src/game_bd/bd_random.c

   1 /* GLIB - Library of useful routines for C programming
   2  * Copyright (C) 1995-1997  Peter Mattis, Spencer Kimball and Josh MacDonald
   3  *
   4  * SPDX-License-Identifier: LGPL-2.1-or-later
   5  *
   6  * This library is free software; you can redistribute it and/or
   7  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
   8  * License as published by the Free Software Foundation; either
   9  * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
  10  *
  11  * This library is distributed in the hope that it will be useful,
  12  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  13  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  14  * Lesser General Public License for more details.
  15  *
  16  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  17  * License along with this library; if not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
  18  */
  19
  20 /* Originally developed and coded by Makoto Matsumoto and Takuji
  21  * Nishimura.  Please mail <matumoto@math.keio.ac.jp>, if you're using
  22  * code from this file in your own programs or libraries.
  23  * Further information on the Mersenne Twister can be found at
  24  * http://www.math.sci.hiroshima-u.ac.jp/~m-mat/MT/emt.html
  25  * This code was adapted to glib by Sebastian Wilhelmi.
  26  */
  27
  28 /*
  29  * Modified by the GLib Team and others 1997-2000.  See the AUTHORS
  30  * file for a list of people on the GLib Team.  See the ChangeLog
  31  * files for a list of changes.  These files are distributed with
  32  * GLib at ftp://ftp.gtk.org/pub/gtk/.
  33  */
  34
  35 #include <math.h>
  36 #include <errno.h>
  37 #include <stdio.h>
  38 #include <string.h>
  39 #include <sys/types.h>
  40 #include <unistd.h>
  41 #include <time.h>
  42
  43 #if defined(PLATFORM_WINDOWS)
  44 #include <process.h>    // for getpid()
  45 #endif
  46
  47 #include "main_bd.h"
  48
  49
  50 /**
  51  * GdRand:
  52  *
  53  * The GdRand struct is an opaque data structure. It should only be
  54  * accessed through the gd_rand_* functions.
  55  **/
  56
  57 // Period parameters
  58 #define N 624
  59 #define M 397
  60 #define MATRIX_A   0x9908b0df // constant vector a
  61 #define UPPER_MASK 0x80000000 // most significant w-r bits
  62 #define LOWER_MASK 0x7fffffff // least significant r bits
  63
  64 // Tempering parameters
  65 #define TEMPERING_MASK_B 0x9d2c5680
  66 #define TEMPERING_MASK_C 0xefc60000
  67 #define TEMPERING_SHIFT_U(y)  (y >> 11)
  68 #define TEMPERING_SHIFT_S(y)  (y << 7)
  69 #define TEMPERING_SHIFT_T(y)  (y << 15)
  70 #define TEMPERING_SHIFT_L(y)  (y >> 18)
  71
  72 struct _GdRand
  73 {
  74   unsigned int mt[N]; // the array for the state vector
  75   unsigned int mti;
  76 };
  77
  78 /**
  79  * gd_rand_new_with_seed: (constructor)
  80  * @seed: a value to initialize the random number generator
  81  *
  82  * Creates a new random number generator initialized with @seed.
  83  *
  84  * Returns: (transfer full): the new #GdRand
  85  **/
  86 GdRand *
  87 gd_rand_new_with_seed (unsigned int seed)
  88 {
  89   GdRand *rand = checked_calloc(sizeof(GdRand));
  90   gd_rand_set_seed (rand, seed);
  91   return rand;
  92 }
  93
  94 /**
  95  * gd_rand_new_with_seed_array: (constructor)
  96  * @seed: an array of seeds to initialize the random number generator
  97  * @seed_length: an array of seeds to initialize the random number
  98  *     generator
  99  *
 100  * Creates a new random number generator initialized with @seed.
 101  *
 102  * Returns: (transfer full): the new #GdRand
 103  *
 104  * Since: 2.4
 105  */
 106 GdRand *
 107 gd_rand_new_with_seed_array (const unsigned int *seed, unsigned int seed_length)
 108 {
 109   GdRand *rand = checked_calloc(sizeof(GdRand));
 110   gd_rand_set_seed_array (rand, seed, seed_length);
 111
 112   return rand;
 113 }
 114
 115 /**
 116  * gd_rand_new: (constructor)
 117  *
 118  * Creates a new random number generator initialized with a seed taken
 119  * either from `/dev/urandom` (if existing) or from the current time
 120  * (as a fallback).
 121  *
 122  * On Windows, the seed is taken from rand_s().
