X-Git-Url: https://git.llucax.com/z.facultad/75.29/dale.git/blobdiff_plain/f1aa8ccb4ffc3b12108475fb79492d0918c120b1..c0bea72743116ce8eac7daa151a2700f85aceb1c:/src/number.h?ds=sidebyside diff --git a/src/number.h b/src/number.h index 82c6067..6980c1f 100644 --- a/src/number.h +++ b/src/number.h @@ -1,97 +1,818 @@ -#include +#ifdef _WIN32 +// min y max entran en conflicto con la windows.h, son rebautizadas en Windows +#define min _cpp_min +#define max _cpp_max +#endif + +#ifdef DEBUG +#include +#endif + +#include +#include #include -#include +#include +#include + +#ifdef _WIN32 +// VC++ no tiene la stdint.h, se agrega a mano +#include "stdint.h" +#else +#include +#endif + +enum sign_type { positive, negative }; -//XXX Pensado para andar con unsigned's (si anda con otra cosa es casualidad =) -template < typename T > +/* sizeof(E) tiene que ser 2*sizeof(N); y son los tipos nativos con los cuales + * se haran las operaciones mas basicas. */ + +template < typename N, typename E > +struct number; + +template < typename N, typename E > +std::ostream& operator<< (std::ostream& os, const number< N, E >& n); + +template < typename N = uint32_t, typename E = uint64_t > struct number { // Tipos - typedef T atomic_type; - typedef typename std::vector< T > chunk_type; + typedef N native_type; + typedef E extended_type; + typedef typename std::deque< native_type > chunk_type; typedef typename chunk_type::size_type size_type; typedef typename chunk_type::iterator iterator; typedef typename chunk_type::const_iterator const_iterator; + typedef typename chunk_type::reverse_iterator reverse_iterator; + typedef typename chunk_type::const_reverse_iterator const_reverse_iterator; - // Constructores - number(): chunk(1, 0) {} - number(atomic_type* buf, size_type len): chunk(buf, buf + len) - { fix_empty(); } - number(atomic_type* buf) - { while (*buf) chunk.push_back(*(buf++)); fix_empty(); } - number(atomic_type n): chunk(1, n) {} - // TODO constructor a partir de string. + // Constructores (después de construído, el chunk siempre tiene al + // menos un elemento). + // Constructor default (1 'átomo con valor 0) + number(): chunk(1, 0), sign(positive) {} + + // Constructor a partir de buffer (de 'átomos') y tamaño + // Copia cada elemento del buffer como un 'átomo' del chunk + // (el átomo menos significativo es el chunk[0] == buf[0]) + number(native_type* buf, size_type len, sign_type s = positive): + chunk(buf, buf + len), sign(s) + { + fix_empty(); + } + + // Constructor a partir de un 'átomo' (lo asigna como único elemento + // del chunk). Copia una vez N en el vector. + number(native_type n, sign_type s = positive): + chunk(1, n), sign(s) {} + + number(const std::string& str); // Operadores - number& operator++ () { if (!++chunk[0]) carry(1); return *this; } - number& operator+= (const number& n) + number& operator++ () { - atomic_type c = 0; - size_type ini = 0; - size_type fin = std::min(chunk.size(), n.chunk.size()); - for (size_type i = ini; i < fin; ++i) - { - chunk[i] += n.chunk[i] + c; - if (chunk[i] || (!n.chunk[i] && !c)) c = 0; // OK - else c = 1; // Overflow - } - if (chunk.size() >= n.chunk.size()) // No hay más - { - if (c) carry(fin); // Propago carry - return *this; - } - // Hay más - ini = fin; - fin = n.chunk.size(); - for (size_type i = ini; i < fin; ++i) - { - chunk.push_back(n.chunk[i] + c); // Agrego nuevo átomo - if (chunk[i] || !c) c = 0; // OK - else c = 1; // Overflow - } - if (c) chunk.push_back(1); // Último carry + carry(0); return *this; } - atomic_type& operator[] (size_type i) { return chunk[i]; } - // Iteradores + number& operator+= (const number& n); + number& operator*= (const number& n); + number& operator<<= (const size_type