]> git.llucax.com Git - z.facultad/75.29/dale.git/blob - src/number.h
a079e8f45dfc58dd7a04928e242100c1e65dbd01
[z.facultad/75.29/dale.git] / src / number.h
1 #ifdef _WIN32
2 // min y max entran en conflicto con la windows.h, son rebautizadas en Windows
3 #define min _cpp_min
4 #define max _cpp_max
5 #endif
6
7 #ifdef DEBUG
8 #include <iostream>
9 #endif
10
11 #include <deque>
12 #include <utility>
13 #include <algorithm>
14 #include <iomanip>
15 #include <cassert>
16
17 #ifdef _WIN32
18 // VC++ no tiene la stdint.h, se agrega a mano
19 #include "stdint.h"
20 #else
21 #include <stdint.h>
22 #endif
23
24 enum sign_type { positive, negative };
25
26
27 /* sizeof(E) tiene que ser 2*sizeof(N); y son los tipos nativos con los cuales
28  * se haran las operaciones mas basicas. */
29
30 template < typename N, typename E >
31 struct number;
32
33 template < typename N, typename E >
34 std::ostream& operator<< (std::ostream& os, const number< N, E >& n);
35
36 template < typename N = uint32_t, typename E = uint64_t >
37 struct number
38 {
39
40         // Tipos
41         typedef N native_type;
42         typedef E extended_type;
43         typedef typename std::deque< native_type > chunk_type;
44         typedef typename chunk_type::size_type size_type;
45         typedef typename chunk_type::iterator iterator;
46         typedef typename chunk_type::const_iterator const_iterator;
47         typedef typename chunk_type::reverse_iterator reverse_iterator;
48         typedef typename chunk_type::const_reverse_iterator const_reverse_iterator;
49
50         // Constructores (después de construído, el chunk siempre tiene al
51         // menos un elemento).
52         // Constructor default (1 'átomo con valor 0)
53         number(): chunk(1, 0) {}
54
55         // Constructor a partir de buffer (de 'átomos') y tamaño
56         // Copia cada elemento del buffer como un 'átomo' del chunk
57         // (el átomo menos significativo es el chunk[0] == buf[0])
58         number(native_type* buf, size_type len, sign_type sign = positive):
59                 chunk(buf, buf + len), sign(sign)
60         {
61                 fix_empty();
62         }
63
64         // Constructor a partir de un 'átomo' (lo asigna como único elemento
65         // del chunk). Copia una vez N en el vector.
66         number(native_type n, sign_type sign = positive):
67                 chunk(1, n), sign(sign) {}
68
69         number(const std::string& str);
70
71         // Operadores
72         number& operator++ ()
73         {
74                 carry(0);
75                 return *this;
76         }
77
78         number& operator+= (const number& n);
79         number& operator*= (const number& n);
80         number& operator<<= (const size_type n);
81         number& operator-= (const number& n);
82         bool    operator< (const number& n);
83         bool operator==(const number& n) const;
84
85         // Devuelve referencia a 'átomo' i del chunk (no debería ser necesario
86         // si la multiplicación es un método de este objeto).
87         native_type& operator[] (size_type i)
88         {
89                 return chunk[i];
90         }
91
92         // Iteradores (no deberían ser necesarios)
93         iterator begin() { return chunk.begin(); }
94         iterator end() { return chunk.end(); }
95         const_iterator begin() const { return chunk.begin(); }
96         const_iterator end() const { return chunk.end(); }
97         reverse_iterator rbegin() { return chunk.rbegin(); }
98         reverse_iterator rend() { return chunk.rend(); }
99         const_reverse_iterator rbegin() const { return chunk.rbegin(); }
100         const_reverse_iterator rend() const { return chunk.rend(); }
101
102         // Friends
103         template < typename NN, typename EE >
104         friend std::ostream& operator<< (std::ostream& os, const number< NN, EE>& n);
105
106         // Atributos
107         //private:
108         chunk_type chunk;
109         sign_type sign;
110
111         // Helpers
112         // parte un número en dos mitades de misma longitud, devuelve un par de
113         // números con (low, high)
114         std::pair< number, number > split() const;
115         // Pone un chunk en 0 para que sea un invariante de representación que
116         // el chunk no sea vacío (siempre tenga la menos un elemento).
