]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/stable/8.git/blob - lib/libc/stdlib/random.c
MFC r362623:
[FreeBSD/stable/8.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  * 4. 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/time.h>          /* for srandomdev() */
38 #include <fcntl.h>             /* for srandomdev() */
39 #include <stdint.h>
40 #include <stdio.h>
41 #include <stdlib.h>
42 #include <unistd.h>            /* for srandomdev() */
43 #include "un-namespace.h"
44
45 /*
46  * random.c:
47  *
48  * An improved random number generation package.  In addition to the standard
49  * rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
50  * interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
51  * bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
52  * then initialized to contain information for random number generation with
53  * that much state information.  Good sizes for the amount of state
54  * information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
55  * calling the setstate() routine with the same array as was initiallized
56  * with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
57  * information and generates far better random numbers than a linear
58  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
59  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.
60  *
61  * Internally, the state information is treated as an array of uint32_t's; the
62  * zeroeth element of the array is the type of R.N.G. being used (small
63  * integer); the remainder of the array is the state information for the
64  * R.N.G.  Thus, 32 bytes of state information will give 7 ints worth of
65  * state information, which will allow a degree seven polynomial.  (Note:
66  * the zeroeth word of state information also has some other information
67  * stored in it -- see setstate() for details).
68  *
69  * The random number generation technique is a linear feedback shift register
70  * approach, employing trinomials (since there are fewer terms to sum up that
71  * way).  In this approach, the least significant bit of all the numbers in
72  * the state table will act as a linear feedback shift register, and will
73  * have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial being
74  * used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).  The
75  * higher order bits will have longer periods, since their values are also
76  * influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The total
77  * period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus doubling
78  * the amount of state information has a vast influence on the period of the
79  * generator.  Note: the deg*(2**deg - 1) is an approximation only good for
80  * large deg, when the period of the shift is the dominant factor.
81  * With deg equal to seven, the period is actually much longer than the
82  * 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.
83  *
84  * Modified 28 December 1994 by Jacob S. Rosenberg.
85  * The following changes have been made:
86  * All references to the type u_int have been changed to unsigned long.
87  * All references to type int have been changed to type long.  Other
88  * cleanups have been made as well.  A warning for both initstate and
89  * setstate has been inserted to the effect that on Sparc platforms
90  * the 'arg_state' variable must be forced to begin on word boundaries.
91  * This can be easily done by casting a long integer array to char *.
92  * The overall logic has been left STRICTLY alone.  This software was
93  * tested on both a VAX and Sun SpacsStation with exactly the same
94  * results.  The new version and the original give IDENTICAL results.
95  * The new version is somewhat faster than the original.  As the
96  * documentation says:  "By default, the package runs with 128 bytes of
97  * state information and generates far better random numbers than a linear
98  * congruential generator.  If the amount of state information is less than
99  * 32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used."  For a buffer of
100  * 128 bytes, this new version runs about 19 percent faster and for a 16
101  * byte buffer it is about 5 percent faster.
102  */
103
104 /*
105  * For each of the currently supported random number generators, we have a
106  * break value on the amount of state information (you need at least this
107  * many bytes of state info to support this random number generator), a degree
108  * for the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
109  * the separation between the two lower order coefficients of the trinomial.
110  */
111 #define TYPE_0          0               /* linear congruential */
112 #define BREAK_0         8
113 #define DEG_0           0
114 #define SEP_0           0
115
116 #define TYPE_1          1               /* x**7 + x**3 + 1 */
117 #define BREAK_1         32
118 #define DEG_1           7
119 #define SEP_1           3
120
121 #define TYPE_2          2               /* x**15 + x + 1 */
122 #define BREAK_2         64
123 #define DEG_2           15
124 #define SEP_2           1
125
126 #define TYPE_3          3               /* x**31 + x**3 + 1 */
127 #define BREAK_3         128
128 #define DEG_3           31
129 #define SEP_3           3
130
131 #define TYPE_4          4               /* x**63 + x + 1 */
132 #define BREAK_4         256
133 #define DEG_4           63
134 #define SEP_4           1
135
136 /*
137  * Array versions of the above information to make code run faster --
138  * relies on fact that TYPE_i == i.
