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ssh: Update to OpenSSH 9.4p1
[FreeBSD/FreeBSD.git] / lib / msun / tests / invtrig_test.c
1 /*-
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24  * SUCH DAMAGE.
25  */
26
27 /*
28  * Tests for corner cases in the inverse trigonometric functions. Some
29  * accuracy tests are included as well, but these are very basic
30  * sanity checks, not intended to be comprehensive.
31  */
32
33 #include <sys/cdefs.h>
34 __FBSDID("$FreeBSD$");
35
36 #include <fenv.h>
37 #include <float.h>
38 #include <math.h>
39 #include <stdio.h>
40
41 #include "test-utils.h"
42
43 #pragma STDC FENV_ACCESS ON
44
45 /*
46  * Test that a function returns the correct value and sets the
47  * exception flags correctly. A tolerance specifying the maximum
48  * relative error allowed may be specified. For the 'testall'
49  * functions, the tolerance is specified in ulps.
50  *
51  * These are macros instead of functions so that assert provides more
52  * meaningful error messages.
53  */
54 #define test_tol(func, x, result, tol, excepts) do {                    \
55         volatile long double _in = (x), _out = (result);                \
56         ATF_REQUIRE_EQ(0, feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT));                \
57         CHECK_FPEQUAL_TOL(func(_in), _out, (tol), CS_BOTH);             \
58         CHECK_FP_EXCEPTIONS_MSG(excepts, ALL_STD_EXCEPT, "for %s(%s)",  \
59             #func, #x);                                                 \
60 } while (0)
61 #define test(func, x, result, excepts)                                  \
62         test_tol(func, (x), (result), 0, (excepts))
63
64 #define _testall_tol(prefix, x, result, tol, excepts) do {              \
65         test_tol(prefix, (double)(x), (double)(result),                 \
66                  (tol) * ldexp(1.0, 1 - DBL_MANT_DIG), (excepts));      \
67         test_tol(prefix##f, (float)(x), (float)(result),                \
68                  (tol) * ldexpf(1.0, 1 - FLT_MANT_DIG), (excepts));     \
69 } while (0)
70
71 #ifdef __i386__
72 #define testall_tol     _testall_tol
73 #else
74 #define testall_tol(prefix, x, result, tol, excepts) do {               \
75         _testall_tol(prefix, x, result, tol, excepts);                  \
76         test_tol(prefix##l, (x), (result),                              \
77                  (tol) * ldexpl(1.0, 1 - LDBL_MANT_DIG), (excepts));    \
78 } while (0)
79 #endif
80
81 #define testall(prefix, x, result, excepts)                             \
82         testall_tol(prefix, (x), (result), 0, (excepts))
83
84 #define test2_tol(func, y, x, result, tol, excepts) do {                \
85         volatile long double _iny = (y), _inx = (x), _out = (result);   \
86         ATF_REQUIRE_EQ(0, feclearexcept(FE_ALL_EXCEPT));                \
87         CHECK_FPEQUAL_TOL(func(_iny, _inx), _out, (tol), CS_BOTH);      \
88         CHECK_FP_EXCEPTIONS_MSG(excepts, ALL_STD_EXCEPT, "for %s(%s)",  \
89             #func, #x);                                                 \
90 } while (0)
91 #define test2(func, y, x, result, excepts)                              \
92         test2_tol(func, (y), (x), (result), 0, (excepts))
93
94 #define _testall2_tol(prefix, y, x, result, tol, excepts) do {          \
95         test2_tol(prefix, (double)(y), (double)(x), (double)(result),   \
96                   (tol) * ldexp(1.0, 1 - DBL_MANT_DIG), (excepts));     \
97         test2_tol(prefix##f, (float)(y), (float)(x), (float)(result),   \
98                   (tol) * ldexpf(1.0, 1 - FLT_MANT_DIG), (excepts));    \
99 } while (0)
100
101 #ifdef __i386__
102 #define testall2_tol    _testall2_tol
103 #else
104 #define testall2_tol(prefix, y, x, result, tol, excepts) do {           \
105         _testall2_tol(prefix, y, x, result, tol, excepts);              \
106         test2_tol(prefix##l, (y), (x), (result),                        \
107                   (tol) * ldexpl(1.0, 1 - LDBL_MANT_DIG), (excepts));   \
108 } while (0)
109 #endif
110
111 #define testall2(prefix, y, x, result, excepts)                         \
112         testall2_tol(prefix, (y), (x), (result), 0, (excepts))
113
114 static long double
115 pi =   3.14159265358979323846264338327950280e+00L,
116 pio3 = 1.04719755119659774615421446109316766e+00L,
117 c3pi = 9.42477796076937971538793014983850839e+00L,
118 c7pi = 2.19911485751285526692385036829565196e+01L,
119 c5pio3 = 5.23598775598298873077107230546583851e+00L,
120 sqrt2m1 = 4.14213562373095048801688724209698081e-01L;
121
122
123 /*
124  * Test special case inputs in asin(), acos() and atan(): signed
125  * zeroes, infinities, and NaNs.