117         void fix_empty() { if (!chunk.size()) chunk.push_back(0); }
118         // Propaga carry a partir del 'átomo' i (suma 1 al 'átomo' i propagando
119         // carry)
120         void carry(size_type i)
121         {
122                 if (chunk.size() > i)
123                 {
124                         ++chunk[i];
125                         if (chunk[i] == 0)
126                                 carry(i+1); // Overflow
127                 }
128                 else
129                         chunk.push_back(1);
130         }
131         // Propaga borrow a partir del 'átomo' i (resta 1 al 'átomo' i propagando
132         // borrow)
133         void borrow(size_type i)
134         {
135                 if (chunk.size() >= i)
136                 {
137                         if (chunk[i] == 0)
138                         {
139                                 borrow(i+1); // Overflow, pido prestado
140                                 chunk[i] = ~((N)0); //quedo con el valor máximo
141                         }
142                         else
143                         {
144                                 --chunk[i]; //tengo para dar, pero pierdo uno yo
145                         }
146                 }
147                 //else ERROR, están haciendo a-b con a>b
148         }
149         // Verifica si es un número par
150         bool es_impar() const
151         {
152                 return chunk[0] & 1; // Bit menos significativo
153         }
154         // Divide por 2.
155         number dividido_dos() const
156         {
157                 number n = *this;
158                 bool lsb = 0; // bit menos significativo
159                 bool msb = 0; // bit más significativo
160                 for (typename chunk_type::reverse_iterator i = n.chunk.rbegin();
161                                 i != n.chunk.rend(); ++i)
162                 {
163                         lsb = *i & 1; // bit menos significativo
164                         *i >>= 1;     // shift
165                         // seteo bit más significativo de ser necesario
166                         if (msb)
167                                 *i |= 1 << (sizeof(native_type) * 8 - 1);
168                         msb = lsb;
169                 }
170                 return n;
171         }
172
173 };
174
175 template < typename N, typename E >
176 number< N, E >::number(const std::string& origen)
177 {
178         const N MAX_N = (~( (N)0 ) );
179         E increment = 0;
180         E acum = 0;
181
182         unsigned length = origen.length();
183         unsigned number_offset = 0;
184
185         while (number_offset<length)
186         {
187                 // si encuentro un signo + ó - corto
188                 if (!isdigit(origen[length-number_offset-1]))
189                         break;
190
191                 increment = (10*number_offset)*(origen[length-number_offset-1]-'0');
192                 if ((acum + increment) > MAX_N)
193                 {
194                         chunk.push_back(acum);
195                 }
196
197         }
198
199
200 }
201
202 template < typename N, typename E >
203 number< N, E >& number< N, E >::operator+= (const number< N, E >& n)
204 {
205         native_type c = 0;
206         size_type ini = 0;
207         size_type fin = std::min(chunk.size(), n.chunk.size());
208         size_type i; //problema de VC++, da error de redefinición
209
210         // "intersección" entre ambos chunks
211         // +-----+-----+------+------+
212         // |     |     |      |      | <--- mio
213         // +-----+-----+------+------+
214         // +-----+-----+------+
215         // |     |     |      |        <--- chunk de n
216         // +-----+-----+------+
217         //
218         // |------------------|
219         // Esto se procesa en este for
220         for (i = ini; i < fin; ++i)
221         {
222                 chunk[i] += n.chunk[i] + c;
223                 if ((chunk[i] < n.chunk[i]) || \
224                                 ( (n.chunk[i] == 0) && c && (chunk[i] == 0) ))
225                         c = 1; // Overflow
226                 else
227                         c = 0; // OK
228         }
229
230         // si mi chunk es más grande que el del otro, sólo me queda
231         // propagar el carry
232         if (chunk.size() >= n.chunk.size())
233         {
234                 if (c)
235                         carry(fin); // Propago carry
236                 return *this;
237         }
238
239         // Hay más
240         // +-----+-----+------+
241         // |     |     |      |         <--- mío
242         // +-----+-----+------+
243         // +-----+-----+------+------+
244         // |     |     |      |      |  <--- chunk de n
245         // +-----+-----+------+------+
246         //
247         //                    |------|
248         //            Esto se procesa en este for
249         // (suma los chunks de n propagando algún carry si lo había)
250         ini = fin;
251         fin = n.chunk.size();
252         for (i = ini; i < fin; ++i)
253         {
254                 chunk.push_back(n.chunk[i] + c); // Agrego nuevo átomo
255                 if (chunk[i] != 0 || !c)
256                         c = 0; // OK
257                 else
258                         c = 1; // Overflow
259         }
260
261         // Si me queda algún carry colgado, hay que agregar un "átomo"
262         // más al chunk.
