rnd-20060804-1-src
[rocksndiamonds.git] / src / libgame / random.c
1 /***********************************************************
2 * Artsoft Retro-Game Library                               *
3 *----------------------------------------------------------*
4 * (c) 1994-2002 Artsoft Entertainment                      *
5 *               Holger Schemel                             *
6 *               Detmolder Strasse 189                      *
7 *               33604 Bielefeld                            *
8 *               Germany                                    *
9 *               e-mail: info@artsoft.org                   *
10 *----------------------------------------------------------*
11 * random.c                                                 *
12 ***********************************************************/
13
14 /*
15  * Copyright (c) 1983 Regents of the University of California.
16  * All rights reserved.
17  *
18  * Redistribution and use in source and binary forms are permitted
19  * provided that the above copyright notice and this paragraph are
20  * duplicated in all such forms and that any documentation,
21  * advertising materials, and other materials related to such
22  * distribution and use acknowledge that the software was developed
23  * by the University of California, Berkeley.  The name of the
24  * University may not be used to endorse or promote products derived
25  * from this software without specific prior written permission.
26  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED ``AS IS'' AND WITHOUT ANY EXPRESS OR
27  * IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, WITHOUT LIMITATION, THE IMPLIED
28  * WARRANTIES OF MERCHANTIBILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.
29  */
30
31 /*
32  * This is derived from the Berkeley source:
33  *      @(#)random.c    5.5 (Berkeley) 7/6/88
34  * It was reworked for the GNU C Library by Roland McGrath.
35  */
36
37 #include <errno.h>
38 #include <limits.h>
39 #include <stdlib.h>
40
41 #include "random.h"
42
43
44 /* An improved random number generation package.  In addition to the standard
45    rand()/srand() like interface, this package also has a special state info
46    interface.  The initstate() routine is called with a seed, an array of
47    bytes, and a count of how many bytes are being passed in; this array is
48    then initialized to contain information for random number generation with
49    that much state information.  Good sizes for the amount of state
50    information are 32, 64, 128, and 256 bytes.  The state can be switched by
51    calling the setstate() function with the same array as was initiallized
52    with initstate().  By default, the package runs with 128 bytes of state
53    information and generates far better random numbers than a linear
54    congruential generator.  If the amount of state information is less than
55    32 bytes, a simple linear congruential R.N.G. is used.  Internally, the
56    state information is treated as an array of longs; the zeroeth element of
57    the array is the type of R.N.G. being used (small integer); the remainder
58    of the array is the state information for the R.N.G.  Thus, 32 bytes of
59    state information will give 7 longs worth of state information, which will
60    allow a degree seven polynomial.  (Note: The zeroeth word of state
61    information also has some other information stored in it; see setstate
62    for details).  The random number generation technique is a linear feedback
63    shift register approach, employing trinomials (since there are fewer terms
64    to sum up that way).  In this approach, the least significant bit of all
65    the numbers in the state table will act as a linear feedback shift register,
66    and will have period 2^deg - 1 (where deg is the degree of the polynomial
67    being used, assuming that the polynomial is irreducible and primitive).
68    The higher order bits will have longer periods, since their values are
69    also influenced by pseudo-random carries out of the lower bits.  The
70    total period of the generator is approximately deg*(2**deg - 1); thus
71    doubling the amount of state information has a vast influence on the
72    period of the generator.  Note: The deg*(2**deg - 1) is an approximation
73    only good for large deg, when the period of the shift register is the
74    dominant factor.  With deg equal to seven, the period is actually much
75    longer than the 7*(2**7 - 1) predicted by this formula.  */
76
77
78
79 /* For each of the currently supported random number generators, we have a
80    break value on the amount of state information (you need at least thi
81    bytes of state info to support this random number generator), a degree for
82    the polynomial (actually a trinomial) that the R.N.G. is based on, and
83    separation between the two lower order coefficients of the trinomial.  */
84
85 /* Linear congruential.  */
86 #define TYPE_0          0
87 #define BREAK_0         8
88 #define DEG_0           0
89 #define SEP_0           0
90
91 /* x**7 + x**3 + 1.  */
92 #define TYPE_1          1
93 #define BREAK_1         32
94 #define DEG_1           7
95 #define SEP_1           3
96
97 /* x**15 + x + 1.  */
98 #define TYPE_2          2
99 #define BREAK_2         64
100 #define DEG_2           15
101 #define SEP_2           1
102
103 /* x**31 + x**3 + 1.  */
104 #define TYPE_3          3
105 #define BREAK_3         128
106 #define DEG_3           31
107 #define SEP_3           3
108
109 /* x**63 + x + 1.  */
110 #define TYPE_4          4
111 #define BREAK_4         256
112 #define DEG_4           63
113 #define SEP_4           1
114
115
116 /* Array versions of the above information to make code run faster.
