]> git.donarmstrong.com Git - lilypond.git/blobdiff - guile18/libguile/random.c
Import guile-1.8 as multiple upstream tarball component
[lilypond.git] / guile18 / libguile / random.c
diff --git a/guile18/libguile/random.c b/guile18/libguile/random.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..693ed4a
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,615 @@
+/* Copyright (C) 1999,2000,2001, 2003, 2005, 2006, 2010 Free Software Foundation, Inc.
+ * This library is free software; you can redistribute it and/or
+ * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public
+ * License as published by the Free Software Foundation; either
+ * version 2.1 of the License, or (at your option) any later version.
+ *
+ * This library is distributed in the hope that it will be useful,
+ * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
+ * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
+ * Lesser General Public License for more details.
+ *
+ * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
+ * License along with this library; if not, write to the Free Software
+ * Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
+ */
+
+
+
+/* Author: Mikael Djurfeldt <djurfeldt@nada.kth.se> */
+
+#ifdef HAVE_CONFIG_H
+#  include <config.h>
+#endif
+
+#include "libguile/_scm.h"
+
+#include <gmp.h>
+#include <stdio.h>
+#include <math.h>
+#include <string.h>
+#include "libguile/smob.h"
+#include "libguile/numbers.h"
+#include "libguile/feature.h"
+#include "libguile/strings.h"
+#include "libguile/unif.h"
+#include "libguile/srfi-4.h"
+#include "libguile/vectors.h"
+
+#include "libguile/validate.h"
+#include "libguile/random.h"
+
+\f
+/*
+ * A plugin interface for RNGs
+ *
+ * Using this interface, it is possible for the application to tell
+ * libguile to use a different RNG.  This is desirable if it is
+ * necessary to use the same RNG everywhere in the application in
+ * order to prevent interference, if the application uses RNG
+ * hardware, or if the application has special demands on the RNG.
+ *
+ * Look in random.h and how the default generator is "plugged in" in
+ * scm_init_random().
+ */
+
+scm_t_rng scm_the_rng;
+
+\f
+/*
+ * The prepackaged RNG
+ *
+ * This is the MWC (Multiply With Carry) random number generator
+ * described by George Marsaglia at the Department of Statistics and
+ * Supercomputer Computations Research Institute, The Florida State
+ * University (http://stat.fsu.edu/~geo).
+ *
+ * It uses 64 bits, has a period of 4578426017172946943 (4.6e18), and
+ * passes all tests in the DIEHARD test suite
+ * (http://stat.fsu.edu/~geo/diehard.html)
+ */
+
+#define A 2131995753UL
+
+#ifndef M_PI
+#define M_PI 3.14159265359
+#endif
+
+unsigned long
+scm_i_uniform32 (scm_t_i_rstate *state)
+{
+  scm_t_uint64 x = (scm_t_uint64) A * state->w + state->c;
+  scm_t_uint32 w = x & 0xffffffffUL;
+  state->w = w;
+  state->c = x >> 32L;
+  return w;
+}
+
+void
+scm_i_init_rstate (scm_t_i_rstate *state, const char *seed, int n)
+{
+  scm_t_uint32 w = 0L;
+  scm_t_uint32 c = 0L;
+  int i, m;
+  for (i = 0; i < n; ++i)
+    {
+      m = i % 8;
+      if (m < 4)
+       w += seed[i] << (8 * m);
+      else
+        c += seed[i] << (8 * (m - 4));
+    }
+  if ((w == 0 && c == 0) || (w == -1 && c == A - 1))
+    ++c;
+  state->w = w;
+  state->c = c;
+}
+
+scm_t_i_rstate *
+scm_i_copy_rstate (scm_t_i_rstate *state)
+{
+  scm_t_rstate *new_state = scm_malloc (scm_the_rng.rstate_size);
+  return memcpy (new_state, state, scm_the_rng.rstate_size);
+}
+
+\f
+/*
+ * Random number library functions
+ */
+
+scm_t_rstate *
+scm_c_make_rstate (const char *seed, int n)
+{
+  scm_t_rstate *state = scm_malloc (scm_the_rng.rstate_size);
+  state->reserved0 = 0;
+  scm_the_rng.init_rstate (state, seed, n);