263         if (c)
264                 chunk.push_back(1); // Último carry
265
266         return *this;
267 }
268
269 template < typename N, typename E >
270 number< N, E > operator+ (const number< N, E >& n1, const number< N, E >& n2)
271 {
272         number< N, E > tmp = n1;
273         tmp += n2;
274         return tmp;
275 }
276
277 template < typename N, typename E >
278 number< N, E >& number< N, E >::operator-= (const number< N, E >& n)
279 {
280         // minuendo - substraendo
281         number< N, E > minuend;
282         number< N, E > subtrahend;
283
284         // voy a hacer siempre el mayor menos el menor
285         if (*this < n)
286         {
287                 minuend = n;
288                 subtrahend = *this;
289                 //minuendo < sustraendo => resultado negativo
290                 minuend.sign = negative;
291         }
292         else
293         {
294                 minuend = *this;
295                 subtrahend = n;
296                 //minuendo > sustraendo => resultado positivo
297                 minuend.sign = positive;
298         }
299
300         native_type c = 0;
301         size_type ini = 0;
302         size_type fin = std::min(minuend.chunk.size(), subtrahend.chunk.size());
303         size_type i; //problema de VC++, da error de redefinición
304
305         //estoy seguro de que minuend > subtrahend, con lo cual itero hasta el size del
306         //menor de los dos. Si el otro es más grande, puede ser que esté lleno de 0's pero
307         //no puede ser realmente mayor como cifra
308         for (i = ini; i < fin; ++i)
309         {
310                 // si no alcanza para restar pido prestado
311                 if ((minuend.chunk[i] < subtrahend.chunk[i]))
312                 {
313                         minuend.borrow(i);
314                 }
315                 
316                 // resto el chunk i-ésimo
317                 minuend.chunk[i] -= subtrahend.chunk[i];
318         }
319
320         //retorno el minuendo ya restado
321         *this = minuend;
322         return *this;
323 }
324
325 template < typename N, typename E >
326 number< N, E > operator- (const number< N, E >& n1, const number< N, E >& n2)
327 {
328         number< N, E > tmp = n1;
329         tmp -= n2;
330         return tmp;
331 }
332
333
334 template < typename N, typename E >
335 bool number< N, E >::operator< (const number< N, E >& n)
336 {
337         number< N, E > n1 = *this;
338         number< N, E > n2 = n;
339
340         // igualo los largos
341         normalize_length(n1, n2);
342
343         // obtengo el largo
344         size_type length = n1.chunk.size();
345         size_type i = length - 1;
346
347         // me voy fijando desde "la cifra" más significativa si alguno es menor que el otro
348         // sigo iterando si son iguales hasta recorrer todo el número hasta la parte menos significativa
349         while (i > 0)
350         {
351                 if (n1[i]<n2[i])
352                         return true;
353                 if (n1[i]>n2[i])
354                         return false;
355
356                 i--;
357         }
358
359         // si llegué hasta acá es porque son iguales, por lo tanto no es menor estricto
360         return false;
361
362 }
363
364 // efectúa un shifteo a izquierda del chunk, agregando 0s en los casilleros menos significativos
365 template < typename N, typename E >
366 number< N, E >& number< N, E >::operator<<= (size_type n)
367 {
368         size_type i;
369         for (i = 0; i < n; i++)
370         {
371                 chunk.push_front(0);
372         }
373         return *this;
374 }
375
376 template < typename N, typename E >
377 number< N, E > operator<< (const number< N, E >& n, typename number< N, E >::size_type m)
378 {
379         number< N, E > tmp = n;
380         tmp <<= m;
381         return tmp;
382 }
383
384 template < typename N, typename E >
385 std::ostream& operator<< (std::ostream& os, const number< N, E >& n)
386 {
387         // FIXME sacar una salida bonita en ASCII =)
388         if (n.sign == positive)