 123  *
 124  * Returns: (transfer full): the new #GdRand
 125  */
 126 GdRand *
 127 gd_rand_new (void)
 128 {
 129   unsigned int seed[4];
 130
 131 #if defined(PLATFORM_UNIX)
 132   static boolean dev_urandom_exists = TRUE;
 133
 134   if (dev_urandom_exists)
 135   {
 136     FILE *dev_urandom;
 137
 138     do
 139     {
 140       dev_urandom = fopen ("/dev/urandom", "rbe");
 141     }
 142     while (dev_urandom == NULL && errno == EINTR);
 143
 144     if (dev_urandom)
 145     {
 146       int r;
 147
 148       setvbuf (dev_urandom, NULL, _IONBF, 0);
 149
 150       do
 151       {
 152         errno = 0;
 153         r = fread (seed, sizeof (seed), 1, dev_urandom);
 154       }
 155       while (errno == EINTR);
 156
 157       if (r != 1)
 158         dev_urandom_exists = FALSE;
 159
 160       fclose (dev_urandom);
 161     }
 162     else
 163     {
 164       dev_urandom_exists = FALSE;
 165     }
 166   }
 167
 168   if (!dev_urandom_exists)
 169   {
 170     struct timespec now;
 171
 172     clock_gettime(CLOCK_REALTIME, &now);
 173
 174     seed[0] = now.tv_sec;
 175     seed[1] = now.tv_nsec;
 176     seed[2] = getpid ();
 177     seed[3] = getppid ();
 178   }
 179 #else // PLATFORM_WINDOWS
 180   /* rand_s() is only available since Visual Studio 2005 and
 181    * MinGW-w64 has a wrapper that will emulate rand_s() if it's not in msvcrt
 182    */
 183 #if (defined(_MSC_VER) && _MSC_VER >= 1400) || defined(__MINGW64_VERSION_MAJOR)
 184   size_t i;
 185
 186   for (i = 0; i < ARRAY_SIZE(seed); i++)
 187     rand_s (&seed[i]);
 188 #else
 189 #warning Using insecure seed for random number generation because of missing rand_s() in Windows XP
 190   GTimeVal now;
 191
 192   gd_get_current_time (&now);
 193
 194   seed[0] = now.tv_sec;
 195   seed[1] = now.tv_usec;
 196   seed[2] = getpid ();
 197   seed[3] = 0;
 198 #endif
 199
 200 #endif
 201
 202   return gd_rand_new_with_seed_array (seed, 4);
 203 }
 204
 205 /**
 206  * gd_rand_free:
 207  * @rand_: a #GdRand
 208  *
 209  * Frees the memory allocated for the #GdRand.
 210  */
 211 void
 212 gd_rand_free (GdRand *rand)
 213 {
 214   if (rand != NULL)
 215     checked_free(rand);
 216 }
 217
 218 /**
 219  * gd_rand_copy:
 220  * @rand_: a #GdRand
 221  *
 222  * Copies a #GdRand into a new one with the same exact state as before.
 223  * This way you can take a snapshot of the random number generator for
 224  * replaying later.
 225  *
 226  * Returns: (transfer full): the new #GdRand
 227  *
 228  * Since: 2.4
 229  */
 230 GdRand *
 231 gd_rand_copy (GdRand *rand)
 232 {
 233   GdRand *new_rand;
 234
 235   if (rand == NULL)
 236     return NULL;
 237
 238   new_rand = checked_calloc(sizeof(GdRand));
 239   memcpy(new_rand, rand, sizeof(GdRand));
 240
 241   return new_rand;
 242 }
 243
 244 /**
 245  * gd_rand_set_seed:
 246  * @rand_: a #GdRand
 247  * @seed: a value to reinitialize the random number generator
 248  *
 249  * Sets the seed for the random number generator #GdRand to @seed.
 250  */
 251 void
 252 gd_rand_set_seed (GdRand *rand, unsigned int seed)
 253 {
 254   if (rand == NULL)
 255     return;
 256
 257   // See Knuth TAOCP Vol2. 3rd Ed. P.106 for multiplier.
 258   // In the previous version (see above), MSBs of the
 259   // seed affect only MSBs of the array mt[].
 260
 261   rand->mt[0] = seed;
 262   for (rand->mti = 1; rand->mti < N; rand->mti++)
 263     rand->mt[rand->mti] = 1812433253UL *
 264       (rand->mt[rand->mti - 1] ^ (rand->mt[rand->mti - 1] >> 30)) + rand->mti;
 265 }
 266
 267 /**
 268  * gd_rand_set_seed_array:
 269  * @rand_: a #GdRand
 270  * @seed: array to initialize with
 271  * @seed_length: length of array
 272  *
 273  * Initializes the random number generator by an array of longs.
 274  * Array can be of arbitrary size, though only the first 624 values
 275  * are taken.  This function is useful if you have many low entropy
 276  * seeds, or if you require more then 32 bits of actual entropy for
 277  * your application.