n); + number& operator-= (const number& n); + bool operator< (const number& n) const; + bool operator== (const number& n) const; + + // Devuelve referencia a 'átomo' i del chunk (no debería ser necesario + // si la multiplicación es un método de este objeto). + native_type& operator[] (size_type i) + { + return chunk[i]; + } + + // Iteradores (no deberían ser necesarios) iterator begin() { return chunk.begin(); } iterator end() { return chunk.end(); } const_iterator begin() const { return chunk.begin(); } const_iterator end() const { return chunk.end(); } + reverse_iterator rbegin() { return chunk.rbegin(); } + reverse_iterator rend() { return chunk.rend(); } + const_reverse_iterator rbegin() const { return chunk.rbegin(); } + const_reverse_iterator rend() const { return chunk.rend(); } + + // Friends + template < typename NN, typename EE > + friend std::ostream& operator<< (std::ostream& os, const number< NN, EE>& n); - private: // Atributos - chunk_type chunk; + //private: + mutable chunk_type chunk; + sign_type sign; // Helpers + // parte un número en dos mitades de misma longitud, devuelve un par de + // números con (low, high) + std::pair< number, number > split() const; + // Pone un chunk en 0 para que sea un invariante de representación que + // el chunk no sea vacío (siempre tenga la menos un elemento). void fix_empty() { if (!chunk.size()) chunk.push_back(0); } + // Propaga carry a partir del 'átomo' i (suma 1 al 'átomo' i propagando + // carry) void carry(size_type i) { if (chunk.size() > i) { ++chunk[i]; - if (!chunk[i]) carry(i+1); // Overflow + if (chunk[i] == 0) + carry(i+1); // Overflow + } + else + chunk.push_back(1); + } + // Propaga borrow a partir del 'átomo' i (resta 1 al 'átomo' i propagando + // borrow) + void borrow(size_type i) + { + // para poder pedir prestado debo tener uno a la izquierda + assert (chunk.size() >= i); + + if (chunk[i] == 0) + { + borrow(i+1); // Overflow, pido prestado + chunk[i] = ~((N)0); //quedo con el valor máximo + } + else + { + --chunk[i]; //tengo para dar, pero pierdo uno yo } - else chunk.push_back(1); } + // Verifica si es un número par + bool es_impar() const + { + return chunk[0] & 1; // Bit menos significativo + } + // Divide por 2. + number dividido_dos() const + { + number n = *this; + bool lsb = 0; // bit menos significativo + bool msb = 0; // bit más significativo + for (typename chunk_type::reverse_iterator i = n.chunk.rbegin(); + i != n.chunk.rend(); ++i) + { + lsb = *i & 1; // bit menos significativo + *i >>= 1; // shift + // seteo bit más significativo de ser necesario + if (msb) + *i |= 1 << (sizeof(native_type) * 8 - 1); + msb = lsb; + } + return n; + } + }; -template < typename T > -number< T > operator+ (const number< T >& n1, const number< T >& n2) +template < typename N, typename E > +number< N, E >::number(const std::string& origen) +{ + const N MAX_N = (~( (N)0 ) ); + E increment = 0; + E acum = 0; + + unsigned length = origen.length(); + unsigned number_offset = 0; + + while (number_offset MAX_N) + { + chunk.push_back(acum); + } + + } + + +} + +template < typename N, typename E > +number< N, E >& number< N, E >::operator+= (const number< N, E >& n) { - number< T > tmp = n1; + // Si tienen distinto signo, restamos... + if (sign != n.sign) + { + if (sign == positive) // n es negativo + { + number< N, E > tmp = n; + tmp.sign = positive; + *this -= tmp; + } + else // n es positivo, yo negativo + { + sign = positive; + *this = n - *this; + } + return *this; + } + + native_type c = 0; + size_type ini = 0; + size_type fin = std::min(chunk.size(), n.chunk.size()); + size_type i; //problema de VC++, da error de redefinición + + // "intersección" entre ambos chunks + // +-----+-----+------+------+ + // | | | | | <--- mio + // +-----+-----+------+------+ + // +-----+-----+------+ + // | | | | <--- chunk de n + // +-----+-----+------+ + // + // |------------------| + // Esto se procesa en este for + for (i = ini; i < fin; ++i) + { + chunk[i] += n.chunk[i] + c; + if ((chunk[i] < n.chunk[i]) || \ + ( (n.chunk[i] == 0) && c && (chunk[i] == 0) )) + c = 1; // Overflow + else + c = 0; // OK + } + + // si mi chunk es más grande que el del otro, sólo me queda + // propagar el carry + if (chunk.size() >= n.chunk.size()) + { + if (c) + carry(fin); // Propago carry + return *this; + } + + // Hay más + // +-----+-----+------+ + // | | | | <--- mío + // +-----+-----+------+ + // +-----+-----+------+------+ + // | | | | | <--- chunk de n + // +-----+-----+------+------+ + // + // |------| + // Esto se procesa en este for + // (suma los chunks de n propagando algún carry si lo había) + ini = fin; + fin = n.chunk.size(); + for (i = ini; i < fin; ++i) + { + chunk.push_back(n.chunk[i] + c); // Agrego nuevo átomo + if (chunk[i] != 0 || !c) + c = 0; // OK + else + c = 1; // Overflow + } + + // Si me queda algún carry colgado, hay que agregar un "átomo" + // más al chunk. + if (c) + chunk.push_back(1); // Último carry + + return *this; +} + +template < typename N, typename E > +number< N, E > operator+ (const number< N, E >& n1, const number< N, E >& n2) +{ + number< N, E > tmp = n1; tmp += n2; return tmp; } -template < typename T > -std::ostream& operator<< (std::ostream& os, const number< T >& n) +template < typename N, typename E > +number< N, E >& number< N, E >::operator-= (const number< N, E >& n) +{ + // minuendo - substraendo + number< N, E > minuend; + number< N, E > subtrahend; + + // voy a hacer siempre el mayor menos el menor + if (*this < n) + { + minuend = n; + subtrahend = *this; + //minuendo < sustraendo => resultado negativo + minuend.sign = negative; + } + else + { + minuend = *this; + subtrahend = n; + //minuendo > sustraendo => resultado positivo + minuend.sign = positive; + } + + size_type ini = 0; + size_type fin = std::min(minuend.chunk.size(), subtrahend.chunk.size()); + size_type i; //problema de VC++, da error de redefinición + + //estoy seguro de que minuend > subtrahend, con lo cual itero hasta el size del + //menor de los dos. Si el otro es más grande, puede ser que esté lleno de 0's pero + //no puede ser realmente mayor como cifra + for (i = ini; i < fin; ++i) + { + // si no alcanza para restar pido prestado + if ((minuend.chunk[i] < subtrahend.chunk[i])) + { + // no puedo pedir si soy el más significativo ... + assert (i != fin); + + // le pido uno al que me sigue + minuend.borrow(i+1); + } + + // es como hacer 24-5: el 4 pide prestado al 2 (borrow(i+1)) y después + // se hace 4 + (9-5) + 1 + + minuend.chunk[i] += (~((N)0) - subtrahend.chunk[i]) + 1; + } + + //retorno el minuendo ya restado + *this = minuend; + return *this; +} + +template < typename N, typename E > +number< N, E > operator- (const number< N, E >& n1, const number< N, E >& n2) +{ + number< N, E > tmp = n1; + tmp -= n2; + return tmp; +} + + +template < typename N, typename E > +bool number< N, E >::operator< (const number< N, E >& n) const +{ + if (sign != n.sign) + { + if (sign == positive) // yo positivo, n negativo + return false; // yo soy más grande + else // yo negagivo, n positivo + return true; // n es más grande + } + + size_type i; //problema de VC++, da error de redefinición + + if (chunk.size() > n.chunk.size()) // yo tengo más elementos + { + // Recorro los bytes más significativos (que tengo sólo yo) + for (i = n.chunk.size(); i < chunk.size(); ++i) + { + if (chunk[i] != 0) // Si tengo algo distinto a 0 + { + return false; // Entonces soy más grande + } + } + } + else