389                 os << "+ ";
390         else
391                 os << "- ";
392         for (typename number< N, E >::const_reverse_iterator i = n.chunk.rbegin();
393                         i != n.chunk.rend(); ++i)
394                 os << std::setfill('0') << std::setw(sizeof(N) * 2) << std::hex
395                         << *i << " ";
396         return os;
397 }
398
399 template < typename N, typename E >
400 bool number< N, E >::operator==(const number< N, E >& n) const
401 {
402         if (sign != n.sign)
403         {
404                 return false;
405         }
406
407         size_type ini = 0;
408         size_type fin = std::min(chunk.size(), n.chunk.size());
409         size_type i; //problema de VC++, da error de redefinición
410
411         // "intersección" entre ambos chunks
412         // +-----+-----+------+------+
413         // |     |     |      |      | <--- mio
414         // +-----+-----+------+------+
415         // +-----+-----+------+
416         // |     |     |      |        <--- chunk de n
417         // +-----+-----+------+
418         //
419         // |------------------|
420         // Esto se procesa en este for
421         for (i = ini; i < fin; ++i)
422         {
423                 if (chunk[i] != n.chunk[i])
424                 {
425                         return false;
426                 }
427         }
428
429         // si mi chunk es más grande que el del otro, sólo me queda
430         // ver si el resto es cero.
431         chunk_type const *chunk_grande = 0;
432         if (chunk.size() > n.chunk.size())
433         {
434                 chunk_grande = &chunk;
435                 fin = chunk.size() - n.chunk.size();
436         }
437         else if (chunk.size() < n.chunk.size())
438         {
439                 chunk_grande = &n.chunk;
440                 fin = n.chunk.size() - chunk.size();
441         }
442         if (chunk_grande) // Si tienen tamaños distintos, vemos que el resto sea cero.
443         {
444                 for (; i < fin; ++i) // Sigo desde el i que había quedado
445                 {
446                         if ((*chunk_grande)[i] != 0)
447                         {
448                                 return false;
449                         }
450                 }
451         }
452         return true; // Son iguales
453 }
454
455 template < typename N, typename E >
456 number< N, E >& number< N, E >::operator*= (const number< N, E >& n)
457 {
458         //number < N, E > r_op = n;
459         //normalize_length(n);
460         //n.normalize_length(*this);
461         *this = naif(*this, n);
462         return *this;
463 }
464
465 template < typename N, typename E >
466 number< N, E > operator* (const number< N, E >& n1, const number< N, E >& n2)
467 {
468         return naif(n1, n2);
469 }
470
471 template < typename N, typename E >
472 std::pair< number< N, E >, number< N, E > > number< N, E >::split() const
473 {
474         typedef number< N, E > num_type;
475         typename num_type::size_type full_size = chunk.size();
476         typename num_type::size_type halves_size = full_size / 2;
477         typename num_type::size_type i = 0;
478
479         // vacío las mitades
480         std::pair< num_type, num_type > par;
481
482         // la primera mitad va al pedazo inferior
483         par.first.chunk[0] = chunk[0];
484         for (i = 1; i < halves_size; i++)
485         {
486                 par.first.chunk.push_back(chunk[i]);
487         }
488
489         // la segunda mitad (si full_size es impar es 1 más que la primera
490         // mitad) va al pedazo superior
491         par.second.chunk[0] = chunk[i];
492         for (i++ ; i < full_size; i++)
493         {
494                 par.second.chunk.push_back(chunk[i]);
495         }
496         return par;
497 }
498
499
500 template < typename N, typename E >
501 void normalize_length(number< N, E >& u, number< N, E >& v)
502 {
503         typedef number< N, E > num_type;
504         typename num_type::size_type max, p, t, pot2;
505