126  */
127 ATF_TC_WITHOUT_HEAD(special);
128 ATF_TC_BODY(special, tc)
129 {
130
131         testall(asin, 0.0, 0.0, 0);
132         testall(acos, 0.0, pi / 2, FE_INEXACT);
133         testall(atan, 0.0, 0.0, 0);
134         testall(asin, -0.0, -0.0, 0);
135         testall(acos, -0.0, pi / 2, FE_INEXACT);
136         testall(atan, -0.0, -0.0, 0);
137
138         testall(asin, INFINITY, NAN, FE_INVALID);
139         testall(acos, INFINITY, NAN, FE_INVALID);
140         testall(atan, INFINITY, pi / 2, FE_INEXACT);
141         testall(asin, -INFINITY, NAN, FE_INVALID);
142         testall(acos, -INFINITY, NAN, FE_INVALID);
143         testall(atan, -INFINITY, -pi / 2, FE_INEXACT);
144
145         testall(asin, NAN, NAN, 0);
146         testall(acos, NAN, NAN, 0);
147         testall(atan, NAN, NAN, 0);
148 }
149
150 /*
151  * Test special case inputs in atan2(), where the exact value of y/x is
152  * zero or non-finite.
153  */
154 ATF_TC_WITHOUT_HEAD(special_atan2);
155 ATF_TC_BODY(special_atan2, tc)
156 {
157         long double z;
158         int e;
159
160         testall2(atan2, 0.0, -0.0, pi, FE_INEXACT);
161         testall2(atan2, -0.0, -0.0, -pi, FE_INEXACT);
162         testall2(atan2, 0.0, 0.0, 0.0, 0);
163         testall2(atan2, -0.0, 0.0, -0.0, 0);
164
165         testall2(atan2, INFINITY, -INFINITY, c3pi / 4, FE_INEXACT);
166         testall2(atan2, -INFINITY, -INFINITY, -c3pi / 4, FE_INEXACT);
167         testall2(atan2, INFINITY, INFINITY, pi / 4, FE_INEXACT);
168         testall2(atan2, -INFINITY, INFINITY, -pi / 4, FE_INEXACT);
169
170         /* Tests with one input in the range (0, Inf]. */
171         z = 1.23456789L;
172         for (e = FLT_MIN_EXP - FLT_MANT_DIG; e <= FLT_MAX_EXP; e++) {
173                 test2(atan2f, 0.0, ldexpf(z, e), 0.0, 0);
174                 test2(atan2f, -0.0, ldexpf(z, e), -0.0, 0);
175                 test2(atan2f, 0.0, ldexpf(-z, e), (float)pi, FE_INEXACT);
176                 test2(atan2f, -0.0, ldexpf(-z, e), (float)-pi, FE_INEXACT);
177                 test2(atan2f, ldexpf(z, e), 0.0, (float)pi / 2, FE_INEXACT);
178                 test2(atan2f, ldexpf(z, e), -0.0, (float)pi / 2, FE_INEXACT);
179                 test2(atan2f, ldexpf(-z, e), 0.0, (float)-pi / 2, FE_INEXACT);
180                 test2(atan2f, ldexpf(-z, e), -0.0, (float)-pi / 2, FE_INEXACT);
181         }
182         for (e = DBL_MIN_EXP - DBL_MANT_DIG; e <= DBL_MAX_EXP; e++) {
183                 test2(atan2, 0.0, ldexp(z, e), 0.0, 0);
184                 test2(atan2, -0.0, ldexp(z, e), -0.0, 0);
185                 test2(atan2, 0.0, ldexp(-z, e), (double)pi, FE_INEXACT);
186                 test2(atan2, -0.0, ldexp(-z, e), (double)-pi, FE_INEXACT);
187                 test2(atan2, ldexp(z, e), 0.0, (double)pi / 2, FE_INEXACT);
188                 test2(atan2, ldexp(z, e), -0.0, (double)pi / 2, FE_INEXACT);
189                 test2(atan2, ldexp(-z, e), 0.0, (double)-pi / 2, FE_INEXACT);
190                 test2(atan2, ldexp(-z, e), -0.0, (double)-pi / 2, FE_INEXACT);