 278  *
 279  * Since: 2.4
 280  */
 281 void
 282 gd_rand_set_seed_array (GdRand *rand, const unsigned int *seed, unsigned int seed_length)
 283 {
 284   unsigned int i, j, k;
 285
 286   if (rand == NULL || seed_length < 1)
 287     return;
 288
 289   gd_rand_set_seed (rand, 19650218UL);
 290
 291   i = 1;
 292   j = 0;
 293   k = (N > seed_length ? N : seed_length);
 294
 295   for (; k; k--)
 296   {
 297     rand->mt[i] = ((rand->mt[i] ^ ((rand->mt[i - 1] ^ (rand->mt[i - 1] >> 30)) * 1664525UL))
 298                    + seed[j] + j);      // non linear
 299     rand->mt[i] &= 0xffffffffUL;        // for WORDSIZE > 32 machines
 300     i++;
 301     j++;
 302
 303     if (i >= N)
 304     {
 305       rand->mt[0] = rand->mt[N - 1];
 306       i = 1;
 307     }
 308
 309     if (j >= seed_length)
 310       j = 0;
 311   }
 312
 313   for (k = N - 1; k; k--)
 314   {
 315     rand->mt[i] = ((rand->mt[i] ^ ((rand->mt[i - 1] ^ (rand->mt[i - 1] >> 30)) * 1566083941UL))
 316                    - i);                // non linear
 317     rand->mt[i] &= 0xffffffffUL;        // for WORDSIZE > 32 machines
 318     i++;
 319
 320     if (i >= N)
 321     {
 322       rand->mt[0] = rand->mt[N - 1];
 323       i = 1;
 324     }
 325   }
 326
 327   rand->mt[0] = 0x80000000UL;           // MSB is 1; assuring non-zero initial array
 328 }
 329
 330 /**
 331  * gd_rand_boolean:
 332  * @rand_: a #GdRand
 333  *
 334  * Returns a random #boolean from @rand_.
 335  * This corresponds to an unbiased coin toss.
 336  *
 337  * Returns: a random #boolean
 338  */
 339 /**
 340  * gd_rand_int:
 341  * @rand_: a #GdRand
 342  *
 343  * Returns the next random unsigned int from @rand_ equally distributed over
 344  * the range [0..2^32-1].
 345  *
 346  * Returns: a random number
 347  */
 348 unsigned int
 349 gd_rand_int (GdRand *rand)
 350 {
 351   unsigned int y;
 352   static const unsigned int mag01[2] = { 0x0, MATRIX_A };
 353   // mag01[x] = x * MATRIX_A  for x=0,1
 354
 355   if (rand == NULL)
 356     return 0;
 357
 358   if (rand->mti >= N)
 359   {
 360     // generate N words at one time
 361     int kk;
 362
 363     for (kk = 0; kk < N - M; kk++)
 364     {
 365       y = (rand->mt[kk] & UPPER_MASK) | (rand->mt[kk + 1] & LOWER_MASK);
 366       rand->mt[kk] = rand->mt[kk + M] ^ (y >> 1) ^ mag01[y & 0x1];
 367     }
 368
 369     for (; kk < N - 1; kk++)
 370     {
 371       y = (rand->mt[kk] & UPPER_MASK) | (rand->mt[kk + 1] & LOWER_MASK);
 372       rand->mt[kk] = rand->mt[kk + (M - N)] ^ (y >> 1) ^ mag01[y & 0x1];
 373     }
 374
 375     y = (rand->mt[N - 1] & UPPER_MASK) | (rand->mt[0] & LOWER_MASK);
 376     rand->mt[N - 1] = rand->mt[M - 1] ^ (y >> 1) ^ mag01[y & 0x1];
 377
 378     rand->mti = 0;
 379   }
 380
 381   y = rand->mt[rand->mti++];
 382   y ^= TEMPERING_SHIFT_U(y);
 383   y ^= TEMPERING_SHIFT_S(y) & TEMPERING_MASK_B;
 384   y ^= TEMPERING_SHIFT_T(y) & TEMPERING_MASK_C;
 385   y ^= TEMPERING_SHIFT_L(y);
 386
 387   return y;
 388 }
 389
 390 // transform [0..2^32] -> [0..1]
 391 #define GD_RAND_DOUBLE_TRANSFORM 2.3283064365386962890625e-10
 392
 393 /**
 394  * gd_rand_int_range:
 395  * @rand_: a #GdRand
 396  * @begin: lower closed bound of the interval
 397  * @end: upper open bound of the interval
 398  *
 399  * Returns the next random #int from @rand_ equally distributed over
 400  * the range [@begin..@end-1].