if (chunk.size() < n.chunk.size()) // n tiene más elementos + { + // Recorro los bytes más significativos (que tiene sólo n) + for (i = chunk.size(); i < n.chunk.size(); ++i) + { + if (chunk[i] != 0) // Si n tiene algo distinto a 0 + { + return true; // Entonces soy más chico + } + } + } + // sigo con la intersección de ambos + size_type fin = std::min(chunk.size(), n.chunk.size()); + i = fin; + while (i != 0) { + --i; + + if (chunk[i] < n.chunk[i]) // Si es menor + { + return true; + } + else if (chunk[i] > n.chunk[i]) // Si es mayor + { + return false; + } + // Si es igual tengo que seguir viendo + } + + return false; // Son iguales +} + +// efectúa un shifteo a izquierda del chunk, agregando 0s en los casilleros menos significativos +template < typename N, typename E > +number< N, E >& number< N, E >::operator<<= (size_type n) +{ + size_type i; + for (i = 0; i < n; i++) + { + chunk.push_front(0); + } + return *this; +} + +template < typename N, typename E > +number< N, E > operator<< (const number< N, E >& n, typename number< N, E >::size_type m) +{ + number< N, E > tmp = n; + tmp <<= m; + return tmp; +} + +template < typename NN, typename EE > +std::ostream& operator<< (std::ostream& os, const number< NN, EE >& n) { // FIXME sacar una salida bonita en ASCII =) - std::copy(n.begin(), n.end(), std::ostream_iterator< T >(os, " ")); + if (n.sign == positive) + os << "+ "; + else + os << "- "; + typename number< NN, EE >::const_reverse_iterator i = n.chunk.rbegin(); + typename number< NN, EE >::const_reverse_iterator end = n.chunk.rend(); + for (; i != end; ++i) + os << std::setfill('0') << std::setw(sizeof(NN) * 2) << std::hex + << *i << " "; return os; } +template < typename N, typename E > +bool number< N, E >::operator==(const number< N, E >& n) const +{ + if (sign != n.sign) + { + return false; + } + + size_type ini = 0; + size_type fin = std::min(chunk.size(), n.chunk.size()); + size_type i; //problema de VC++, da error de redefinición + + // "intersección" entre ambos chunks + // +-----+-----+------+------+ + // | | | | | <--- mio + // +-----+-----+------+------+ + // +-----+-----+------+ + // | | | | <--- chunk de n + // +-----+-----+------+ + // + // |------------------| + // Esto se procesa en este for + for (i = ini; i < fin; ++i) + { + if (chunk[i] != n.chunk[i]) + { + return false; + } + } + + // si mi chunk es más grande que el del otro, sólo me queda + // ver si el resto es cero. + chunk_type const *chunk_grande = 0; + if (chunk.size() > n.chunk.size()) + { + chunk_grande = &chunk; + fin = chunk.size() - n.chunk.size(); + } + else if (chunk.size() < n.chunk.size()) + { + chunk_grande = &n.chunk; + fin = n.chunk.size() - chunk.size(); + } + if (chunk_grande) // Si tienen tamaños distintos, vemos que el resto sea cero. + { + for (; i < fin; ++i) // Sigo desde el i que había quedado + { + if ((*chunk_grande)[i] != 0) + { + return false; + } + } + } + return true; // Son iguales +} + +template < typename N, typename E > +number< N, E >& number< N, E >::operator*= (const number< N, E >& n) +{ + *this = naif(*this, n); + return *this; +} + +template < typename N, typename E > +number< N, E > operator* (const number< N, E >& n1, const number< N, E >& n2) +{ + return naif(n1, n2); +} + +template < typename N, typename E > +std::pair< number< N, E >, number< N, E > > number< N, E >::split() const +{ + typedef number< N, E > num_type; + typename num_type::size_type full_size = chunk.size(); + typename num_type::size_type halves_size = full_size / 2; + typename num_type::size_type i = 0; + + // vacío las mitades + std::pair< num_type, num_type > par; + + // la primera mitad va al pedazo inferior + par.first.chunk[0] = chunk[0]; + for (i = 1; i < halves_size; i++) + { + par.first.chunk.push_back(chunk[i]); + } + + // la segunda mitad (si full_size es impar es 1 más que la primera + // mitad) va al pedazo superior + par.second.chunk[0] = chunk[i]; + for (i++ ; i < full_size; i++) + { + par.second.chunk.push_back(chunk[i]); + } + return par; +} + + +template < typename N, typename E > +void normalize_length(const number< N, E >& u, const number< N, E >& v) +{ + typedef number< N, E > num_type; + typename num_type::size_type max, p, t, pot2; + + max = std::max(u.chunk.size(), v.chunk.size()); + + /* Buscamos hacer crecer a ambos a la potencia de 2 mas proxima; para + * lo cual la obtenemos y guardamos en p. */ + t = max; + p = 0; + while (t != 0) { + t = t >> 1; + p++; + } + + /* Ahora guardamos en pot2 el tamaño que deben tener. */ + pot2 = 1 << p; + + /* Y finalmente hacemos crecer los dos numeros agregando 0s hasta + * completar sus tamaños. */ + while (u.chunk.size() < pot2) + u.chunk.push_back(0); + + while (v.chunk.size() < pot2) + v.chunk.push_back(0); + + return; +} + + +/* Algoritmo "naif" (por no decir "cabeza" o "bruto") de multiplicacion. */ +template < typename N, typename E > +number < N, E > naif(const number< N, E > &u, const number< N, E > &v) +{ + typedef number< N, E > num_type; + + normalize_length(u, v); + + /* como acabo de normalizar los tamaños son iguales */ + typename num_type::size_type chunk_size = u.chunk.size(); + + sign_type sign; + + if (u.sign == v.sign) { + sign = positive; + } else { + sign = negative; + } + + //printf("naif %d %d\n", u.chunk.size(), v.chunk.size() ); + + if (chunk_size == 1) + { + /* Si llegamos a multiplicar dos de tamaño 1, lo que hacemos + * es usar la multiplicacion nativa del tipo N, guardando el + * resultado en el tipo E (que sabemos es del doble de tamaño + * de N, ni mas ni menos). + * Luego, armamos un objeto number usando al resultado como + * buffer. Si, es feo. + */ + E tmp; + tmp = static_cast< E >(u.chunk[0]) * static_cast< E >(v.chunk[0]); + num_type tnum = num_type(reinterpret_cast< N* >(&tmp), 2, sign); + //std::cout << "T:" << tnum << " " << tmp << "\n"; + //printf("1: %lu %lu %llu\n", u.chunk[0], v.chunk[0], tmp); + return tnum; + } + + std::pair< num_type, num_type > u12 = u.split(); + std::pair< num_type, num_type > v12 = v.split(); + + //std::cout << "u:" << u12.first << " - " << u12.second << "\n"; + //std::cout << "v:" << v12.first << " - " << v12.second << "\n"; + + /* m11 = u1*v1 + * m12 = u1*v2 + * m21 = u2*v1 + * m22 = u2*v2 + */ + num_type m11 = naif(u12.first, v12.first); + num_type m12 = naif(u12.first, v12.second); + num_type m21 = naif(u12.second, v12.first); + num_type m22 = naif(u12.second, v12.second); + + /* + printf("csize: %d\n", chunk_size); + std::cout << "11 " << m11 << "\n"; + std::cout << "12 " << m12 << "\n"; + std::cout << "21 " << m21 << "\n"; + std::cout << "22 " << m22 << "\n"; + */ + + /* u*v = (u1*v1) * 2^n + (u1*v2 + u2*v1) * 2^(n/2) + u2*v2 + * PERO! Como los numeros estan "al reves" nos queda: + * = m22 * 2^n + (m12 + m21) * 2^(n/2) + m11 + */ + num_type res; + res = m22 << chunk_size; + //std::cout << "ra: " << res << "\n"; + res = res + ((m12 + m21) << (chunk_size / 2)); + /* + std::cout << "rb: " << res << "\n"; + std::cout << "12+21: " << (m12 + m21) << "\n"; + std::cout << "cs/2: " << (chunk_size / 2) << "\n"; + std::cout << "t: " << ((m12 + m21) << (chunk_size / 2)) << "\n"; + */ + res = res + m11; + //std::cout << "rc: " << res << "\n"; + res.sign = sign; + //std::cout << "r: " << res << "\n"; + //std::cout << "\n"; + return res; +} + + +/* Algoritmo de multiplicacion de Karatsuba-Ofman + * Ver los comentarios del algoritmo naif, es practicamente identico salvo en + * los calculos numericos que