506         max = std::max(u.chunk.size(), v.chunk.size());
507
508         /* Buscamos hacer crecer a ambos a la potencia de 2 mas proxima; para
509          * lo cual la obtenemos y guardamos en p. */
510         t = max;
511         p = 0;
512         while (t != 0) {
513                 t = t >> 1;
514                 p++;
515         }
516
517         /* Ahora guardamos en pot2 el tamaño que deben tener. */
518         pot2 = 1 << p;
519
520         /* Y finalmente hacemos crecer los dos numeros agregando 0s hasta
521          * completar sus tamaños. */
522         while (u.chunk.size() < pot2)
523                 u.chunk.push_back(0);
524
525         while (v.chunk.size() < pot2)
526                 v.chunk.push_back(0);
527
528         return;
529 }
530
531
532 /* Algoritmo "naif" (por no decir "cabeza" o "bruto") de multiplicacion. */
533 template < typename N, typename E >
534 number < N, E > naif(const number< N, E > &u, const number< N, E > &v)
535 {
536         typedef number< N, E > num_type;
537
538         // tomo el chunk size de u (el de v DEBE ser el mismo)
539         typename num_type::size_type chunk_size = u.chunk.size();
540
541         sign_type sign;
542
543         if ( (u.sign == positive && v.sign == positive) ||
544                         (u.sign == negative && v.sign == negative) ) {
545                 sign = positive;
546         } else {
547                 sign = negative;
548         }
549
550         //printf("naif %d %d\n", u.chunk.size(), v.chunk.size() );
551
552         if (chunk_size == 1)
553         {
554                 /* Si llegamos a multiplicar dos de tamaño 1, lo que hacemos
555                  * es usar la multiplicacion nativa del tipo N, guardando el
556                  * resultado en el tipo E (que sabemos es del doble de tamaño
557                  * de N, ni mas ni menos).
558                  * Luego, armamos un objeto number usando al resultado como
559                  * buffer. Si, es feo.
560                  */
561                 E tmp;
562                 tmp = static_cast< E >(u.chunk[0]) * static_cast< E >(v.chunk[0]);
563                 num_type tnum = num_type(reinterpret_cast< N* >(&tmp), 2, sign);
564                 //std::cout << "T:" << tnum << " " << tmp << "\n";
565                 //printf("1: %lu %lu %llu\n", u.chunk[0], v.chunk[0], tmp);
566                 return tnum;
567         }
568
569         std::pair< num_type, num_type > u12 = u.split();
570         std::pair< num_type, num_type > v12 = v.split();
571
572         //std::cout << "u:" << u12.first << " - " << u12.second << "\n";
573         //std::cout << "v:" << v12.first << " - " << v12.second << "\n";
574
575         /* m11 = u1*v1
576          * m12 = u1*v2
577          * m21 = u2*v1
578          * m22 = u2*v2
579          */
580         num_type m11 = naif(u12.first, v12.first);
581         num_type m12 = naif(u12.first, v12.second);
582         num_type m21 = naif(u12.second, v12.first);
583         num_type m22 = naif(u12.second, v12.second);
584
585         /*
586         printf("csize: %d\n", chunk_size);
587         std::cout << "11 " << m11 << "\n";
588         std::cout << "12 " << m12 << "\n";
589         std::cout << "21 " << m21 << "\n";
590         std::cout << "22 " << m22 << "\n";
591         */
592
593         /* u*v = (u1*v1) * 2^n + (u1*v2 + u2*v1) * 2^(n/2) + u2*v2
594          * PERO! Como los numeros estan "al reves" nos queda:
595          *     = m22 * 2^n + (m12 + m21) * 2^(n/2) + m11
596          * FIXME: seria mejor hacer el acomode en la llamada a naif arriba?
597          */
598         num_type res;
599         res = m22 << chunk_size;
600         res = res + ((m12 + m21) << (chunk_size / 2));
601         res = res + m11;
602         res.sign = sign;
603         /*
604         std::cout << "r: " << res << "\n";
605         std::cout << "\n";
606         */
607         return res;
608 }
609
610
611 /* Algoritmo de multiplicacion de Karatsuba-Ofman
612  * Ver los comentarios del algoritmo naif, es practicamente identico salvo en
613  * los calculos numericos que se especifican debajo.