+  return state;
+}
+
+
+scm_t_rstate *
+scm_c_default_rstate ()
+#define FUNC_NAME "scm_c_default_rstate"
+{
+  SCM state = SCM_VARIABLE_REF (scm_var_random_state);
+  if (!SCM_RSTATEP (state))
+    SCM_MISC_ERROR ("*random-state* contains bogus random state", SCM_EOL);
+  return SCM_RSTATE (state);
+}
+#undef FUNC_NAME
+
+
+inline double
+scm_c_uniform01 (scm_t_rstate *state)
+{
+  double x = (double) scm_the_rng.random_bits (state) / (double) 0xffffffffUL;
+  return ((x + (double) scm_the_rng.random_bits (state))
+         / (double) 0xffffffffUL);
+}
+
+double
+scm_c_normal01 (scm_t_rstate *state)
+{
+  if (state->reserved0)
+    {
+      state->reserved0 = 0;
+      return state->reserved1;
+    }
+  else
+    {
+      double r, a, n;
+      
+      r = sqrt (-2.0 * log (scm_c_uniform01 (state)));
+      a = 2.0 * M_PI * scm_c_uniform01 (state);
+      
+      n = r * sin (a);
+      state->reserved1 = r * cos (a);
+      state->reserved0 = 1;
+      
+      return n;
+    }
+}
+
+double
+scm_c_exp1 (scm_t_rstate *state)
+{
+  return - log (scm_c_uniform01 (state));
+}
+
+unsigned char scm_masktab[256];
+
+static inline scm_t_uint32
+scm_i_mask32 (scm_t_uint32 m)
+{
+  return (m < 0x100
+         ? scm_masktab[m]
+         : (m < 0x10000
+            ? scm_masktab[m >> 8] << 8 | 0xff
+            : (m < 0x1000000
+               ? scm_masktab[m >> 16] << 16 | 0xffff
+               : scm_masktab[m >> 24] << 24 | 0xffffff)));
+}
+
+static scm_t_uint32
+scm_c_random32 (scm_t_rstate *state, scm_t_uint32 m)
+{
+  scm_t_uint32 r, mask = scm_i_mask32 (m);
+  while ((r = scm_the_rng.random_bits (state) & mask) >= m);
+  return r;
+}
+
+/* Returns 32 random bits. */
+unsigned long
+scm_c_random (scm_t_rstate *state, unsigned long m)
+{
+  return scm_c_random32 (state, (scm_t_uint32)m);
+}
+
+scm_t_uint64
+scm_c_random64 (scm_t_rstate *state, scm_t_uint64 m)
+{
+  scm_t_uint64 r;
+  scm_t_uint32 mask;
+
+  if (m <= SCM_T_UINT32_MAX)
+    return scm_c_random32 (state, (scm_t_uint32) m);
+  
+  mask = scm_i_mask32 (m >> 32);
+  while ((r = ((scm_t_uint64) (scm_the_rng.random_bits (state) & mask) << 32)
+          | scm_the_rng.random_bits (state)) >= m)
+    ;
+  return r;
+}
+
+/*
+  SCM scm_c_random_bignum (scm_t_rstate *state, SCM m)
+
+  Takes a random state (source of random bits) and a bignum m.
+  Returns a bignum b, 0 <= b < m.
+
+  It does this by allocating a bignum b with as many base 65536 digits
+  as m, filling b with random bits (in 32 bit chunks) up to the most
+  significant 1 in m, and, finally checking if the resultant b is too
+  large (>= m).  If too large, we simply repeat the process again.  (It
+  is important to throw away all generated random bits if b >= m,
+  otherwise we'll end up with a distorted distribution.)
+
+*/
+
+SCM
+scm_c_random_bignum (scm_t_rstate *state, SCM m)
+{
+  SCM result = scm_i_mkbig ();
+  const size_t m_bits = mpz_sizeinbase (SCM_I_BIG_MPZ (m), 2);
+  /* how many bits would only partially fill the last u32? */
+  const size_t end_bits = m_bits % (sizeof (scm_t_uint32) * SCM_CHAR_BIT);
+  scm_t_uint32 *random_chunks = NULL;
+  const scm_t_uint32 num_full_chunks =
+    m_bits / (sizeof (scm_t_uint32) * SCM_CHAR_BIT);
+  const scm_t_uint32 num_chunks = num_full_chunks + ((end_bits) ? 1 : 0);
+
+  /* we know the result will be this big */
+  mpz_realloc2 (SCM_I_BIG_MPZ (result), m_bits);
+
+  random_chunks =
+    (scm_t_uint32 *) scm_gc_calloc (num_chunks * sizeof (scm_t_uint32),
+                                     "random bignum chunks");
+
+  do
+    {
+      scm_t_uint32 *current_chunk = random_chunks + (num_chunks - 1);
+      scm_t_uint32 chunks_left = num_chunks;
+
+      mpz_set_ui (SCM_I_BIG_MPZ (result), 0);
+      