139  */
140 #define MAX_TYPES       5               /* max number of types above */
141
142 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
143 #define NSHUFF 0
144 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
145 #define NSHUFF 50       /* to drop some "seed -> 1st value" linearity */
146 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
147
148 static const int degrees[MAX_TYPES] =   { DEG_0, DEG_1, DEG_2, DEG_3, DEG_4 };
149 static const int seps [MAX_TYPES] =     { SEP_0, SEP_1, SEP_2, SEP_3, SEP_4 };
150
151 /*
152  * Initially, everything is set up as if from:
153  *
154  *      initstate(1, randtbl, 128);
155  *
156  * Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom()
157  * advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
158  * rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
159  * element of the state information, which contains info about the current
160  * position of the rear pointer is just
161  *
162  *      MAX_TYPES * (rptr - state) + TYPE_3 == TYPE_3.
163  */
164
165 static uint32_t randtbl[DEG_3 + 1] = {
166         TYPE_3,
167 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
168 /* Historic implementation compatibility */
169 /* The random sequences do not vary much with the seed */
170         0x9a319039, 0x32d9c024, 0x9b663182, 0x5da1f342, 0xde3b81e0, 0xdf0a6fb5,
171         0xf103bc02, 0x48f340fb, 0x7449e56b, 0xbeb1dbb0, 0xab5c5918, 0x946554fd,
172         0x8c2e680f, 0xeb3d799f, 0xb11ee0b7, 0x2d436b86, 0xda672e2a, 0x1588ca88,
173         0xe369735d, 0x904f35f7, 0xd7158fd6, 0x6fa6f051, 0x616e6b96, 0xac94efdc,
174         0x36413f93, 0xc622c298, 0xf5a42ab8, 0x8a88d77b, 0xf5ad9d0e, 0x8999220b,
175         0x27fb47b9,
176 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
177         0x991539b1, 0x16a5bce3, 0x6774a4cd, 0x3e01511e, 0x4e508aaa, 0x61048c05,
178         0xf5500617, 0x846b7115, 0x6a19892c, 0x896a97af, 0xdb48f936, 0x14898454,
179         0x37ffd106, 0xb58bff9c, 0x59e17104, 0xcf918a49, 0x09378c83, 0x52c7a471,
180         0x8d293ea9, 0x1f4fc301, 0xc3db71be, 0x39b44e1c, 0xf8a44ef9, 0x4c8b80b1,
181         0x19edc328, 0x87bf4bdd, 0xc9b240e5, 0xe9ee4b1b, 0x4382aee7, 0x535b6b41,
182         0xf3bec5da
183 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
184 };
185
186 /*
187  * fptr and rptr are two pointers into the state info, a front and a rear
188  * pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
189  * cycle cyclically through the state information.  (Yes, this does mean we
190  * could get away with just one pointer, but the code for random() is more
191  * efficient this way).  The pointers are left positioned as they would be
192  * from the call
193  *
194  *      initstate(1, randtbl, 128);
195  *
196  * (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
197  * in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
198  * to point to randtbl[1] (as explained below).
199  */
200 static uint32_t *fptr = &randtbl[SEP_3 + 1];
201 static uint32_t *rptr = &randtbl[1];
202
203 /*
204  * The following things are the pointer to the state information table, the
205  * type of the current generator, the degree of the current polynomial being
206  * used, and the separation between the two pointers.  Note that for efficiency
207  * of random(), we remember the first location of the state information, not
208  * the zeroeth.  Hence it is valid to access state[-1], which is used to
209  * store the type of the R.N.G.  Also, we remember the last location, since
210  * this is more efficient than indexing every time to find the address of
211  * the last element to see if the front and rear pointers have wrapped.
212  */
213 static uint32_t *state = &randtbl[1];
214 static int rand_type = TYPE_3;
215 static int rand_deg = DEG_3;
216 static int rand_sep = SEP_3;
217 static uint32_t *end_ptr = &randtbl[DEG_3 + 1];
218
219 static inline uint32_t good_rand(int32_t);
220
221 static inline uint32_t good_rand (x)
222         int32_t x;
223 {
224 #ifdef  USE_WEAK_SEEDING
225 /*
226  * Historic implementation compatibility.
227  * The random sequences do not vary much with the seed,
228  * even with overflowing.
