2 // min y max entran en conflicto con la windows.h, son rebautizadas en Windows
18 // VC++ no tiene la stdint.h, se agrega a mano
24 enum sign_type { positive, negative };
27 /* sizeof(E) tiene que ser 2*sizeof(N); y son los tipos nativos con los cuales
28 * se haran las operaciones mas basicas. */
30 template < typename N, typename E >
33 template < typename N, typename E >
34 std::ostream& operator<< (std::ostream& os, const number< N, E >& n);
36 template < typename N = uint32_t, typename E = uint64_t >
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;
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) {}
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)
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) {}
69 number(const std::string& str);
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;
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)
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(); }
103 template < typename NN, typename EE >
104 friend std::ostream& operator<< (std::ostream& os, const number< NN, EE>& n);
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
120 void carry(size_type i)
122 if (chunk.size() > i)
126 carry(i+1); // Overflow
131 // Propaga borrow a partir del 'átomo' i (resta 1 al 'átomo' i propagando
133 void borrow(size_type i)
135 if (chunk.size() >= i)
139 borrow(i+1); // Overflow, pido prestado
140 chunk[i] = ~((N)0); //quedo con el valor máximo
144 --chunk[i]; //tengo para dar, pero pierdo uno yo
147 //else ERROR, están haciendo a-b con a>b
149 // Verifica si es un número par
150 bool es_impar() const
152 return chunk[0] & 1; // Bit menos significativo
155 number dividido_dos() const
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)
163 lsb = *i & 1; // bit menos significativo
165 // seteo bit más significativo de ser necesario
167 *i |= 1 << (sizeof(native_type) * 8 - 1);
175 template < typename N, typename E >
176 number< N, E >::number(const std::string& origen)
178 const N MAX_N = (~( (N)0 ) );
182 unsigned length = origen.length();
183 unsigned number_offset = 0;
185 while (number_offset<length)
187 // si encuentro un signo + ó - corto
188 if (!isdigit(origen[length-number_offset-1]))
191 increment = (10*number_offset)*(origen[length-number_offset-1]-'0');
192 if ((acum + increment) > MAX_N)
194 chunk.push_back(acum);
202 template < typename N, typename E >
203 number< N, E >& number< N, E >::operator+= (const number< N, E >& n)
207 size_type fin = std::min(chunk.size(), n.chunk.size());
208 size_type i; //problema de VC++, da error de redefinición
210 // "intersección" entre ambos chunks
211 // +-----+-----+------+------+
212 // | | | | | <--- mio
213 // +-----+-----+------+------+
214 // +-----+-----+------+
215 // | | | | <--- chunk de n
216 // +-----+-----+------+
218 // |------------------|
219 // Esto se procesa en este for
220 for (i = ini; i < fin; ++i)
222 chunk[i] += n.chunk[i] + c;
223 if ((chunk[i] < n.chunk[i]) || \
224 ( (n.chunk[i] == 0) && c && (chunk[i] == 0) ))
230 // si mi chunk es más grande que el del otro, sólo me queda
232 if (chunk.size() >= n.chunk.size())
235 carry(fin); // Propago carry
240 // +-----+-----+------+
242 // +-----+-----+------+
243 // +-----+-----+------+------+
244 // | | | | | <--- chunk de n
245 // +-----+-----+------+------+
248 // Esto se procesa en este for
249 // (suma los chunks de n propagando algún carry si lo había)
251 fin = n.chunk.size();
252 for (i = ini; i < fin; ++i)
254 chunk.push_back(n.chunk[i] + c); // Agrego nuevo átomo
255 if (chunk[i] != 0 || !c)
261 // Si me queda algún carry colgado, hay que agregar un "átomo"
264 chunk.push_back(1); // Último carry
269 template < typename N, typename E >
270 number< N, E > operator+ (const number< N, E >& n1, const number< N, E >& n2)
272 number< N, E > tmp = n1;
277 template < typename N, typename E >
278 number< N, E >& number< N, E >::operator-= (const number< N, E >& n)
280 // minuendo - substraendo
281 number< N, E > minuend;
282 number< N, E > subtrahend;
284 // voy a hacer siempre el mayor menos el menor
289 //minuendo < sustraendo => resultado negativo
290 minuend.sign = negative;
296 //minuendo > sustraendo => resultado positivo
297 minuend.sign = positive;
302 size_type fin = std::min(minuend.chunk.size(), subtrahend.chunk.size());
303 size_type i; //problema de VC++, da error de redefinición
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)
310 // si no alcanza para restar pido prestado
311 if ((minuend.chunk[i] < subtrahend.chunk[i]))
316 // resto el chunk i-ésimo
317 minuend.chunk[i] -= subtrahend.chunk[i];
320 //retorno el minuendo ya restado
325 template < typename N, typename E >
326 number< N, E > operator- (const number< N, E >& n1, const number< N, E >& n2)
328 number< N, E > tmp = n1;
334 template < typename N, typename E >
335 bool number< N, E >::operator< (const number< N, E >& n)
337 number< N, E > n1 = *this;
338 number< N, E > n2 = n;
341 normalize_length(n1, n2);
344 size_type length = n1.chunk.size();
345 size_type i = length - 1;
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
359 // si llegué hasta acá es porque son iguales, por lo tanto no es menor estricto
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)
369 for (i = 0; i < n; i++)
376 template < typename N, typename E >
377 number< N, E > operator<< (const number< N, E >& n, typename number< N, E >::size_type m)
379 number< N, E > tmp = n;
384 template < typename N, typename E >
385 std::ostream& operator<< (std::ostream& os, const number< N, E >& n)
387 // FIXME sacar una salida bonita en ASCII =)
388 if (n.sign == positive)
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
399 template < typename N, typename E >
400 bool number< N, E >::operator==(const number< N, E >& n) const
408 size_type fin = std::min(chunk.size(), n.chunk.size());
409 size_type i; //problema de VC++, da error de redefinición
411 // "intersección" entre ambos chunks
412 // +-----+-----+------+------+
413 // | | | | | <--- mio
414 // +-----+-----+------+------+
415 // +-----+-----+------+
416 // | | | | <--- chunk de n
417 // +-----+-----+------+
419 // |------------------|
420 // Esto se procesa en este for
421 for (i = ini; i < fin; ++i)
423 if (chunk[i] != n.chunk[i])
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())
434 chunk_grande = &chunk;
435 fin = chunk.size() - n.chunk.size();
437 else if (chunk.size() < n.chunk.size())
439 chunk_grande = &n.chunk;
440 fin = n.chunk.size() - chunk.size();
442 if (chunk_grande) // Si tienen tamaños distintos, vemos que el resto sea cero.