se especifican debajo. + */ +template < typename N, typename E > +number < N, E > karatsuba(const number< N, E > &u, const number< N, E > &v) +{ + typedef number< N, E > num_type; + + normalize_length(u, v); + + typename num_type::size_type chunk_size = u.chunk.size(); + + sign_type sign; + + if (u.sign == v.sign) { + sign = positive; + } else { + sign = negative; + } + + if (chunk_size == 1) { + E tmp; + tmp = static_cast< E >(u.chunk[0]) * static_cast< E >(v.chunk[0]); + num_type tnum = num_type(reinterpret_cast< N* >(&tmp), 2, sign); + return tnum; + } + + std::pair< num_type, num_type > u12 = u.split(); + std::pair< num_type, num_type > v12 = v.split(); + + /* + std::cout << "u:" << u12.first << " - " << u12.second << "\n"; + std::cout << "v:" << v12.first << " - " << v12.second << "\n"; + */ + + /* Aca esta la gracia de toda la cuestion: + * m = u1*v1 + * d = u2*v2 + * h = (u1+u2)*(v1+v2) = u1*u2+u1*v2+u2*v1+u2*v2 + * + * h - d - m = u1*v2+u2*v1 + * u1*v1 << base^N + u1*v2+u2*v1 << base^(N/2) + u2*v2 + * m << base^N + (h - d - m) << base^(N/2) + d + */ + num_type m = karatsuba(u12.first, v12.first); + num_type d = karatsuba(u12.second, v12.second); + + num_type sumfst = u12.first + u12.second; + num_type sumsnd = v12.first + v12.second; + num_type h = karatsuba(sumfst, sumsnd); + + /* + fflush(stdout); fflush(stderr); + std::cout << "m: " << m << "\n"; + std::cout << "d: " << d << "\n"; + std::cout << "h: " << h << "\n"; + fflush(stdout); fflush(stderr); + */ + + num_type res, tmp; + + /* tmp = h - d - m */ + normalize_length(h, d); + tmp = h - d; + normalize_length(tmp, m); + /* + std::cout << "t: " << tmp << "\n"; + std::cout << "m: " << m << "\n"; + */ + tmp = tmp - m; + //std::cout << "t: " << tmp << "\n"; + + /* Resultado final */ + res = d << chunk_size; + res += tmp << (chunk_size / 2); + res += m; + res.sign = sign; + + return res; +} + + +/* Potenciacion usando multiplicaciones sucesivas. + * Toma dos parametros u y v, devuelve u^v; asume v positivo. + */ +template < typename N, typename E > +number < N, E > pot_ko(number< N, E > &u, number< N, E > &v) +{ + assert(v.sign == positive); + number< N, E > res, i; + + res = u; + res.sign = u.sign; + + for (i = 1; i < v; i += 1) { + res *= u; + } + + return res; +} + +/* Potenciacion usando división y conquista. + * Toma dos parametros u y v, devuelve u^v; asume v positivo. + * + * El pseudocódigo del algoritmo es: + * pot(x, y): + * if y == 1: + * return x + * res = pot(x, y/2) + * res = res * res + * if y es impar: + * res = res * x + * return res + * + * Es O(n) ya que la ecuación es T(n) = T(n/2) + O(1) + * + * El grafo que lo 'representa' (siendo los nodos el exponente y) algo como: + * + * 1 3 + * _/ | \_ + * _/ | \_ + * / | \ + * 6 1 6 + * / \ / \ + * / \ / \ + * 3 3 3 3 + * /|\ /|\ /|\ /|\ + * 2 1 2 2 1 2 2 1 2 2 1 2 + * / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ / \ + * 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 + * + */ +template < typename N, typename E > +number< N, E > pot_dyc(const number< N, E > &x, const number< N, E > &y) +{ + assert(y.sign == positive); + //std::cout << "pot(" << x << ", " << y << ")\n"; + if (y == number< N, E >(1)) + { + std::cout << "y es 1 => FIN pot(" << x << ", " << y << ")\n"; + return x; + } + number< N, E > res = pot_dyc(x, y.dividido_dos()); + //std::cout << "y.dividido_dos() = " << y.dividido_dos() << "\n"; + //std::cout << "res = " << res << "\n"; + res *= res; + //std::cout << "res = " << res << "\n"; + if (y.es_impar()) + { + //std::cout << y << " es IMPAR => "; + res *= x; // Multiplico por el x que falta + //std::cout << "res = " << res << "\n"; + } + //std::cout << "FIN pot(" << x << ", " << y << ")\n\n"; + return res; +} +