191         }
192         for (e = LDBL_MIN_EXP - LDBL_MANT_DIG; e <= LDBL_MAX_EXP; e++) {
193                 test2(atan2l, 0.0, ldexpl(z, e), 0.0, 0);
194                 test2(atan2l, -0.0, ldexpl(z, e), -0.0, 0);
195                 test2(atan2l, 0.0, ldexpl(-z, e), pi, FE_INEXACT);
196                 test2(atan2l, -0.0, ldexpl(-z, e), -pi, FE_INEXACT);
197                 test2(atan2l, ldexpl(z, e), 0.0, pi / 2, FE_INEXACT);
198                 test2(atan2l, ldexpl(z, e), -0.0, pi / 2, FE_INEXACT);
199                 test2(atan2l, ldexpl(-z, e), 0.0, -pi / 2, FE_INEXACT);
200                 test2(atan2l, ldexpl(-z, e), -0.0, -pi / 2, FE_INEXACT);
201         }
202
203         /* Tests with one input in the range (0, Inf). */
204         for (e = FLT_MIN_EXP - FLT_MANT_DIG; e <= FLT_MAX_EXP - 1; e++) {
205                 test2(atan2f, ldexpf(z, e), INFINITY, 0.0, 0);
206                 test2(atan2f, ldexpf(-z,e), INFINITY, -0.0, 0);
207                 test2(atan2f, ldexpf(z, e), -INFINITY, (float)pi, FE_INEXACT);
208                 test2(atan2f, ldexpf(-z,e), -INFINITY, (float)-pi, FE_INEXACT);
209                 test2(atan2f, INFINITY, ldexpf(z,e), (float)pi/2, FE_INEXACT);
210                 test2(atan2f, INFINITY, ldexpf(-z,e), (float)pi/2, FE_INEXACT);
211                 test2(atan2f, -INFINITY, ldexpf(z,e), (float)-pi/2,FE_INEXACT);
212                 test2(atan2f, -INFINITY, ldexpf(-z,e),(float)-pi/2,FE_INEXACT);
213         }
214         for (e = DBL_MIN_EXP - DBL_MANT_DIG; e <= DBL_MAX_EXP - 1; e++) {
215                 test2(atan2, ldexp(z, e), INFINITY, 0.0, 0);
216                 test2(atan2, ldexp(-z,e), INFINITY, -0.0, 0);
217                 test2(atan2, ldexp(z, e), -INFINITY, (double)pi, FE_INEXACT);
218                 test2(atan2, ldexp(-z,e), -INFINITY, (double)-pi, FE_INEXACT);
219                 test2(atan2, INFINITY, ldexp(z,e), (double)pi/2, FE_INEXACT);
220                 test2(atan2, INFINITY, ldexp(-z,e), (double)pi/2, FE_INEXACT);
221                 test2(atan2, -INFINITY, ldexp(z,e), (double)-pi/2,FE_INEXACT);
222                 test2(atan2, -INFINITY, ldexp(-z,e),(double)-pi/2,FE_INEXACT);
223         }
224         for (e = LDBL_MIN_EXP - LDBL_MANT_DIG; e <= LDBL_MAX_EXP - 1; e++) {
225                 test2(atan2l, ldexpl(z, e), INFINITY, 0.0, 0);
226                 test2(atan2l, ldexpl(-z,e), INFINITY, -0.0, 0);
227                 test2(atan2l, ldexpl(z, e), -INFINITY, pi, FE_INEXACT);
228                 test2(atan2l, ldexpl(-z,e), -INFINITY, -pi, FE_INEXACT);
229                 test2(atan2l, INFINITY, ldexpl(z, e), pi / 2, FE_INEXACT);
230                 test2(atan2l, INFINITY, ldexpl(-z, e), pi / 2, FE_INEXACT);
231                 test2(atan2l, -INFINITY, ldexpl(z, e), -pi / 2, FE_INEXACT);
232                 test2(atan2l, -INFINITY, ldexpl(-z, e), -pi / 2, FE_INEXACT);
233         }
234 }
235
236 /*
237  * Test various inputs to asin(), acos() and atan() and verify that the
238  * results are accurate to within 1 ulp.