229  */
230         return (1103515245 * x + 12345);
231 #else   /* !USE_WEAK_SEEDING */
232 /*
233  * Compute x = (7^5 * x) mod (2^31 - 1)
234  * wihout overflowing 31 bits:
235  *      (2^31 - 1) = 127773 * (7^5) + 2836
236  * From "Random number generators: good ones are hard to find",
237  * Park and Miller, Communications of the ACM, vol. 31, no. 10,
238  * October 1988, p. 1195.
239  */
240         int32_t hi, lo;
241
242         /* Can't be initialized with 0, so use another value. */
243         if (x == 0)
244                 x = 123459876;
245         hi = x / 127773;
246         lo = x % 127773;
247         x = 16807 * lo - 2836 * hi;
248         if (x < 0)
249                 x += 0x7fffffff;
250         return (x);
251 #endif  /* !USE_WEAK_SEEDING */
252 }
253
254 /*
255  * srandom:
256  *
257  * Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
258  * type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
259  * Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
260  * congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
261  * that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
262  * information a given number of times to get rid of any initial dependencies
263  * introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
264  * for default usage relies on values produced by this routine.
265  */
266 void
267 srandom(x)
268         unsigned long x;
269 {
270         int i, lim;
271
272         state[0] = (uint32_t)x;
273         if (rand_type == TYPE_0)
274                 lim = NSHUFF;
275         else {
276                 for (i = 1; i < rand_deg; i++)
277                         state[i] = good_rand(state[i - 1]);
278                 fptr = &state[rand_sep];
279                 rptr = &state[0];
280                 lim = 10 * rand_deg;
281         }
282         for (i = 0; i < lim; i++)
283                 (void)random();
284 }
285
286 /*
287  * srandomdev:
288  *
289  * Many programs choose the seed value in a totally predictable manner.
290  * This often causes problems.  We seed the generator using the much more
291  * secure random(4) interface.  Note that this particular seeding
292  * procedure can generate states which are impossible to reproduce by
293  * calling srandom() with any value, since the succeeding terms in the
294  * state buffer are no longer derived from the LC algorithm applied to
295  * a fixed seed.
296  */
297 void
298 srandomdev()
299 {
300         int fd, done;
301         size_t len;
302
303         if (rand_type == TYPE_0)
304                 len = sizeof state[0];
305         else
306                 len = rand_deg * sizeof state[0];
307
308         done = 0;
309         fd = _open("/dev/random", O_RDONLY, 0);
310         if (fd >= 0) {
311                 if (_read(fd, (void *) state, len) == (ssize_t) len)
312                         done = 1;
313                 _close(fd);
314         }
315
316         if (!done) {
317                 struct timeval tv;
318
319                 gettimeofday(&tv, NULL);
320                 srandom((getpid() << 16) ^ tv.tv_sec ^ tv.tv_usec);
321                 return;
322         }
323
324         if (rand_type != TYPE_0) {
325                 fptr = &state[rand_sep];
326                 rptr = &state[0];
327         }
328 }
329
330 /*
331  * initstate:
332  *
333  * Initialize the state information in the given array of n bytes for future
334  * random number generation.  Based on the number of bytes we are given, and
335  * the break values for the different R.N.G.'s, we choose the best (largest)
336  * one we can and set things up for it.  srandom() is then called to
337  * initialize the state information.
338  *
339  * Note that on return from srandom(), we set state[-1] to be the type
340  * multiplexed with the current value of the rear pointer; this is so
341  * successive calls to initstate() won't lose this information and will be
342  * able to restart with setstate().
343  *
344  * Note: the first thing we do is save the current state, if any, just like
345  * setstate() so that it doesn't matter when initstate is called.
346  *
347  * Returns a pointer to the old state.
