]> www.ginac.de Git - cln.git/blob - doc/cln.tex
* All Files have been modified for inclusion of namespace cln;
[cln.git] / doc / cln.tex
1 \input texinfo  @c -*-texinfo-*-
2 @c %**start of header
3 @setfilename cln.info
4 @settitle CLN, a Class Library for Numbers
5 @c @setchapternewpage off
6 @c For `info' only.
7 @paragraphindent 0
8 @c For TeX only.
9 @iftex
10 @c I hate putting "@noindent" in front of every paragraph.
11 @parindent=0pt
12 @end iftex
13 @c %**end of header
14
15
16 @c My own index.
17 @defindex my
18 @c Don't need the other types of indices.
19 @synindex cp my
20 @synindex fn my
21 @synindex vr my
22 @synindex ky my
23 @synindex pg my
24 @synindex tp my
25
26
27 @c For `info' only.
28 @ifinfo
29 This file documents @sc{cln}, a Class Library for Numbers.
30
31 Published by Bruno Haible, @code{<haible@@clisp.cons.org>} and
32 Richard Kreckel, @code{<kreckel@@ginac.de>}.
33
34 Copyright (C)  Bruno Haible 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000.
35
36 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
37 this manual provided the copyright notice and this permission notice
38 are preserved on all copies.
39
40 @ignore
41 Permission is granted to process this file through TeX and print the
42 results, provided the printed document carries copying permission
43 notice identical to this one except for the removal of this paragraph
44 (this paragraph not being relevant to the printed manual).
45
46 @end ignore
47 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
48 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
49 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
50 notice identical to this one.
51
52 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
53 into another language, under the above conditions for modified versions,
54 except that this permission notice may be stated in a translation approved
55 by the author.
56 @end ifinfo
57
58
59 @c For TeX only.
60 @c prevent ugly black rectangles on overfull hbox lines:
61 @finalout
62 @titlepage
63 @title CLN, a Class Library for Numbers
64
65 @author by Bruno Haible
66 @page
67 @vskip 0pt plus 1filll
68 Copyright @copyright{} Bruno Haible 1995, 1996, 1997, 1998, 1999, 2000.
69
70 @sp 2
71 Published by Bruno Haible, @code{<haible@@clisp.cons.org>} and
72 Richard Kreckel, @code{<kreckel@@ginac.de>}.
73
74 Permission is granted to make and distribute verbatim copies of
75 this manual provided the copyright notice and this permission notice
76 are preserved on all copies.
77
78 Permission is granted to copy and distribute modified versions of this
79 manual under the conditions for verbatim copying, provided that the entire
80 resulting derived work is distributed under the terms of a permission
81 notice identical to this one.
82
83 Permission is granted to copy and distribute translations of this manual
84 into another language, under the above conditions for modified versions,
85 except that this permission notice may be stated in a translation approved
86 by the author.
87
88 @end titlepage
89 @page
90
91
92 @node Top, Introduction, (dir), (dir)
93
94 @c @menu
95 @c * Introduction::                Introduction
96 @c @end menu
97
98
99 @node Introduction, Top, Top, Top
100 @comment node-name, next, previous, up
101 @chapter Introduction
102
103 @noindent
104 CLN is a library for computations with all kinds of numbers.
105 It has a rich set of number classes:
106
107 @itemize @bullet
108 @item
109 Integers (with unlimited precision),
110
111 @item
112 Rational numbers,
113
114 @item
115 Floating-point numbers:
116
117 @itemize @minus
118 @item
119 Short float,
120 @item
121 Single float,
122 @item
123 Double float,
124 @item
125 Long float (with unlimited precision),
126 @end itemize
127
128 @item
129 Complex numbers,
130
131 @item
132 Modular integers (integers modulo a fixed integer),
133
134 @item
135 Univariate polynomials.
136 @end itemize
137
138 @noindent
139 The subtypes of the complex numbers among these are exactly the
140 types of numbers known to the Common Lisp language. Therefore
141 @code{CLN} can be used for Common Lisp implementations, giving
142 @samp{CLN} another meaning: it becomes an abbreviation of
143 ``Common Lisp Numbers''.
144
145 @noindent
146 The CLN package implements
147
148 @itemize @bullet
149 @item
150 Elementary functions (@code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{/}, @code{sqrt},
151 comparisons, @dots{}),
152
153 @item
154 Logical functions (logical @code{and}, @code{or}, @code{not}, @dots{}),
155
156 @item
157 Transcendental functions (exponential, logarithmic, trigonometric, hyperbolic
158 functions and their inverse functions).
159 @end itemize
160
161 @noindent
162 CLN is a C++ library. Using C++ as an implementation language provides
163
164 @itemize @bullet
165 @item
166 efficiency: it compiles to machine code,
167 @item
168 type safety: the C++ compiler knows about the number types and complains
169 if, for example, you try to assign a float to an integer variable.
170 @item
171 algebraic syntax: You can use the @code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{=},
172 @code{==}, @dots{} operators as in C or C++.
173 @end itemize
174
175 @noindent
176 CLN is memory efficient:
177
178 @itemize @bullet
179 @item
180 Small integers and short floats are immediate, not heap allocated.
181 @item
182 Heap-allocated memory is reclaimed through an automatic, non-interruptive
183 garbage collection.
184 @end itemize
185
186 @noindent
187 CLN is speed efficient:
188
189 @itemize @bullet
190 @item
191 The kernel of CLN has been written in assembly language for some CPUs
192 (@code{i386}, @code{m68k}, @code{sparc}, @code{mips}, @code{arm}).
193 @item
194 @cindex GMP
195 On all CPUs, CLN may be configured to use the superefficient low-level
196 routines from GNU GMP version 3.
197 @item
198 It uses Karatsuba multiplication, which is significantly faster
199 for large numbers than the standard multiplication algorithm.
200 @item
201 For very large numbers (more than 12000 decimal digits), it uses
202 @iftex
203 Sch{@"o}nhage-Strassen
204 @cindex Sch{@"o}nhage-Strassen multiplication
205 @end iftex
206 @ifinfo
207 Schönhage-Strassen
208 @cindex Schönhage-Strassen multiplication
209 @end ifinfo
210 multiplication, which is an asymptotically optimal multiplication
211 algorithm, for multiplication, division and radix conversion.
212 @end itemize
213
214 @noindent
215 CLN aims at being easily integrated into larger software packages:
216
217 @itemize @bullet
218 @item
219 The garbage collection imposes no burden on the main application.
220 @item
221 The library provides hooks for memory allocation and exceptions.
222 @item
223 @cindex namespace
224 All non-macro identifiers are hidden in namespace @code{cln} in 
225 order to avoid name clashes.