239  */
240 ATF_TC_WITHOUT_HEAD(accuracy);
241 ATF_TC_BODY(accuracy, tc)
242 {
243
244         /* We expect correctly rounded results for these basic cases. */
245         testall(asin, 1.0, pi / 2, FE_INEXACT);
246         testall(acos, 1.0, 0, 0);
247         testall(atan, 1.0, pi / 4, FE_INEXACT);
248         testall(asin, -1.0, -pi / 2, FE_INEXACT);
249         testall(acos, -1.0, pi, FE_INEXACT);
250         testall(atan, -1.0, -pi / 4, FE_INEXACT);
251
252         /*
253          * Here we expect answers to be within 1 ulp, although inexactness
254          * in the input, combined with double rounding, could cause larger
255          * errors.
256          */
257
258         testall_tol(asin, sqrtl(2) / 2, pi / 4, 1, FE_INEXACT);
259         testall_tol(acos, sqrtl(2) / 2, pi / 4, 1, FE_INEXACT);
260         testall_tol(asin, -sqrtl(2) / 2, -pi / 4, 1, FE_INEXACT);
261         testall_tol(acos, -sqrtl(2) / 2, c3pi / 4, 1, FE_INEXACT);
262
263         testall_tol(asin, sqrtl(3) / 2, pio3, 1, FE_INEXACT);
264         testall_tol(acos, sqrtl(3) / 2, pio3 / 2, 1, FE_INEXACT);
265         testall_tol(atan, sqrtl(3), pio3, 1, FE_INEXACT);
266         testall_tol(asin, -sqrtl(3) / 2, -pio3, 1, FE_INEXACT);
267         testall_tol(acos, -sqrtl(3) / 2, c5pio3 / 2, 1, FE_INEXACT);
268         testall_tol(atan, -sqrtl(3), -pio3, 1, FE_INEXACT);
269
270         testall_tol(atan, sqrt2m1, pi / 8, 1, FE_INEXACT);
271         testall_tol(atan, -sqrt2m1, -pi / 8, 1, FE_INEXACT);
272 }
273
274 /*
275  * Test inputs to atan2() where x is a power of 2. These are easy cases
276  * because y/x is exact.
277  */
278 ATF_TC_WITHOUT_HEAD(p2x_atan2);
279 ATF_TC_BODY(p2x_atan2, tc)
280 {
281
282         testall2(atan2, 1.0, 1.0, pi / 4, FE_INEXACT);
283         testall2(atan2, 1.0, -1.0, c3pi / 4, FE_INEXACT);
284         testall2(atan2, -1.0, 1.0, -pi / 4, FE_INEXACT);
285         testall2(atan2, -1.0, -1.0, -c3pi / 4, FE_INEXACT);
286
287         testall2_tol(atan2, sqrt2m1 * 2, 2.0, pi / 8, 1, FE_INEXACT);
288         testall2_tol(atan2, sqrt2m1 * 2, -2.0, c7pi / 8, 1, FE_INEXACT);
289         testall2_tol(atan2, -sqrt2m1 * 2, 2.0, -pi / 8, 1, FE_INEXACT);
290         testall2_tol(atan2, -sqrt2m1 * 2, -2.0, -c7pi / 8, 1, FE_INEXACT);
291
292         testall2_tol(atan2, sqrtl(3) * 0.5, 0.5, pio3, 1, FE_INEXACT);
293         testall2_tol(atan2, sqrtl(3) * 0.5, -0.5, pio3 * 2, 1, FE_INEXACT);
294         testall2_tol(atan2, -sqrtl(3) * 0.5, 0.5, -pio3, 1, FE_INEXACT);
295         testall2_tol(atan2, -sqrtl(3) * 0.5, -0.5, -pio3 * 2, 1, FE_INEXACT);
296 }
297
298 /*
299  * Test inputs very close to 0.