444 for (; i < fin; ++i) // Sigo desde el i que había quedado
446 if ((*chunk_grande)[i] != 0)
452 return true; // Son iguales
455 template < typename N, typename E >
456 number< N, E >& number< N, E >::operator*= (const number< N, E >& n)
458 //number < N, E > r_op = n;
459 //normalize_length(n);
460 //n.normalize_length(*this);
461 *this = naif(*this, n);
465 template < typename N, typename E >
466 number< N, E > operator* (const number< N, E >& n1, const number< N, E >& n2)
471 template < typename N, typename E >
472 std::pair< number< N, E >, number< N, E > > number< N, E >::split() const
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;
480 std::pair< num_type, num_type > par;
482 // la primera mitad va al pedazo inferior
483 par.first.chunk[0] = chunk[0];
484 for (i = 1; i < halves_size; i++)
486 par.first.chunk.push_back(chunk[i]);
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++)
494 par.second.chunk.push_back(chunk[i]);
500 template < typename N, typename E >
501 void normalize_length(number< N, E >& u, number< N, E >& v)
503 typedef number< N, E > num_type;
504 typename num_type::size_type max, p, t, pot2;
506 max = std::max(u.chunk.size(), v.chunk.size());
508 /* Buscamos hacer crecer a ambos a la potencia de 2 mas proxima; para
509 * lo cual la obtenemos y guardamos en p. */
517 /* Ahora guardamos en pot2 el tamaño que deben tener. */
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);
525 while (v.chunk.size() < pot2)
526 v.chunk.push_back(0);
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)
536 typedef number< N, E > num_type;
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();
543 if ( (u.sign == positive && v.sign == positive) ||
544 (u.sign == negative && v.sign == negative) ) {
550 //printf("naif %d %d\n", u.chunk.size(), v.chunk.size() );
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.
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);
569 std::pair< num_type, num_type > u12 = u.split();
570 std::pair< num_type, num_type > v12 = v.split();
572 //std::cout << "u:" << u12.first << " - " << u12.second << "\n";
573 //std::cout << "v:" << v12.first << " - " << v12.second << "\n";
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);
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";
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?
599 res = m22 << chunk_size;
600 res = res + ((m12 + m21) << (chunk_size / 2));
604 std::cout << "r: " << res << "\n";
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.
615 template < typename N, typename E >
616 number < N, E > karatsuba(const number< N, E > &u, const number< N, E > &v)
618 typedef number< N, E > num_type;
620 typename num_type::size_type chunk_size = u.chunk.size();
624 if ( (u.sign == positive && v.sign == positive) ||
625 (u.sign == negative && v.sign == negative) ) {
631 if (chunk_size == 1) {
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);
638 std::pair< num_type, num_type > u12 = u.split();
639 std::pair< num_type, num_type > v12 = v.split();
641 // Los nombres M, D y H los puso Rosita en clase, cambiar si se les
642 // ocurren algunos mejores!
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);
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
654 res = (m << chunk_size) + ((h - d - m) << (chunk_size / 2) ) + h;
660 /* Potenciacion usando multiplicaciones sucesivas.
661 * Toma dos parametros u y v, devuelve u^v; asume v positivo.
663 template < typename N, typename E >
664 number < N, E > pot_ko(const number< N, E > &u, const number< N, E > &v)
666 assert(v.sign == positive);
667 number< N, E > res, i;
672 for (i = 1; i < v; i += 1) {
679 /* Potenciacion usando división y conquista.
680 * Toma dos parametros u y v, devuelve u^v; asume v positivo.
682 * El pseudocódigo del algoritmo es:
692 * Es O(n) ya que la ecuación es T(n) = T(n/2) + O(1)
694 * El grafo que lo 'representa' (siendo los nodos el exponente y) algo como:
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
710 template < typename N, typename E >
711 number< N, E > pot_dyc(const number< N, E > &x, const number< N, E > &y)
713 assert(y.sign == positive);
714 //std::cout << "pot(" << x << ", " << y << ")\n";
715 if (y == number< N, E >(1))
717 std::cout << "y es 1 => FIN pot(" << x << ", " << y << ")\n";
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";
724 //std::cout << "res = " << res << "\n";
727 //std::cout << y << " es IMPAR => ";
728 res *= x; // Multiplico por el x que falta
729 //std::cout << "res = " << res << "\n";
731 //std::cout << "FIN pot(" << x << ", " << y << ")\n\n";