226 @end itemize
227
228
229 @chapter Installation
230
231 This section describes how to install the CLN package on your system.
232
233
234 @section Prerequisites
235
236 @subsection C++ compiler
237
238 To build CLN, you need a C++ compiler.
239 Actually, you need GNU @code{g++ 2.90} or newer, the EGCS compilers will
240 do.
241 I recommend GNU @code{g++ 2.95} or newer.
242
243 The following C++ features are used:
244 classes, member functions, overloading of functions and operators,
245 constructors and destructors, inline, const, multiple inheritance,
246 templates and namespaces.
247
248 The following C++ features are not used:
249 @code{new}, @code{delete}, virtual inheritance, exceptions.
250
251 CLN relies on semi-automatic ordering of initializations
252 of static and global variables, a feature which I could
253 implement for GNU g++ only.
254
255 @ignore
256 @comment cl_modules.h requires g++
257 Therefore nearly any C++ compiler will do.
258
259 The following C++ compilers are known to compile CLN:
260 @itemize @minus
261 @item
262 GNU @code{g++ 2.7.0}, @code{g++ 2.7.2}
263 @item
264 SGI @code{CC 4}
265 @end itemize
266
267 The following C++ compilers are known to be unusable for CLN:
268 @itemize @minus
269 @item
270 On SunOS 4, @code{CC 2.1}, because it doesn't grok @code{//} comments
271 in lines containing @code{#if} or @code{#elif} preprocessor commands.
272 @item
273 On AIX 3.2.5, @code{xlC}, because it doesn't grok the template syntax
274 in @code{cl_SV.h} and @code{cl_GV.h}, because it forces most class types
275 to have default constructors, and because it probably miscompiles the
276 integer multiplication routines.
277 @item
278 On AIX 4.1.4.0, @code{xlC}, because when optimizing, it sometimes converts
279 @code{short}s to @code{int}s by zero-extend.
280 @item
281 GNU @code{g++ 2.5.8}
282 @item
283 On HPPA, GNU @code{g++ 2.7.x}, because the semi-automatic ordering of
284 initializations will not work.
285 @end itemize
286 @end ignore
287
288 @subsection Make utility
289 @cindex @code{make}
290
291 To build CLN, you also need to have GNU @code{make} installed.
292
293 @subsection Sed utility
294 @cindex @code{sed}
295
296 To build CLN on HP-UX, you also need to have GNU @code{sed} installed.
297 This is because the libtool script, which creates the CLN library, relies
298 on @code{sed}, and the vendor's @code{sed} utility on these systems is too
299 limited.
300
301
302 @section Building the library
303
304 As with any autoconfiguring GNU software, installation is as easy as this:
305
306 @example
307 $ ./configure
308 $ make
309 $ make check
310 @end example
311
312 If on your system, @samp{make} is not GNU @code{make}, you have to use
313 @samp{gmake} instead of @samp{make} above.
314
315 The @code{configure} command checks out some features of your system and
316 C++ compiler and builds the @code{Makefile}s. The @code{make} command
317 builds the library. This step may take 4 hours on an average workstation.
318 The @code{make check} runs some test to check that no important subroutine
319 has been miscompiled.
320
321 The @code{configure} command accepts options. To get a summary of them, try
322
323 @example
324 $ ./configure --help
325 @end example
326
327 Some of the options are explained in detail in the @samp{INSTALL.generic} file.
328
329 You can specify the C compiler, the C++ compiler and their options through
330 the following environment variables when running @code{configure}:
331
332 @table @code
333 @item CC
334 Specifies the C compiler.
335
336 @item CFLAGS
337 Flags to be given to the C compiler when compiling programs (not when linking).
338
339 @item CXX
340 Specifies the C++ compiler.
341
342 @item CXXFLAGS
343 Flags to be given to the C++ compiler when compiling programs (not when linking).
344 @end table
345
346 Examples:
347
348 @example
349 $ CC="gcc" CFLAGS="-O" CXX="g++" CXXFLAGS="-O" ./configure
350 $ CC="gcc -V egcs-2.91.60" CFLAGS="-O -g" \
351   CXX="g++ -V egcs-2.91.60" CXXFLAGS="-O -g" ./configure
352 $ CC="gcc -V 2.95.2" CFLAGS="-O2 -fno-exceptions" \
353   CXX="g++ -V 2.95.2" CFLAGS="-O2 -fno-exceptions" ./configure
354 @end example
355 @ignore
356 @comment cl_modules.h requires g++
357 You should not mix GNU and non-GNU compilers. So, if @code{CXX} is a non-GNU
358 compiler, @code{CC} should be set to a non-GNU compiler as well. Examples:
359
360 @example
361 $ CC="cc" CFLAGS="-O" CXX="CC" CXXFLAGS="-O" ./configure
362 $ CC="gcc -V 2.7.0" CFLAGS="-g" CXX="g++ -V 2.7.0" CXXFLAGS="-g" ./configure
363 @end example
364
365 On SGI Irix 5, if you wish not to use @code{g++}:
366
367 @example
368 $ CC="cc" CFLAGS="-O" CXX="CC" CXXFLAGS="-O -Olimit 16000" ./configure
369 @end example
370
371 On SGI Irix 6, if you wish not to use @code{g++}:
372
373 @example
374 $ CC="cc -32" CFLAGS="-O" CXX="CC -32" CXXFLAGS="-O -Olimit 34000" \
375   ./configure --without-gmp
376 $ CC="cc -n32" CFLAGS="-O" CXX="CC -n32" CXXFLAGS="-O \
377   -OPT:const_copy_limit=32400 -OPT:global_limit=32400 -OPT:fprop_limit=4000" \
378   ./configure --without-gmp
379 @end example
380 @end ignore
381
382 Note that for these environment variables to take effect, you have to set
383 them (assuming a Bourne-compatible shell) on the same line as the
384 @code{configure} command. If you made the settings in earlier shell
385 commands, you have to @code{export} the environment variables before
386 calling @code{configure}. In a @code{csh} shell, you have to use the
387 @samp{setenv} command for setting each of the environment variables.
388
389 Currently CLN works only with the GNU @code{g++} compiler, and only in
390 optimizing mode. So you should specify at least @code{-O} in the CXXFLAGS,
391 or no CXXFLAGS at all. (If CXXFLAGS is not set, CLN will use @code{-O}.)