300  */
301 ATF_TC_WITHOUT_HEAD(tiny);
302 ATF_TC_BODY(tiny, tc)
303 {
304         float tiny = 0x1.23456p-120f;
305
306         testall(asin, tiny, tiny, FE_INEXACT);
307         testall(acos, tiny, pi / 2, FE_INEXACT);
308         testall(atan, tiny, tiny, FE_INEXACT);
309
310         testall(asin, -tiny, -tiny, FE_INEXACT);
311         testall(acos, -tiny, pi / 2, FE_INEXACT);
312         testall(atan, -tiny, -tiny, FE_INEXACT);
313
314         /* Test inputs to atan2() that would cause y/x to underflow. */
315         test2(atan2f, 0x1.0p-100, 0x1.0p100, 0.0, FE_INEXACT | FE_UNDERFLOW);
316         test2(atan2, 0x1.0p-1000, 0x1.0p1000, 0.0, FE_INEXACT | FE_UNDERFLOW);
317         test2(atan2l, ldexpl(1.0, 100 - LDBL_MAX_EXP),
318               ldexpl(1.0, LDBL_MAX_EXP - 100), 0.0, FE_INEXACT | FE_UNDERFLOW);
319         test2(atan2f, -0x1.0p-100, 0x1.0p100, -0.0, FE_INEXACT | FE_UNDERFLOW);
320         test2(atan2, -0x1.0p-1000, 0x1.0p1000, -0.0, FE_INEXACT | FE_UNDERFLOW);
321         test2(atan2l, -ldexpl(1.0, 100 - LDBL_MAX_EXP),
322               ldexpl(1.0, LDBL_MAX_EXP - 100), -0.0, FE_INEXACT | FE_UNDERFLOW);
323         test2(atan2f, 0x1.0p-100, -0x1.0p100, (float)pi, FE_INEXACT);
324         test2(atan2, 0x1.0p-1000, -0x1.0p1000, (double)pi, FE_INEXACT);
325         test2(atan2l, ldexpl(1.0, 100 - LDBL_MAX_EXP),
326               -ldexpl(1.0, LDBL_MAX_EXP - 100), pi, FE_INEXACT);
327         test2(atan2f, -0x1.0p-100, -0x1.0p100, (float)-pi, FE_INEXACT);
328         test2(atan2, -0x1.0p-1000, -0x1.0p1000, (double)-pi, FE_INEXACT);
329         test2(atan2l, -ldexpl(1.0, 100 - LDBL_MAX_EXP),
330               -ldexpl(1.0, LDBL_MAX_EXP - 100), -pi, FE_INEXACT);
331 }
332
333 /*
334  * Test very large inputs to atan().