+      if (end_bits)
+        {
+          /* generate a mask with ones in the end_bits position, i.e. if
+             end_bits is 3, then we'd have a mask of ...0000000111 */
+          const unsigned long rndbits = scm_the_rng.random_bits (state);
+          int rshift = (sizeof (scm_t_uint32) * SCM_CHAR_BIT) - end_bits;
+          scm_t_uint32 mask = 0xffffffff >> rshift;
+          scm_t_uint32 highest_bits = ((scm_t_uint32) rndbits) & mask;
+          *current_chunk-- = highest_bits;
+          chunks_left--;
+        }
+      
+      while (chunks_left)
+        {
+          /* now fill in the remaining scm_t_uint32 sized chunks */
+          *current_chunk-- = scm_the_rng.random_bits (state);
+          chunks_left--;
+        }
+      mpz_import (SCM_I_BIG_MPZ (result),
+                  num_chunks,
+                  -1,
+                  sizeof (scm_t_uint32),
+                  0,
+                  0,
+                  random_chunks);
+      /* if result >= m, regenerate it (it is important to regenerate
+        all bits in order not to get a distorted distribution) */
+    } while (mpz_cmp (SCM_I_BIG_MPZ (result), SCM_I_BIG_MPZ (m)) >= 0);
+  scm_gc_free (random_chunks,
+               num_chunks * sizeof (scm_t_uint32),
+               "random bignum chunks");
+  return scm_i_normbig (result);
+}
+
+/*
+ * Scheme level representation of random states.
+ */
+scm_t_bits scm_tc16_rstate;
+
+static SCM
+make_rstate (scm_t_rstate *state)
+{
+  SCM_RETURN_NEWSMOB (scm_tc16_rstate, state);
+}
+
+static size_t
+rstate_free (SCM rstate)
+{
+  free (SCM_RSTATE (rstate));
+  return 0;
+}
+
+/*
+ * Scheme level interface.
+ */
+
+SCM_GLOBAL_VARIABLE_INIT (scm_var_random_state, "*random-state*", scm_seed_to_random_state (scm_from_locale_string ("URL:http://stat.fsu.edu/~geo/diehard.html")));
+
+SCM_DEFINE (scm_random, "random", 1, 1, 0, 
+            (SCM n, SCM state),
+            "Return a number in [0, N).\n"
+            "\n"
+            "Accepts a positive integer or real n and returns a\n"
+            "number of the same type between zero (inclusive) and\n"
+            "N (exclusive). The values returned have a uniform\n"
+            "distribution.\n"
+            "\n"
+            "The optional argument @var{state} must be of the type produced\n"
+           "by @code{seed->random-state}. It defaults to the value of the\n"
+           "variable @var{*random-state*}. This object is used to maintain\n"
+           "the state of the pseudo-random-number generator and is altered\n"
+           "as a side effect of the random operation.")
+#define FUNC_NAME s_scm_random
+{
+  if (SCM_UNBNDP (state))
+    state = SCM_VARIABLE_REF (scm_var_random_state);
+  SCM_VALIDATE_RSTATE (2, state);
+  if (SCM_I_INUMP (n))
+    {
+      unsigned long m = (unsigned long) SCM_I_INUM (n);
+      SCM_ASSERT_RANGE (1, n, SCM_I_INUM (n) > 0);
+#if SCM_SIZEOF_UNSIGNED_LONG <= 4
+      return scm_from_uint32 (scm_c_random (SCM_RSTATE (state),
+                                            (scm_t_uint32) m));
+#elif SCM_SIZEOF_UNSIGNED_LONG <= 8
+      return scm_from_uint64 (scm_c_random64 (SCM_RSTATE (state),
+                                              (scm_t_uint64) m));
+#else
+#error "Cannot deal with this platform's unsigned long size"
+#endif
+    }
+  SCM_VALIDATE_NIM (1, n);
+  if (SCM_REALP (n))
+    return scm_from_double (SCM_REAL_VALUE (n)
+                           * scm_c_uniform01 (SCM_RSTATE (state)));
+
+  if (!SCM_BIGP (n))
+    SCM_WRONG_TYPE_ARG (1, n);
+  return scm_c_random_bignum (SCM_RSTATE (state), n);
+}
+#undef FUNC_NAME
+
+SCM_DEFINE (scm_copy_random_state, "copy-random-state", 0, 1, 0, 
+            (SCM state),
+            "Return a copy of the random state @var{state}.")