392
393 If you use @code{g++} version 2.8.x or egcs-2.91.x (a.k.a. egcs-1.1) or
394 gcc-2.95.x, I recommend adding @samp{-fno-exceptions} to the CXXFLAGS.
395 This will likely generate better code.
396
397 If you use @code{g++} version egcs-2.91.x (egcs-1.1) or gcc-2.95.x on Sparc,
398 add either @samp{-O}, @samp{-O1} or @samp{-O2 -fno-schedule-insns} to the 
399 CXXFLAGS.  With full @samp{-O2}, @code{g++} miscompiles the division routines.
400 Also, if you have @code{g++} version egcs-1.1.1 or older on Sparc, you must
401 specify @samp{--disable-shared} because @code{g++} would miscompile parts of 
402 the library.
403
404 By default, both a shared and a static library are built.  You can build
405 CLN as a static (or shared) library only, by calling @code{configure} with
406 the option @samp{--disable-shared} (or @samp{--disable-static}).  While
407 shared libraries are usually more convenient to use, they may not work
408 on all architectures.  Try disabling them if you run into linker
409 problems.  Also, they are generally somewhat slower than static
410 libraries so runtime-critical applications should be linked statically.
411
412
413 @subsection Using the GNU MP Library
414 @cindex GMP
415
416 Starting with version 1.1, CLN may be configured to make use of a
417 preinstalled @code{gmp} library.  Please make sure that you have at
418 least @code{gmp} version 3.0 installed since earlier versions are
419 unsupported and likely not to work.  Enabling this feature by calling
420 @code{configure} with the option @samp{--with-gmp} is known to be quite
421 a boost for CLN's performance.
422
423 If you have installed the @code{gmp} library and its header file in
424 some place where your compiler cannot find it by default, you must help
425 @code{configure} by setting @code{CPPFLAGS} and @code{LDFLAGS}.  Here is
426 an example:
427
428 @example
429 $ CC="gcc" CFLAGS="-O2" CXX="g++" CXXFLAGS="-O2 -fno-exceptions" \
430   CPPFLAGS="-I/opt/gmp/include" LDFLAGS="-L/opt/gmp/lib" ./configure --with-gmp
431 @end example
432
433
434 @section Installing the library
435 @cindex installation
436
437 As with any autoconfiguring GNU software, installation is as easy as this:
438
439 @example
440 $ make install
441 @end example
442
443 The @samp{make install} command installs the library and the include files
444 into public places (@file{/usr/local/lib/} and @file{/usr/local/include/},
445 if you haven't specified a @code{--prefix} option to @code{configure}).
446 This step may require superuser privileges.
447
448 If you have already built the library and wish to install it, but didn't
449 specify @code{--prefix=@dots{}} at configure time, just re-run
450 @code{configure}, giving it the same options as the first time, plus
451 the @code{--prefix=@dots{}} option.
452
453
454 @section Cleaning up
455
456 You can remove system-dependent files generated by @code{make} through
457
458 @example
459 $ make clean
460 @end example
461
462 You can remove all files generated by @code{make}, thus reverting to a
463 virgin distribution of CLN, through
464
465 @example
466 $ make distclean
467 @end example
468
469
470 @chapter Ordinary number types
471
472 CLN implements the following class hierarchy:
473
474 @example
475                         Number
476                       cl_number
477                     <cln/number.h>
478                           |
479                           |
480                  Real or complex number
481                         cl_N
482                     <cln/complex.h>
483                           |
484                           |
485                      Real number
486                         cl_R
487                      <cln/real.h>
488                           |
489       +-------------------+-------------------+
490       |                                       |
491 Rational number                     Floating-point number
492     cl_RA                                   cl_F
493 <cln/rational.h>                         <cln/float.h>
494       |                                       |
495       |                +--------------+--------------+--------------+
496    Integer             |              |              |              |
497     cl_I          Short-Float    Single-Float   Double-Float    Long-Float
498 <cln/integer.h>      cl_SF          cl_FF          cl_DF          cl_LF
499                  <cln/sfloat.h> <cln/ffloat.h> <cln/dfloat.h> <cln/lfloat.h>
500 @end example
501
502 @cindex @code{cl_number}
503 @cindex abstract class
504 The base class @code{cl_number} is an abstract base class.
505 It is not useful to declare a variable of this type except if you want
506 to completely disable compile-time type checking and use run-time type
507 checking instead.
508
509 @cindex @code{cl_N}
510 @cindex real number
511 @cindex complex number
512 The class @code{cl_N} comprises real and complex numbers. There is
513 no special class for complex numbers since complex numbers with imaginary
514 part @code{0} are automatically converted to real numbers.
515
516 @cindex @code{cl_R}
517 The class @code{cl_R} comprises real numbers of different kinds. It is an
518 abstract class.
519
520 @cindex @code{cl_RA}
521 @cindex rational number
522 @cindex integer
523 The class @code{cl_RA} comprises exact real numbers: rational numbers, including
524 integers. There is no special class for non-integral rational numbers
525 since rational numbers with denominator @code{1} are automatically converted
526 to integers.
527
528 @cindex @code{cl_F}
529 The class @code{cl_F} implements floating-point approximations to real numbers.
530 It is an abstract class.
531
532
533 @section Exact numbers
534 @cindex exact number
535
536 Some numbers are represented as exact numbers: there is no loss of information
537 when such a number is converted from its mathematical value to its internal
538 representation. On exact numbers, the elementary operations (@code{+},
539 @code{-}, @code{*}, @code{/}, comparisons, @dots{}) compute the completely
540 correct result.
541
542 In CLN, the exact numbers are:
543
544 @itemize @bullet
545 @item
546 rational numbers (including integers),
547 @item
548 complex numbers whose real and imaginary parts are both rational numbers.
549 @end itemize
550
551 Rational numbers are always normalized to the form
552 @code{@var{numerator}/@var{denominator}} where the numerator and denominator
553 are coprime integers and the denominator is positive. If the resulting
554 denominator is @code{1}, the rational number is converted to an integer.
555
556 Small integers (typically in the range @code{-2^30}@dots{}@code{2^30-1},
557 for 32-bit machines) are especially efficient, because they consume no heap
558 allocation. Otherwise the distinction between these immediate integers
559 (called ``fixnums'') and heap allocated integers (called ``bignums'')
560 is completely transparent.
561
562
563 @section Floating-point numbers
564 @cindex floating-point number
565
566 Not all real numbers can be represented exactly. (There is an easy mathematical
567 proof for this: Only a countable set of numbers can be stored exactly in
568 a computer, even if one assumes that it has unlimited storage. But there
569 are uncountably many real numbers.) So some approximation is needed.