614  */
615 template < typename N, typename E >
616 number < N, E > karatsuba(const number< N, E > &u, const number< N, E > &v)
617 {
618         typedef number< N, E > num_type;
619
620         typename num_type::size_type chunk_size = u.chunk.size();
621
622         sign_type sign;
623
624         if ( (u.sign == positive && v.sign == positive) ||
625                         (u.sign == negative && v.sign == negative) ) {
626                 sign = positive;
627         } else {
628                 sign = negative;
629         }
630
631         if (chunk_size == 1) {
632                 E tmp;
633                 tmp = static_cast< E >(u.chunk[0]) * static_cast< E >(v.chunk[0]);
634                 num_type tnum = num_type(static_cast< N* >(&tmp), 2, sign);
635                 return tnum;
636         }
637
638         std::pair< num_type, num_type > u12 = u.split();
639         std::pair< num_type, num_type > v12 = v.split();
640
641         // Los nombres M, D y H los puso Rosita en clase, cambiar si se les
642         // ocurren algunos mejores!
643         // m = u1*v1
644         // d = u2*v2
645         // h = (u1+v1)*(u2+v2) = u1*u2+u1*v2+u2*v1+u2*v2
646         num_type m = karastuba(u12.second, v12.second);
647         num_type d = karastuba(u12.first, v12.first);
648         num_type h = karastuba(u12.second + v12.second,
649                         u12.first + v12.first);
650
651         // H-D-M = u1*u2+u1*v2+u2*v1+u2*v2 - u2*v2 - u1*v1 = u1*v2+u2*v1
652         // u1*v1 << base^N + u1*v2+u2*v1 << base^N/2 + u2*v2
653         num_type res;
654         res = (m << chunk_size) + ((h - d - m) << (chunk_size / 2) ) + h;
655         res.sign = sign;
656         return res;
657 }
658
659
660 /* Potenciacion usando multiplicaciones sucesivas.
661  * Toma dos parametros u y v, devuelve u^v; asume v positivo.
662  */
663 template < typename N, typename E >
664 number < N, E > pot_ko(const number< N, E > &u, const number< N, E > &v)
665 {
666         assert(v.sign == positive);
667         number< N, E > res, i;
668
669         res = u;
670         res.sign = u.sign;
671
672         for (i = 1; i < v; i += 1) {
673                 res *= u;
674         }
675
676         return res;
677 }
678
679 /* Potenciacion usando división y conquista.
680  * Toma dos parametros u y v, devuelve u^v; asume v positivo.
681  *
682  * El pseudocódigo del algoritmo es:
683  * pot(x, y):
684  *      if y == 1:
685  *              return x
686  *      res = pot(x, y/2)
687  *      res = res * res
688  *      if y es impar:
689  *              res = res * x
690  *      return res
691  *
692  * Es O(n) ya que la ecuación es T(n) = T(n/2) + O(1)
693  *
694  * El grafo que lo 'representa' (siendo los nodos el exponente y) algo como:
695  *
696  *                      1 3
697  *                   _/  |  \_
698  *                 _/    |    \_
699  *                /      |      \
700  *               6       1       6
701  *             /   \           /   \
702  *            /     \         /     \
703  *           3       3       3       3
704  *          /|\     /|\     /|\     /|\
705  *         2 1 2   2 1 2   2 1 2   2 1 2
706  *        / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \
707  *        1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
708  *
709  */
710 template < typename N, typename E >
711 number< N, E > pot_dyc(const number< N, E > &x, const number< N, E > &y)
712 {
713         assert(y.sign == positive);
714         //std::cout << "pot(" << x << ", " << y << ")\n";
715         if (y == number< N, E >(1))
716         {
717                 std::cout << "y es 1 => FIN pot(" << x << ", " << y << ")\n";
718                 return x;
719         }
720         number< N, E > res = pot_dyc(x, y.dividido_dos());
721         //std::cout << "y.dividido_dos() = " << y.dividido_dos() << "\n";
722         //std::cout << "res = " << res << "\n";
723         res *= res;
724         //std::cout << "res = " << res << "\n";
725         if (y.es_impar())
726         {
727                 //std::cout << y << " es IMPAR => ";
728                 res *= x; // Multiplico por el x que falta
729                 //std::cout << "res = " << res << "\n";
730         }
731         //std::cout << "FIN pot(" << x << ", " << y << ")\n\n";
732         return res;
733 }
734