;
443         }
444         return ((long)i);
445 }