570 CLN implements ordinary floating-point numbers, with mantissa and exponent.
571
572 @cindex rounding error
573 The elementary operations (@code{+}, @code{-}, @code{*}, @code{/}, @dots{})
574 only return approximate results. For example, the value of the expression
575 @code{(cl_F) 0.3 + (cl_F) 0.4} prints as @samp{0.70000005}, not as
576 @samp{0.7}. Rounding errors like this one are inevitable when computing
577 with floating-point numbers.
578
579 Nevertheless, CLN rounds the floating-point results of the operations @code{+},
580 @code{-}, @code{*}, @code{/}, @code{sqrt} according to the ``round-to-even''
581 rule: It first computes the exact mathematical result and then returns the
582 floating-point number which is nearest to this. If two floating-point numbers
583 are equally distant from the ideal result, the one with a @code{0} in its least
584 significant mantissa bit is chosen.
585
586 Similarly, testing floating point numbers for equality @samp{x == y}
587 is gambling with random errors. Better check for @samp{abs(x - y) < epsilon}
588 for some well-chosen @code{epsilon}.
589
590 Floating point numbers come in four flavors:
591
592 @itemize @bullet
593 @item
594 @cindex @code{cl_SF}
595 Short floats, type @code{cl_SF}.
596 They have 1 sign bit, 8 exponent bits (including the exponent's sign),
597 and 17 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
598 They don't consume heap allocation.
599
600 @item
601 @cindex @code{cl_FF}
602 Single floats, type @code{cl_FF}.
603 They have 1 sign bit, 8 exponent bits (including the exponent's sign),
604 and 24 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
605 In CLN, they are represented as IEEE single-precision floating point numbers.
606 This corresponds closely to the C/C++ type @samp{float}.
607
608 @item
609 @cindex @code{cl_DF}
610 Double floats, type @code{cl_DF}.
611 They have 1 sign bit, 11 exponent bits (including the exponent's sign),
612 and 53 mantissa bits (including the ``hidden'' bit).
613 In CLN, they are represented as IEEE double-precision floating point numbers.
614 This corresponds closely to the C/C++ type @samp{double}.
615
616 @item
617 @cindex @code{cl_LF}
618 Long floats, type @code{cl_LF}.
619 They have 1 sign bit, 32 exponent bits (including the exponent's sign),
620 and n mantissa bits (including the ``hidden'' bit), where n >= 64.
621 The precision of a long float is unlimited, but once created, a long float
622 has a fixed precision. (No ``lazy recomputation''.)
623 @end itemize
624
625 Of course, computations with long floats are more expensive than those
626 with smaller floating-point formats.
627
628 CLN does not implement features like NaNs, denormalized numbers and
629 gradual underflow. If the exponent range of some floating-point type
630 is too limited for your application, choose another floating-point type
631 with larger exponent range.
632
633 @cindex @code{cl_F}
634 As a user of CLN, you can forget about the differences between the
635 four floating-point types and just declare all your floating-point
636 variables as being of type @code{cl_F}. This has the advantage that
637 when you change the precision of some computation (say, from @code{cl_DF}
638 to @code{cl_LF}), you don't have to change the code, only the precision
639 of the initial values. Also, many transcendental functions have been
640 declared as returning a @code{cl_F} when the argument is a @code{cl_F},
641 but such declarations are missing for the types @code{cl_SF}, @code{cl_FF},
642 @code{cl_DF}, @code{cl_LF}. (Such declarations would be wrong if
643 the floating point contagion rule happened to change in the future.)
644
645
646 @section Complex numbers
647 @cindex complex number
648
649 Complex numbers, as implemented by the class @code{cl_N}, have a real
650 part and an imaginary part, both real numbers. A complex number whose
651 imaginary part is the exact number @code{0} is automatically converted
652 to a real number.
653
654 Complex numbers can arise from real numbers alone, for example
655 through application of @code{sqrt} or transcendental functions.
656
657
658 @section Conversions
659 @cindex conversion
660
661 Conversions from any class to any its superclasses (``base classes'' in
662 C++ terminology) is done automatically.
663
664 Conversions from the C built-in types @samp{long} and @samp{unsigned long}
665 are provided for the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA}, @code{cl_R},
666 @code{cl_N} and @code{cl_number}.
667
668 Conversions from the C built-in types @samp{int} and @samp{unsigned int}
669 are provided for the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA}, @code{cl_R},
670 @code{cl_N} and @code{cl_number}. However, these conversions emphasize
671 efficiency. Their range is therefore limited:
672
673 @itemize @minus
674 @item
675 The conversion from @samp{int} works only if the argument is < 2^29 and > -2^29.
676 @item
677 The conversion from @samp{unsigned int} works only if the argument is < 2^29.
678 @end itemize
679
680 In a declaration like @samp{cl_I x = 10;} the C++ compiler is able to
681 do the conversion of @code{10} from @samp{int} to @samp{cl_I} at compile time
682 already. On the other hand, code like @samp{cl_I x = 1000000000;} is
683 in error.
684 So, if you want to be sure that an @samp{int} whose magnitude is not guaranteed
685 to be < 2^29 is correctly converted to a @samp{cl_I}, first convert it to a
686 @samp{long}. Similarly, if a large @samp{unsigned int} is to be converted to a
687 @samp{cl_I}, first convert it to an @samp{unsigned long}.
688
689 Conversions from the C built-in type @samp{float} are provided for the classes
690 @code{cl_FF}, @code{cl_F}, @code{cl_R}, @code{cl_N} and @code{cl_number}.
691
692 Conversions from the C built-in type @samp{double} are provided for the classes
693 @code{cl_DF}, @code{cl_F}, @code{cl_R}, @code{cl_N} and @code{cl_number}.
694
695 Conversions from @samp{const char *} are provided for the classes
696 @code{cl_I}, @code{cl_RA},
697 @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}, @code{cl_F},
698 @code{cl_R}, @code{cl_N}.
699 The easiest way to specify a value which is outside of the range of the
700 C++ built-in types is therefore to specify it as a string, like this:
701 @cindex Rubik's cube
702 @example
703    cl_I order_of_rubiks_cube_group = "43252003274489856000";
704 @end example
705 Note that this conversion is done at runtime, not at compile-time.
706
707 Conversions from @code{cl_I} to the C built-in types @samp{int},
708 @samp{unsigned int}, @samp{long}, @samp{unsigned long} are provided through
709 the functions
710
711 @table @code
712 @item int cl_I_to_int (const cl_I& x)
713 @cindex @code{cl_I_to_int ()}
714 @itemx unsigned int cl_I_to_uint (const cl_I& x)
715 @cindex @code{cl_I_to_uint ()}
716 @itemx long cl_I_to_long (const cl_I& x)
717 @cindex @code{cl_I_to_long ()}
718 @itemx unsigned long cl_I_to_ulong (const cl_I& x)
719 @cindex @code{cl_I_to_ulong ()}
720 Returns @code{x} as element of the C type @var{ctype}. If @code{x} is not
721 representable in the range of @var{ctype}, a runtime error occurs.