 401  *
 402  * Returns: a random number
 403  */
 404 int
 405 gd_rand_int_range (GdRand *rand, int begin, int end)
 406 {
 407   unsigned int dist = end - begin;
 408   unsigned int random = 0;
 409
 410   if (rand == NULL || end <= begin)
 411     return begin;
 412
 413   if (dist == 0)
 414     return begin;
 415
 416   /* maxvalue is set to the predecessor of the greatest
 417    * multiple of dist less or equal 2^32.
 418    */
 419   unsigned int maxvalue;
 420   if (dist <= 0x80000000u) // 2^31
 421   {
 422     // maxvalue = 2^32 - 1 - (2^32 % dist)
 423     unsigned int leftover = (0x80000000u % dist) * 2;
 424     if (leftover >= dist) leftover -= dist;
 425     maxvalue = 0xffffffffu - leftover;
 426   }
 427   else
 428   {
 429     maxvalue = dist - 1;
 430   }
 431
 432   do
 433     random = gd_rand_int (rand);
 434   while (random > maxvalue);
 435
 436   random %= dist;
 437
 438   return begin + random;
 439 }
 440
 441 /**
 442  * gd_rand_double:
 443  * @rand_: a #GRand
 444  *
 445  * Returns the next random #double from @rand_ equally distributed over
 446  * the range [0..1).
 447  *
 448  * Returns: a random number
 449  */
 450 double
 451 gd_rand_double (GdRand *rand)
 452 {
 453   /* We set all 52 bits after the point for this, not only the first
 454      32. That's why we need two calls to gd_rand_int */
 455   double retval = gd_rand_int(rand) * GD_RAND_DOUBLE_TRANSFORM;
 456   retval = (retval + gd_rand_int(rand)) * GD_RAND_DOUBLE_TRANSFORM;
 457
 458   /* The following might happen due to very bad rounding luck, but
 459    * actually this should be more than rare, we just try again then */
 460   if (retval >= 1.0)
 461     return gd_rand_double (rand);
 462
 463   return retval;
 464 }
 465
 466 /**
 467  * gd_rand_double_range:
 468  * @rand_: a #GRand
 469  * @begin: lower closed bound of the interval
 470  * @end: upper open bound of the interval
 471  *
 472  * Returns the next random #double from @rand_ equally distributed over
 473  * the range [@begin..@end).
 474  *
 475  * Returns: a random number
 476  */
 477 double
 478 gd_rand_double_range (GdRand *rand, double begin, double end)
 479 {
 480   double r;
 481
 482   r = gd_rand_double(rand);
 483
 484   return r * end - (r - 1) * begin;
 485 }
 486
 487 static GdRand *
 488 get_global_random (void)
 489 {
 490   static GdRand *global_random;
 491
 492   // called while locked
 493   if (!global_random)
 494     global_random = gd_rand_new();
 495
 496   return global_random;
 497 }
 498
 499 /**
 500  * gd_random_boolean:
 501  *
 502  * Returns a random #gboolean.
 503  * This corresponds to an unbiased coin toss.
 504  *
 505  * Returns: a random #gboolean
 506  */
 507 /**
 508  * gd_random_int:
 509  *
 510  * Return a random #guint32 equally distributed over the range
 511  * [0..2^32-1].
 512  *
 513  * Returns: a random number
 514  */
 515 unsigned int
 516 gd_random_int (void)
 517 {
 518   unsigned int result;
 519
 520   result = gd_rand_int(get_global_random());
 521
 522   return result;
 523 }
 524
 525 /**
 526  * gd_random_int_range:
 527  * @begin: lower closed bound of the interval
 528  * @end: upper open bound of the interval
 529  *
 530  * Returns a random #int equally distributed over the range
 531  * [@begin..@end-1].
 532  *
 533  * Returns: a random number
 534  */
 535 int
 536 gd_random_int_range (int begin, int end)
 537 {
 538   int result;
 539
 540   result = gd_rand_int_range (get_global_random(), begin, end);
 541
 542   return result;
 543 }
 544
 545 /**
 546  * gd_random_double:
 547  *
 548  * Returns a random #double equally distributed over the range [0..1).
 549  *
 550  * Returns: a random number
 551  */
 552 double
 553 gd_random_double (void)
 554 {
 555   double result;
 556
 557   result = gd_rand_double(get_global_random());
 558
 559   return result;
 560 }
 561
 562 /**
 563  * gd_random_double_range:
 564  * @begin: lower closed bound of the interval
 565  * @end: upper open bound of the interval
 566  *
 567  * Returns a random #double equally distributed over the range
 568  * [@begin..@end).
 569  *
 570  * Returns: a random number
 571  */
 572 double
 573 gd_random_double_range (double begin, double end)
 574 {
 575   double result;
 576
 577   result = gd_rand_double_range(get_global_random(), begin, end);
 578
 579   return result;
 580 }