+#define FUNC_NAME s_scm_copy_random_state
+{
+  if (SCM_UNBNDP (state))
+    state = SCM_VARIABLE_REF (scm_var_random_state);
+  SCM_VALIDATE_RSTATE (1, state);
+  return make_rstate (scm_the_rng.copy_rstate (SCM_RSTATE (state)));
+}
+#undef FUNC_NAME
+
+SCM_DEFINE (scm_seed_to_random_state, "seed->random-state", 1, 0, 0, 
+            (SCM seed),
+            "Return a new random state using @var{seed}.")
+#define FUNC_NAME s_scm_seed_to_random_state
+{
+  SCM res;
+  if (SCM_NUMBERP (seed))
+    seed = scm_number_to_string (seed, SCM_UNDEFINED);
+  SCM_VALIDATE_STRING (1, seed);
+  res = make_rstate (scm_c_make_rstate (scm_i_string_chars (seed),
+                                       scm_i_string_length (seed)));
+  scm_remember_upto_here_1 (seed);
+  return res;
+  
+}
+#undef FUNC_NAME
+
+SCM_DEFINE (scm_random_uniform, "random:uniform", 0, 1, 0, 
+            (SCM state),
+           "Return a uniformly distributed inexact real random number in\n"
+           "[0,1).")
+#define FUNC_NAME s_scm_random_uniform
+{
+  if (SCM_UNBNDP (state))
+    state = SCM_VARIABLE_REF (scm_var_random_state);
+  SCM_VALIDATE_RSTATE (1, state);
+  return scm_from_double (scm_c_uniform01 (SCM_RSTATE (state)));
+}
+#undef FUNC_NAME
+
+SCM_DEFINE (scm_random_normal, "random:normal", 0, 1, 0, 
+            (SCM state),
+           "Return an inexact real in a normal distribution.  The\n"
+           "distribution used has mean 0 and standard deviation 1.  For a\n"
+           "normal distribution with mean m and standard deviation d use\n"
+           "@code{(+ m (* d (random:normal)))}.")
+#define FUNC_NAME s_scm_random_normal
+{
+  if (SCM_UNBNDP (state))
+    state = SCM_VARIABLE_REF (scm_var_random_state);
+  SCM_VALIDATE_RSTATE (1, state);
+  return scm_from_double (scm_c_normal01 (SCM_RSTATE (state)));
+}
+#undef FUNC_NAME
+
+static void
+vector_scale_x (SCM v, double c)
+{
+  size_t n;
+  if (scm_is_simple_vector (v))
+    {
+      n = SCM_SIMPLE_VECTOR_LENGTH (v);
+      while (n-- > 0)
+       SCM_REAL_VALUE (SCM_SIMPLE_VECTOR_REF (v, n)) *= c;
+    }
+  else
+    {
+      /* must be a f64vector. */
+      scm_t_array_handle handle;
+      size_t i, len;
+      ssize_t inc;
+      double *elts;
+
+      elts = scm_f64vector_writable_elements (v, &handle, &len, &inc);
+
+      for (i = 0; i < len; i++, elts += inc)
+       *elts *= c;
+      
+      scm_array_handle_release (&handle);
+    }
+}
+
+static double
+vector_sum_squares (SCM v)
+{
+  double x, sum = 0.0;
+  size_t n;
+  if (scm_is_simple_vector (v))
+    {
+      n = SCM_SIMPLE_VECTOR_LENGTH (v);
+      while (n-- > 0)
+       {
+         x = SCM_REAL_VALUE (SCM_SIMPLE_VECTOR_REF (v, n));
+         sum += x * x;
+       }
+    }
+  else
+    {
+      /* must be a f64vector. */
+      scm_t_array_handle handle;
+      size_t i, len;
+      ssize_t inc;
+      const double *elts;
+
+      elts = scm_f64vector_elements (v, &handle, &len, &inc);
+
+      for (i = 0; i < len; i++, elts += inc)
+       {
+         x = *elts;
+         sum += x * x;
+       }
+
+      scm_array_handle_release (&handle);
+    }
+  return sum;
+}
+
+/* For the uniform distribution on the solid sphere, note that in
+ * this distribution the length r of the vector has cumulative
+ * distribution r^n; i.e., u=r^n is uniform [0,1], so r can be
+ * generated as r=u^(1/n).
+ */
+SCM_DEFINE (scm_random_solid_sphere_x, "random:solid-sphere!", 1, 1, 0, 
+            (SCM v, SCM state),
+           "Fills @var{vect} with inexact real random numbers the sum of\n"
+           "whose squares is less than 1.0.  Thinking of @var{vect} as\n"
+           "coordinates in space of dimension @var{n} @math{=}\n"
+           "@code{(vector-length @var{vect})}, the coordinates are\n"
+           "uniformly distributed within the unit @var{n}-sphere.")