722 @end table
723
724 Conversions from the classes @code{cl_I}, @code{cl_RA},
725 @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}, @code{cl_F} and
726 @code{cl_R}
727 to the C built-in types @samp{float} and @samp{double} are provided through
728 the functions
729
730 @table @code
731 @item float float_approx (const @var{type}& x)
732 @cindex @code{float_approx ()}
733 @itemx double double_approx (const @var{type}& x)
734 @cindex @code{double_approx ()}
735 Returns an approximation of @code{x} of C type @var{ctype}.
736 If @code{abs(x)} is too close to 0 (underflow), 0 is returned.
737 If @code{abs(x)} is too large (overflow), an IEEE infinity is returned.
738 @end table
739
740 Conversions from any class to any of its subclasses (``derived classes'' in
741 C++ terminology) are not provided. Instead, you can assert and check
742 that a value belongs to a certain subclass, and return it as element of that
743 class, using the @samp{As} and @samp{The} macros.
744 @cindex @code{As()()}
745 @code{As(@var{type})(@var{value})} checks that @var{value} belongs to
746 @var{type} and returns it as such.
747 @cindex @code{The()()}
748 @code{The(@var{type})(@var{value})} assumes that @var{value} belongs to
749 @var{type} and returns it as such. It is your responsibility to ensure
750 that this assumption is valid.
751 Example:
752
753 @example
754 @group
755    cl_I x = @dots{};
756    if (!(x >= 0)) abort();
757    cl_I ten_x = The(cl_I)(expt(10,x)); // If x >= 0, 10^x is an integer.
758                 // In general, it would be a rational number.
759 @end group
760 @end example
761
762
763 @chapter Functions on numbers
764
765 Each of the number classes declares its mathematical operations in the
766 corresponding include file. For example, if your code operates with
767 objects of type @code{cl_I}, it should @code{#include <cln/integer.h>}.
768
769
770 @section Constructing numbers
771
772 Here is how to create number objects ``from nothing''.
773
774
775 @subsection Constructing integers
776
777 @code{cl_I} objects are most easily constructed from C integers and from
778 strings. See @ref{Conversions}.
779
780
781 @subsection Constructing rational numbers
782
783 @code{cl_RA} objects can be constructed from strings. The syntax
784 for rational numbers is described in @ref{Internal and printed representation}.
785 Another standard way to produce a rational number is through application
786 of @samp{operator /} or @samp{recip} on integers.
787
788
789 @subsection Constructing floating-point numbers
790
791 @code{cl_F} objects with low precision are most easily constructed from
792 C @samp{float} and @samp{double}. See @ref{Conversions}.
793
794 To construct a @code{cl_F} with high precision, you can use the conversion
795 from @samp{const char *}, but you have to specify the desired precision
796 within the string. (See @ref{Internal and printed representation}.)
797 Example:
798 @example
799    cl_F e = "0.271828182845904523536028747135266249775724709369996e+1_40";
800 @end example
801 will set @samp{e} to the given value, with a precision of 40 decimal digits.
802
803 The programmatic way to construct a @code{cl_F} with high precision is
804 through the @code{cl_float} conversion function, see
805 @ref{Conversion to floating-point numbers}. For example, to compute
806 @code{e} to 40 decimal places, first construct 1.0 to 40 decimal places
807 and then apply the exponential function:
808 @example
809    cl_float_format_t precision = cl_float_format(40);
810    cl_F e = exp(cl_float(1,precision));
811 @end example
812
813
814 @subsection Constructing complex numbers
815
816 Non-real @code{cl_N} objects are normally constructed through the function
817 @example
818    cl_N complex (const cl_R& realpart, const cl_R& imagpart)
819 @end example
820 See @ref{Elementary complex functions}.
821
822
823 @section Elementary functions
824
825 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
826 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
827 defines the following operations:
828
829 @table @code
830 @item @var{type} operator + (const @var{type}&, const @var{type}&)
831 @cindex @code{operator + ()}
832 Addition.
833
834 @item @var{type} operator - (const @var{type}&, const @var{type}&)
835 @cindex @code{operator - ()}
836 Subtraction.
837
838 @item @var{type} operator - (const @var{type}&)
839 Returns the negative of the argument.
840
841 @item @var{type} plus1 (const @var{type}& x)
842 @cindex @code{plus1 ()}
843 Returns @code{x + 1}.
844
845 @item @var{type} minus1 (const @var{type}& x)
846 @cindex @code{minus1 ()}
847 Returns @code{x - 1}.
848
849 @item @var{type} operator * (const @var{type}&, const @var{type}&)
850 @cindex @code{operator * ()}
851 Multiplication.
852
853 @item @var{type} square (const @var{type}& x)
854 @cindex @code{square ()}
855 Returns @code{x * x}.
856 @end table
857
858 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA},
859 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
860 defines the following operations:
861
862 @table @code
863 @item @var{type} operator / (const @var{type}&, const @var{type}&)
864 @cindex @code{operator / ()}
865 Division.
866
867 @item @var{type} recip (const @var{type}&)
868 @cindex @code{recip ()}
869 Returns the reciprocal of the argument.
870 @end table
871
872 The class @code{cl_I} doesn't define a @samp{/} operation because
873 in the C/C++ language this operator, applied to integral types,
874 denotes the @samp{floor} or @samp{truncate} operation (which one of these,
875 is implementation dependent). (@xref{Rounding functions}.)