348  *
349  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on an int
350  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
351  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
352  */
353 char *
354 initstate(seed, arg_state, n)
355         unsigned long seed;             /* seed for R.N.G. */
356         char *arg_state;                /* pointer to state array */
357         long n;                         /* # bytes of state info */
358 {
359         char *ostate = (char *)(&state[-1]);
360         uint32_t *int_arg_state = (uint32_t *)arg_state;
361
362         if (rand_type == TYPE_0)
363                 state[-1] = rand_type;
364         else
365                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
366         if (n < BREAK_0) {
367                 (void)fprintf(stderr,
368                     "random: not enough state (%ld bytes); ignored.\n", n);
369                 return(0);
370         }
371         if (n < BREAK_1) {
372                 rand_type = TYPE_0;
373                 rand_deg = DEG_0;
374                 rand_sep = SEP_0;
375         } else if (n < BREAK_2) {
376                 rand_type = TYPE_1;
377                 rand_deg = DEG_1;
378                 rand_sep = SEP_1;
379         } else if (n < BREAK_3) {
380                 rand_type = TYPE_2;
381                 rand_deg = DEG_2;
382                 rand_sep = SEP_2;
383         } else if (n < BREAK_4) {
384                 rand_type = TYPE_3;
385                 rand_deg = DEG_3;
386                 rand_sep = SEP_3;
387         } else {
388                 rand_type = TYPE_4;
389                 rand_deg = DEG_4;
390                 rand_sep = SEP_4;
391         }
392         state = int_arg_state + 1; /* first location */
393         end_ptr = &state[rand_deg];     /* must set end_ptr before srandom */
394         srandom(seed);
395         if (rand_type == TYPE_0)
396                 int_arg_state[0] = rand_type;
397         else
398                 int_arg_state[0] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
399         return(ostate);
400 }
401
402 /*
403  * setstate:
404  *
405  * Restore the state from the given state array.
406  *
407  * Note: it is important that we also remember the locations of the pointers
408  * in the current state information, and restore the locations of the pointers
409  * from the old state information.  This is done by multiplexing the pointer
410  * location into the zeroeth word of the state information.
411  *
412  * Note that due to the order in which things are done, it is OK to call
413  * setstate() with the same state as the current state.
414  *
415  * Returns a pointer to the old state information.
416  *
417  * Note: The Sparc platform requires that arg_state begin on an int
418  * word boundary; otherwise a bus error will occur. Even so, lint will
419  * complain about mis-alignment, but you should disregard these messages.
420  */
421 char *
422 setstate(arg_state)
423         char *arg_state;                /* pointer to state array */
424 {
425         uint32_t *new_state = (uint32_t *)arg_state;
426         uint32_t type = new_state[0] % MAX_TYPES;
427         uint32_t rear = new_state[0] / MAX_TYPES;
428         char *ostate = (char *)(&state[-1]);
429
430         if (rand_type == TYPE_0)
431                 state[-1] = rand_type;
432         else
433                 state[-1] = MAX_TYPES * (rptr - state) + rand_type;
434         switch(type) {
435         case TYPE_0:
436         case TYPE_1:
437         case TYPE_2:
438         case TYPE_3:
439         case TYPE_4:
440                 rand_type = type;
441                 rand_deg = degrees[type];
442                 rand_sep = seps[type];
443                 break;
444         default:
445                 (void)fprintf(stderr,
446                     "random: state info corrupted; not changed.\n");
447         }
448         state = new_state + 1;
449         if (rand_type != TYPE_0) {
450                 rptr = &state[rear];
451                 fptr = &state[(rear + rand_sep) % rand_deg];
452         }
453         end_ptr = &state[rand_deg];             /* set end_ptr too */
454         return(ostate);
455 }
456
457 /*
458  * random:
459  *
460  * If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
461  * congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is
462  * the same in all the other cases due to all the global variables that have
463  * been set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer
464  * into the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to
465  * the next location cyclically in the table.  The value returned is the sum
466  * generated, reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
467  *
468  * Note: the code takes advantage of the fact that both the front and
469  * rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
470  * pointer if the front one has wrapped.
471  *
472  * Returns a 31-bit random number.
473  */
474 long
475 random()
476 {
477         uint32_t i;
478         uint32_t *f, *r;
479
480         if (rand_type == TYPE_0) {
481                 i = state[0];
482                 state[0] = i = (good_rand(i)) & 0x7fffffff;
483         } else {
484                 /*
485                  * Use local variables rather than static variables for speed.
486                  */
487                 f = fptr; r = rptr;
488                 *f += *r;
489                 i = (*f >> 1) & 0x7fffffff;     /* chucking least random bit */
490                 if (++f >= end_ptr) {
491                         f = state;
492                         ++r;
493                 }
494                 else if (++r >= end_ptr) {
495                         r = state;
496                 }
497
498                 fptr = f; rptr = r;
499         }
500         return((long)i);
501 }