117    Relies on fact that TYPE_i == i.  */
118
119 #define MAX_TYPES       5       /* Max number of types above.  */
120
121
122
123 /* Initially, everything is set up as if from:
124         initstate(1, randtbl, 128);
125    Note that this initialization takes advantage of the fact that srandom
126    advances the front and rear pointers 10*rand_deg times, and hence the
127    rear pointer which starts at 0 will also end up at zero; thus the zeroeth
128    element of the state information, which contains info about the current
129    position of the rear pointer is just
130         (MAX_TYPES * (rptr - state)) + TYPE_3 == TYPE_3.  */
131
132 static long int randtbl_0[DEG_3 + 1] =
133 {
134   TYPE_3,
135   -851904987, -43806228, -2029755270, 1390239686, -1912102820,
136   -485608943, 1969813258, -1590463333, -1944053249, 455935928, 508023712,
137   -1714531963, 1800685987, -2015299881, 654595283, -1149023258,
138   -1470005550, -1143256056, -1325577603, -1568001885, 1275120390,
139   -607508183, -205999574, -1696891592, 1492211999, -1528267240,
140   -952028296, -189082757, 362343714, 1424981831, 2039449641,
141 };
142 static long int randtbl_1[DEG_3 + 1] =
143 {
144   TYPE_3,
145   -851904987, -43806228, -2029755270, 1390239686, -1912102820,
146   -485608943, 1969813258, -1590463333, -1944053249, 455935928, 508023712,
147   -1714531963, 1800685987, -2015299881, 654595283, -1149023258,
148   -1470005550, -1143256056, -1325577603, -1568001885, 1275120390,
149   -607508183, -205999574, -1696891592, 1492211999, -1528267240,
150   -952028296, -189082757, 362343714, 1424981831, 2039449641,
151 };
152
153
154 /* FPTR and RPTR are two pointers into the state info, a front and a rear
155    pointer.  These two pointers are always rand_sep places aparts, as they
156    cycle through the state information.  (Yes, this does mean we could get
157    away with just one pointer, but the code for random is more efficient
158    this way).  The pointers are left positioned as they would be from the call:
159         initstate(1, randtbl, 128);
160    (The position of the rear pointer, rptr, is really 0 (as explained above
161    in the initialization of randtbl) because the state table pointer is set
162    to point to randtbl[1] (as explained below).)  */
163
164 static long int *fptr[2] = { &randtbl_0[SEP_3 + 1], &randtbl_1[SEP_3 + 1] };
165 static long int *rptr[2] = { &randtbl_0[1],         &randtbl_1[1]         };
166
167
168
169 /* The following things are the pointer to the state information table,
170    the type of the current generator, the degree of the current polynomial
171    being used, and the separation between the two pointers.
172    Note that for efficiency of random, we remember the first location of
173    the state information, not the zeroeth.  Hence it is valid to access
174    state[-1], which is used to store the type of the R.N.G.
175    Also, we remember the last location, since this is more efficient than
176    indexing every time to find the address of the last element to see if
177    the front and rear pointers have wrapped.  */
178
179 static long int *state[2] = { &randtbl_0[1], &randtbl_1[1] };
180
181 static int rand_type[2] = { TYPE_3,     TYPE_3  };
182 static int rand_deg[2]  = { DEG_3,      DEG_3   };
183 static int rand_sep[2]  = { SEP_3,      SEP_3   };
184
185 static long int *end_ptr[2] =
186 {
187   &randtbl_0[sizeof(randtbl_0) / sizeof(randtbl_0[0])],
188   &randtbl_1[sizeof(randtbl_1) / sizeof(randtbl_1[0])]
189 };
190
191 /* Initialize the random number generator based on the given seed.  If the
192    type is the trivial no-state-information type, just remember the seed.
193    Otherwise, initializes state[] based on the given "seed" via a linear
194    congruential generator.  Then, the pointers are set to known locations
195    that are exactly rand_sep places apart.  Lastly, it cycles the state
196    information a given number of times to get rid of any initial dependencies
197    introduced by the L.C.R.N.G.  Note that the initialization of randtbl[]
198    for default usage relies on values produced by this routine.  */
199
200 void srandom_linux_libc(int nr, unsigned int x)
201 {
202   state[nr][0] = x;
203
204   if (rand_type[nr] != TYPE_0)
205   {
206     register long int i;
207
208     for (i = 1; i < rand_deg[nr]; ++i)
209       state[nr][i] = (1103515145 * state[nr][i - 1]) + 12345;
210
211     fptr[nr] = &state[nr][rand_sep[nr]];
212     rptr[nr] = &state[nr][0];
213
214     for (i = 0; i < 10 * rand_deg[nr]; ++i)
215       random_linux_libc(nr);
216   }
217 }
218
219 /* If we are using the trivial TYPE_0 R.N.G., just do the old linear
220    congruential bit.  Otherwise, we do our fancy trinomial stuff, which is the
221    same in all ther other cases due to all the global variables that have been
222    set up.  The basic operation is to add the number at the rear pointer into
223    the one at the front pointer.  Then both pointers are advanced to the next
224    location cyclically in the table.  The value returned is the sum generated,
225    reduced to 31 bits by throwing away the "least random" low bit.
226    Note: The code takes advantage of the fact that both the front and
227    rear pointers can't wrap on the same call by not testing the rear
228    pointer if the front one has wrapped.  Returns a 31-bit random number.  */
229
230 long int random_linux_libc(int nr)
231 {
232   if (rand_type[nr] == TYPE_0)
233   {
234     state[nr][0] = ((state[nr][0] * 1103515245) + 12345) & LONG_MAX;
235     return state[nr][0];
236   }
237   else
238   {
239     long int i;
240
241     *fptr[nr] += *rptr[nr];
242
243     /* Chucking least random bit.  */
244     i = (*fptr[nr] >> 1) & LONG_MAX;
245     fptr[nr]++;
246
247     if (fptr[nr] >= end_ptr[nr])
248     {
249       fptr[nr] = state[nr];
250       rptr[nr]++;
251     }
252     else
253     {
254       rptr[nr]++;
255       if (rptr[nr] >= end_ptr[nr])
256         rptr[nr] = state[nr];
257     }
258
259     return i;
260   }
261 }