876 Instead, @code{cl_I} defines an ``exact quotient'' function:
877
878 @table @code
879 @item cl_I exquo (const cl_I& x, const cl_I& y)
880 @cindex @code{exquo ()}
881 Checks that @code{y} divides @code{x}, and returns the quotient @code{x}/@code{y}.
882 @end table
883
884 The following exponentiation functions are defined:
885
886 @table @code
887 @item cl_I expt_pos (const cl_I& x, const cl_I& y)
888 @cindex @code{expt_pos ()}
889 @itemx cl_RA expt_pos (const cl_RA& x, const cl_I& y)
890 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
891
892 @item cl_RA expt (const cl_RA& x, const cl_I& y)
893 @cindex @code{expt ()}
894 @itemx cl_R expt (const cl_R& x, const cl_I& y)
895 @itemx cl_N expt (const cl_N& x, const cl_I& y)
896 Returns @code{x^y}.
897 @end table
898
899 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
900 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
901 defines the following operation:
902
903 @table @code
904 @item @var{type} abs (const @var{type}& x)
905 @cindex @code{abs ()}
906 Returns the absolute value of @code{x}.
907 This is @code{x} if @code{x >= 0}, and @code{-x} if @code{x <= 0}.
908 @end table
909
910 The class @code{cl_N} implements this as follows:
911
912 @table @code
913 @item cl_R abs (const cl_N x)
914 Returns the absolute value of @code{x}.
915 @end table
916
917 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
918 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
919 defines the following operation:
920
921 @table @code
922 @item @var{type} signum (const @var{type}& x)
923 @cindex @code{signum ()}
924 Returns the sign of @code{x}, in the same number format as @code{x}.
925 This is defined as @code{x / abs(x)} if @code{x} is non-zero, and
926 @code{x} if @code{x} is zero. If @code{x} is real, the value is either
927 0 or 1 or -1.
928 @end table
929
930
931 @section Elementary rational functions
932
933 Each of the classes @code{cl_RA}, @code{cl_I} defines the following operations:
934
935 @table @code
936 @item cl_I numerator (const @var{type}& x)
937 @cindex @code{numerator ()}
938 Returns the numerator of @code{x}.
939
940 @item cl_I denominator (const @var{type}& x)
941 @cindex @code{denominator ()}
942 Returns the denominator of @code{x}.
943 @end table
944
945 The numerator and denominator of a rational number are normalized in such
946 a way that they have no factor in common and the denominator is positive.
947
948
949 @section Elementary complex functions
950
951 The class @code{cl_N} defines the following operation:
952
953 @table @code
954 @item cl_N complex (const cl_R& a, const cl_R& b)
955 @cindex @code{complex ()}
956 Returns the complex number @code{a+bi}, that is, the complex number with
957 real part @code{a} and imaginary part @code{b}.
958 @end table
959
960 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R} defines the following operations:
961
962 @table @code
963 @item cl_R realpart (const @var{type}& x)
964 @cindex @code{realpart ()}
965 Returns the real part of @code{x}.
966
967 @item cl_R imagpart (const @var{type}& x)
968 @cindex @code{imagpart ()}
969 Returns the imaginary part of @code{x}.
970
971 @item @var{type} conjugate (const @var{type}& x)
972 @cindex @code{conjugate ()}
973 Returns the complex conjugate of @code{x}.
974 @end table
975
976 We have the relations
977
978 @itemize @asis
979 @item
980 @code{x = complex(realpart(x), imagpart(x))}
981 @item
982 @code{conjugate(x) = complex(realpart(x), -imagpart(x))}
983 @end itemize
984
985
986 @section Comparisons
987 @cindex comparison
988
989 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
990 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
991 defines the following operations:
992
993 @table @code
994 @item bool operator == (const @var{type}&, const @var{type}&)
995 @cindex @code{operator == ()}
996 @itemx bool operator != (const @var{type}&, const @var{type}&)
997 @cindex @code{operator != ()}
998 Comparison, as in C and C++.
999
1000 @item uint32 equal_hashcode (const @var{type}&)
1001 @cindex @code{equal_hashcode ()}
1002 Returns a 32-bit hash code that is the same for any two numbers which are
1003 the same according to @code{==}. This hash code depends on the number's value,
1004 not its type or precision.
1005
1006 @item cl_boolean zerop (const @var{type}& x)
1007 @cindex @code{zerop ()}
1008 Compare against zero: @code{x == 0}
1009 @end table
1010
1011 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1012 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1013 defines the following operations:
1014
1015 @table @code
1016 @item cl_signean compare (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1017 @cindex @code{compare ()}
1018 Compares @code{x} and @code{y}. Returns +1 if @code{x}>@code{y},
1019 -1 if @code{x}<@code{y}, 0 if @code{x}=@code{y}.
1020
1021 @item bool operator <= (const @var{type}&, const @var{type}&)
1022 @cindex @code{operator <= ()}
1023 @itemx bool operator < (const @var{type}&, const @var{type}&)
1024 @cindex @code{operator < ()}
1025 @itemx bool operator >= (const @var{type}&, const @var{type}&)
1026 @cindex @code{operator >= ()}
1027 @itemx bool operator > (const @var{type}&, const @var{type}&)
1028 @cindex @code{operator > ()}
1029 Comparison, as in C and C++.
1030
1031 @item cl_boolean minusp (const @var{type}& x)
1032 @cindex @code{minusp ()}
1033 Compare against zero: @code{x < 0}
1034
1035 @item cl_boolean plusp (const @var{type}& x)
1036 @cindex @code{plusp ()}
1037 Compare against zero: @code{x > 0}
1038
1039 @item @var{type} max (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1040 @cindex @code{max ()}
1041 Return the maximum of @code{x} and @code{y}.
1042
1043 @item @var{type} min (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1044 @cindex @code{min ()}
1045 Return the minimum of @code{x} and @code{y}.
1046 @end table
1047
1048 When a floating point number and a rational number are compared, the float
1049 is first converted to a rational number using the function @code{rational}.
1050 Since a floating point number actually represents an interval of real numbers,
1051 the result might be surprising.
1052 For example, @code{(cl_F)(cl_R)"1/3" == (cl_R)"1/3"} returns false because
1053 there is no floating point number whose value is exactly @code{1/3}.
1054
1055
1056 @section Rounding functions
1057 @cindex rounding
1058
1059 When a real number is to be converted to an integer, there is no ``best''
1060 rounding. The desired rounding function depends on the application.
1061 The Common Lisp and ISO Lisp standards offer four rounding functions:
1062
1063 @table @code
1064 @item floor(x)
1065 This is the largest integer <=@code{x}.
1066
1067 @item ceiling(x)
1068 This is the smallest integer >=@code{x}.
1069
1070 @item truncate(x)
1071 Among the integers between 0 and @code{x} (inclusive) the one nearest to @code{x}.
1072
1073 @item round(x)
1074 The integer nearest to @code{x}. If @code{x} is exactly halfway between two
1075 integers, choose the even one.
1076 @end table
1077
1078 These functions have different advantages:
1079
1080 @code{floor} and @code{ceiling} are translation invariant:
1081 @code{floor(x+n) = floor(x) + n} and @code{ceiling(x+n) = ceiling(x) + n}
1082 for every @code{x} and every integer @code{n}.