335  */
336 ATF_TC_WITHOUT_HEAD(atan_huge);
337 ATF_TC_BODY(atan_huge, tc)
338 {
339         float huge = 0x1.23456p120;
340
341         testall(atan, huge, pi / 2, FE_INEXACT);
342         testall(atan, -huge, -pi / 2, FE_INEXACT);
343
344         /* Test inputs to atan2() that would cause y/x to overflow. */
345         test2(atan2f, 0x1.0p100, 0x1.0p-100, (float)pi / 2, FE_INEXACT);
346         test2(atan2, 0x1.0p1000, 0x1.0p-1000, (double)pi / 2, FE_INEXACT);
347         test2(atan2l, ldexpl(1.0, LDBL_MAX_EXP - 100),
348               ldexpl(1.0, 100 - LDBL_MAX_EXP), pi / 2, FE_INEXACT);
349         test2(atan2f, -0x1.0p100, 0x1.0p-100, (float)-pi / 2, FE_INEXACT);
350         test2(atan2, -0x1.0p1000, 0x1.0p-1000, (double)-pi / 2, FE_INEXACT);
351         test2(atan2l, -ldexpl(1.0, LDBL_MAX_EXP - 100),
352               ldexpl(1.0, 100 - LDBL_MAX_EXP), -pi / 2, FE_INEXACT);
353
354         test2(atan2f, 0x1.0p100, -0x1.0p-100, (float)pi / 2, FE_INEXACT);
355         test2(atan2, 0x1.0p1000, -0x1.0p-1000, (double)pi / 2, FE_INEXACT);
356         test2(atan2l, ldexpl(1.0, LDBL_MAX_EXP - 100),
357               -ldexpl(1.0, 100 - LDBL_MAX_EXP), pi / 2, FE_INEXACT);
358         test2(atan2f, -0x1.0p100, -0x1.0p-100, (float)-pi / 2, FE_INEXACT);
359         test2(atan2, -0x1.0p1000, -0x1.0p-1000, (double)-pi / 2, FE_INEXACT);
360         test2(atan2l, -ldexpl(1.0, LDBL_MAX_EXP - 100),
361               -ldexpl(1.0, 100 - LDBL_MAX_EXP), -pi / 2, FE_INEXACT);
362 }
363
364 /*
365  * Test that sin(asin(x)) == x, and similarly for acos() and atan().
366  * You need to have a working sinl(), cosl(), and tanl() for these
367  * tests to pass.
368  */
369 static long double
370 sinasinf(float x)
371 {
372
373         return (sinl(asinf(x)));
374 }
375
376 static long double
377 sinasin(double x)
378 {
379
380         return (sinl(asin(x)));
381 }
382
383 #ifndef __i386__
384 static long double
385 sinasinl(long double x)
386 {
387
388         return (sinl(asinl(x)));
389 }
390 #endif
391
392 static long double
393 cosacosf(float x)
394 {
395
396         return (cosl(acosf(x)));
397 }
398
399 static long double
400 cosacos(double x)
401 {
402
403         return (cosl(acos(x)));
404 }
405
406 #ifndef __i386__
407 static long double
408 cosacosl(long double x)
409 {
410
411         return (cosl(acosl(x)));
412 }
413 #endif
414
415 static long double
416 tanatanf(float x)
417 {
418
419         return (tanl(atanf(x)));
420 }
421
422 static long double
423 tanatan(double x)
424 {
425
426         return (tanl(atan(x)));
427 }
428
429 #ifndef __i386__
430 static long double
431 tanatanl(long double x)
432 {
433
434         return (tanl(atanl(x)));
435 }
436 #endif
437
438 ATF_TC_WITHOUT_HEAD(inverse);
439 ATF_TC_BODY(inverse, tc)
440 {
441         float i;
442
443         for (i = -1; i <= 1; i += 0x1.0p-12f) {
444                 testall_tol(sinasin, i, i, 2, i == 0 ? 0 : FE_INEXACT);
445                 /* The relative error for cosacos is very large near x=0. */
446                 if (fabsf(i) > 0x1.0p-4f)
447                         testall_tol(cosacos, i, i, 16, i == 1 ? 0 : FE_INEXACT);
448                 testall_tol(tanatan, i, i, 2, i == 0 ? 0 : FE_INEXACT);
449         }
450 }
451
452 ATF_TP_ADD_TCS(tp)
453 {
454         ATF_TP_ADD_TC(tp, special);
455         ATF_TP_ADD_TC(tp, special_atan2);
456         ATF_TP_ADD_TC(tp, accuracy);
457         ATF_TP_ADD_TC(tp, p2x_atan2);
458         ATF_TP_ADD_TC(tp, tiny);
459         ATF_TP_ADD_TC(tp, atan_huge);
460         ATF_TP_ADD_TC(tp, inverse);
461
462         return (atf_no_error());
463 }