+#define FUNC_NAME s_scm_random_solid_sphere_x
+{
+  if (SCM_UNBNDP (state))
+    state = SCM_VARIABLE_REF (scm_var_random_state);
+  SCM_VALIDATE_RSTATE (2, state);
+  scm_random_normal_vector_x (v, state);
+  vector_scale_x (v,
+                 pow (scm_c_uniform01 (SCM_RSTATE (state)),
+                      1.0 / scm_c_generalized_vector_length (v))
+                 / sqrt (vector_sum_squares (v)));
+  return SCM_UNSPECIFIED;
+}
+#undef FUNC_NAME
+
+SCM_DEFINE (scm_random_hollow_sphere_x, "random:hollow-sphere!", 1, 1, 0, 
+            (SCM v, SCM state),
+            "Fills vect with inexact real random numbers\n"
+            "the sum of whose squares is equal to 1.0.\n"
+            "Thinking of vect as coordinates in space of\n"
+            "dimension n = (vector-length vect), the coordinates\n"
+            "are uniformly distributed over the surface of the\n"
+            "unit n-sphere.")
+#define FUNC_NAME s_scm_random_hollow_sphere_x
+{
+  if (SCM_UNBNDP (state))
+    state = SCM_VARIABLE_REF (scm_var_random_state);
+  SCM_VALIDATE_RSTATE (2, state);
+  scm_random_normal_vector_x (v, state);
+  vector_scale_x (v, 1 / sqrt (vector_sum_squares (v)));
+  return SCM_UNSPECIFIED;
+}
+#undef FUNC_NAME
+
+
+SCM_DEFINE (scm_random_normal_vector_x, "random:normal-vector!", 1, 1, 0, 
+            (SCM v, SCM state),
+            "Fills vect with inexact real random numbers that are\n"
+            "independent and standard normally distributed\n"
+            "(i.e., with mean 0 and variance 1).")
+#define FUNC_NAME s_scm_random_normal_vector_x
+{
+  long i;
+  scm_t_array_handle handle;
+  scm_t_array_dim *dim;
+
+  if (SCM_UNBNDP (state))
+    state = SCM_VARIABLE_REF (scm_var_random_state);
+  SCM_VALIDATE_RSTATE (2, state);
+
+  scm_generalized_vector_get_handle (v, &handle);
+  dim = scm_array_handle_dims (&handle);
+
+  if (scm_is_vector (v))
+    {
+      SCM *elts = scm_array_handle_writable_elements (&handle);
+      for (i = dim->lbnd; i <= dim->ubnd; i++, elts += dim->inc)
+       *elts = scm_from_double (scm_c_normal01 (SCM_RSTATE (state)));
+    }
+  else
+    {
+      /* must be a f64vector. */
+      double *elts = scm_array_handle_f64_writable_elements (&handle);
+      for (i = dim->lbnd; i <= dim->ubnd; i++, elts += dim->inc)
+       *elts = scm_c_normal01 (SCM_RSTATE (state));
+    }
+
+  scm_array_handle_release (&handle);
+
+  return SCM_UNSPECIFIED;
+}
+#undef FUNC_NAME
+
+SCM_DEFINE (scm_random_exp, "random:exp", 0, 1, 0, 
+            (SCM state),
+           "Return an inexact real in an exponential distribution with mean\n"
+           "1.  For an exponential distribution with mean u use (* u\n"
+           "(random:exp)).")
+#define FUNC_NAME s_scm_random_exp
+{
+  if (SCM_UNBNDP (state))
+    state = SCM_VARIABLE_REF (scm_var_random_state);
+  SCM_VALIDATE_RSTATE (1, state);
+  return scm_from_double (scm_c_exp1 (SCM_RSTATE (state)));
+}
+#undef FUNC_NAME
+
+void
+scm_init_random ()
+{
+  int i, m;
+  /* plug in default RNG */
+  scm_t_rng rng =
+  {
+    sizeof (scm_t_i_rstate),
+    (unsigned long (*)()) scm_i_uniform32,
+    (void (*)())          scm_i_init_rstate,
+    (scm_t_rstate *(*)())    scm_i_copy_rstate
+  };
+  scm_the_rng = rng;
+  
+  scm_tc16_rstate = scm_make_smob_type ("random-state", 0);
+  scm_set_smob_free (scm_tc16_rstate, rstate_free);
+
+  for (m = 1; m <= 0x100; m <<= 1)
+    for (i = m >> 1; i < m; ++i)
+      scm_masktab[i] = m - 1;
+  
+#include "libguile/random.x"
+
+  scm_add_feature ("random");
+}
+
+/*
+  Local Variables:
+  c-file-style: "gnu"
+  End:
+*/