1083
1084 On the other hand, @code{truncate} and @code{round} are symmetric:
1085 @code{truncate(-x) = -truncate(x)} and @code{round(-x) = -round(x)},
1086 and furthermore @code{round} is unbiased: on the ``average'', it rounds
1087 down exactly as often as it rounds up.
1088
1089 The functions are related like this:
1090
1091 @itemize @asis
1092 @item
1093 @code{ceiling(m/n) = floor((m+n-1)/n) = floor((m-1)/n)+1}
1094 for rational numbers @code{m/n} (@code{m}, @code{n} integers, @code{n}>0), and
1095 @item
1096 @code{truncate(x) = sign(x) * floor(abs(x))}
1097 @end itemize
1098
1099 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1100 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1101 defines the following operations:
1102
1103 @table @code
1104 @item cl_I floor1 (const @var{type}& x)
1105 @cindex @code{floor1 ()}
1106 Returns @code{floor(x)}.
1107 @item cl_I ceiling1 (const @var{type}& x)
1108 @cindex @code{ceiling1 ()}
1109 Returns @code{ceiling(x)}.
1110 @item cl_I truncate1 (const @var{type}& x)
1111 @cindex @code{truncate1 ()}
1112 Returns @code{truncate(x)}.
1113 @item cl_I round1 (const @var{type}& x)
1114 @cindex @code{round1 ()}
1115 Returns @code{round(x)}.
1116 @end table
1117
1118 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1119 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1120 defines the following operations:
1121
1122 @table @code
1123 @item cl_I floor1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1124 Returns @code{floor(x/y)}.
1125 @item cl_I ceiling1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1126 Returns @code{ceiling(x/y)}.
1127 @item cl_I truncate1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1128 Returns @code{truncate(x/y)}.
1129 @item cl_I round1 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1130 Returns @code{round(x/y)}.
1131 @end table
1132
1133 These functions are called @samp{floor1}, @dots{} here instead of
1134 @samp{floor}, @dots{}, because on some systems, system dependent include
1135 files define @samp{floor} and @samp{ceiling} as macros.
1136
1137 In many cases, one needs both the quotient and the remainder of a division.
1138 It is more efficient to compute both at the same time than to perform
1139 two divisions, one for quotient and the next one for the remainder.
1140 The following functions therefore return a structure containing both
1141 the quotient and the remainder. The suffix @samp{2} indicates the number
1142 of ``return values''. The remainder is defined as follows:
1143
1144 @itemize @bullet
1145 @item
1146 for the computation of @code{quotient = floor(x)},
1147 @code{remainder = x - quotient},
1148 @item
1149 for the computation of @code{quotient = floor(x,y)},
1150 @code{remainder = x - quotient*y},
1151 @end itemize
1152
1153 and similarly for the other three operations.
1154
1155 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA},
1156 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1157 defines the following operations:
1158
1159 @table @code
1160 @item struct @var{type}_div_t @{ cl_I quotient; @var{type} remainder; @};
1161 @itemx @var{type}_div_t floor2 (const @var{type}& x)
1162 @itemx @var{type}_div_t ceiling2 (const @var{type}& x)
1163 @itemx @var{type}_div_t truncate2 (const @var{type}& x)
1164 @itemx @var{type}_div_t round2 (const @var{type}& x)
1165 @end table
1166
1167 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
1168 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1169 defines the following operations:
1170
1171 @table @code
1172 @item struct @var{type}_div_t @{ cl_I quotient; @var{type} remainder; @};
1173 @itemx @var{type}_div_t floor2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1174 @cindex @code{floor2 ()}
1175 @itemx @var{type}_div_t ceiling2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1176 @cindex @code{ceiling2 ()}
1177 @itemx @var{type}_div_t truncate2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1178 @cindex @code{truncate2 ()}
1179 @itemx @var{type}_div_t round2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1180 @cindex @code{round2 ()}
1181 @end table
1182
1183 Sometimes, one wants the quotient as a floating-point number (of the
1184 same format as the argument, if the argument is a float) instead of as
1185 an integer. The prefix @samp{f} indicates this.
1186
1187 Each of the classes
1188 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1189 defines the following operations:
1190
1191 @table @code
1192 @item @var{type} ffloor (const @var{type}& x)
1193 @cindex @code{ffloor ()}
1194 @itemx @var{type} fceiling (const @var{type}& x)
1195 @cindex @code{fceiling ()}
1196 @itemx @var{type} ftruncate (const @var{type}& x)
1197 @cindex @code{ftruncate ()}
1198 @itemx @var{type} fround (const @var{type}& x)
1199 @cindex @code{fround ()}
1200 @end table
1201
1202 and similarly for class @code{cl_R}, but with return type @code{cl_F}.
1203
1204 The class @code{cl_R} defines the following operations:
1205
1206 @table @code
1207 @item cl_F ffloor (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1208 @itemx cl_F fceiling (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1209 @itemx cl_F ftruncate (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1210 @itemx cl_F fround (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1211 @end table
1212
1213 These functions also exist in versions which return both the quotient
1214 and the remainder. The suffix @samp{2} indicates this.
1215
1216 Each of the classes
1217 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1218 defines the following operations:
1219 @cindex @code{cl_F_fdiv_t}
1220 @cindex @code{cl_SF_fdiv_t}
1221 @cindex @code{cl_FF_fdiv_t}
1222 @cindex @code{cl_DF_fdiv_t}
1223 @cindex @code{cl_LF_fdiv_t}
1224
1225 @table @code
1226 @item struct @var{type}_fdiv_t @{ @var{type} quotient; @var{type} remainder; @};
1227 @itemx @var{type}_fdiv_t ffloor2 (const @var{type}& x)
1228 @cindex @code{ffloor2 ()}
1229 @itemx @var{type}_fdiv_t fceiling2 (const @var{type}& x)
1230 @cindex @code{fceiling2 ()}
1231 @itemx @var{type}_fdiv_t ftruncate2 (const @var{type}& x)
1232 @cindex @code{ftruncate2 ()}
1233 @itemx @var{type}_fdiv_t fround2 (const @var{type}& x)
1234 @cindex @code{fround2 ()}
1235 @end table
1236 and similarly for class @code{cl_R}, but with quotient type @code{cl_F}.
1237 @cindex @code{cl_R_fdiv_t}
1238
1239 The class @code{cl_R} defines the following operations:
1240
1241 @table @code
1242 @item struct @var{type}_fdiv_t @{ cl_F quotient; cl_R remainder; @};
1243 @itemx @var{type}_fdiv_t ffloor2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1244 @itemx @var{type}_fdiv_t fceiling2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1245 @itemx @var{type}_fdiv_t ftruncate2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1246 @itemx @var{type}_fdiv_t fround2 (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1247 @end table
1248
1249 Other applications need only the remainder of a division.
1250 The remainder of @samp{floor} and @samp{ffloor} is called @samp{mod}
1251 (abbreviation of ``modulo''). The remainder @samp{truncate} and
1252 @samp{ftruncate} is called @samp{rem} (abbreviation of ``remainder'').
1253
1254 @itemize @bullet
1255 @item
1256 @code{mod(x,y) = floor2(x,y).remainder = x - floor(x/y)*y}
1257 @item
1258 @code{rem(x,y) = truncate2(x,y).remainder = x - truncate(x/y)*y}
1259 @end itemize
1260
1261 If @code{x} and @code{y} are both >= 0, @code{mod(x,y) = rem(x,y) >= 0}.
1262 In general, @code{mod(x,y)} has the sign of @code{y} or is zero,
1263 and @code{rem(x,y)} has the sign of @code{x} or is zero.
1264
1265 The classes @code{cl_R}, @code{cl_I} define the following operations:
1266
1267 @table @code
1268 @item @var{type} mod (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1269 @cindex @code{mod ()}
1270 @itemx @var{type} rem (const @var{type}& x, const @var{type}& y)
1271 @cindex @code{rem ()}
1272 @end table
1273
1274
1275 @section Roots
1276
1277 Each of the classes @code{cl_R},
1278 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
1279 defines the following operation:
1280
1281 @table @code
1282 @item @var{type} sqrt (const @var{type}& x)
1283 @cindex @code{sqrt ()}
1284 @code{x} must be >= 0. This function returns the square root of @code{x},
1285 normalized to be >= 0. If @code{x} is the square of a rational number,
1286 @code{sqrt(x)} will be a rational number, else it will return a
1287 floating-point approximation.
1288 @end table
1289
1290 The classes @code{cl_RA}, @code{cl_I} define the following operation:
1291
1292 @table @code
1293 @item cl_boolean sqrtp (const @var{type}& x, @var{type}* root)
1294 @cindex @code{sqrtp ()}
1295 This tests whether @code{x} is a perfect square. If so, it returns true
1296 and the exact square root in @code{*root}, else it returns false.
1297 @end table
1298
1299 Furthermore, for integers, similarly:
1300
1301 @table @code
1302 @item cl_boolean isqrt (const @var{type}& x, @var{type}* root)
1303 @cindex @code{isqrt ()}
1304 @code{x} should be >= 0. This function sets @code{*root} to
1305 @code{floor(sqrt(x))} and returns the same value as @code{sqrtp}:
1306 the boolean value @code{(expt(*root,2) == x)}.
1307 @end table
1308
1309 For @code{n}th roots, the classes @code{cl_RA}, @code{cl_I}
1310 define the following operation:
1311
1312 @table @code
1313 @item cl_boolean rootp (const @var{type}& x, const cl_I& n, @var{type}* root)
1314 @cindex @code{rootp ()}
1315 @code{x} must be >= 0. @code{n} must be > 0.
1316 This tests whether @code{x} is an @code{n}th power of a rational number.
1317 If so, it returns true and the exact root in @code{*root}, else it returns
1318 false.
1319 @end table
1320
1321 The only square root function which accepts negative numbers is the one
1322 for class @code{cl_N}:
1323
1324 @table @code
1325 @item cl_N sqrt (const cl_N& z)
1326 @cindex @code{sqrt ()}
1327 Returns the square root of @code{z}, as defined by the formula
1328 @code{sqrt(z) = exp(log(z)/2)}. Conversion to a floating-point type
1329 or to a complex number are done if necessary. The range of the result is the
1330 right half plane @code{realpart(sqrt(z)) >= 0}
1331 including the positive imaginary axis and 0, but excluding
1332 the negative imaginary axis.
1333 The result is an exact number only if @code{z} is an exact number.
1334 @end table
1335
1336
1337 @section Transcendental functions
1338 @cindex transcendental functions
1339
1340 The transcendental functions return an exact result if the argument
1341 is exact and the result is exact as well. Otherwise they must return
1342 inexact numbers even if the argument is exact.
1343 For example, @code{cos(0) = 1} returns the rational number @code{1}.
1344
1345
1346 @subsection Exponential and logarithmic functions
1347
1348 @table @code
1349 @item cl_R exp (const cl_R& x)
1350 @cindex @code{exp ()}
1351 @itemx cl_N exp (const cl_N& x)
1352 Returns the exponential function of @code{x}. This is @code{e^x} where
1353 @code{e} is the base of the natural logarithms. The range of the result
1354 is the entire complex plane excluding 0.
1355
1356 @item cl_R ln (const cl_R& x)
1357 @cindex @code{ln ()}
1358 @code{x} must be > 0. Returns the (natural) logarithm of x.
1359
1360 @item cl_N log (const cl_N& x)
1361 @cindex @code{log ()}
1362 Returns the (natural) logarithm of x. If @code{x} is real and positive,
1363 this is @code{ln(x)}. In general, @code{log(x) = log(abs(x)) + i*phase(x)}.
1364 The range of the result is the strip in the complex plane
1365 @code{-pi < imagpart(log(x)) <= pi}.
1366
1367 @item cl_R phase (const cl_N& x)
1368 @cindex @code{phase ()}
1369 Returns the angle part of @code{x} in its polar representation as a
1370 complex number. That is, @code{phase(x) = atan(realpart(x),imagpart(x))}.
1371 This is also the imaginary part of @code{log(x)}.
1372 The range of the result is the interval @code{-pi < phase(x) <= pi}.
1373 The result will be an exact number only if @code{zerop(x)} or
1374 if @code{x} is real and positive.
1375
1376 @item cl_R log (const cl_R& a, const cl_R& b)
1377 @code{a} and @code{b} must be > 0. Returns the logarithm of @code{a} with
1378 respect to base @code{b}. @code{log(a,b) = ln(a)/ln(b)}.
1379 The result can be exact only if @code{a = 1} or if @code{a} and @code{b}
1380 are both rational.
1381
1382 @item cl_N log (const cl_N& a, const cl_N& b)
1383 Returns the logarithm of @code{a} with respect to base @code{b}.
1384 @code{log(a,b) = log(a)/log(b)}.
1385
1386 @item cl_N expt (const cl_N& x, const cl_N& y)
1387 @cindex @code{expt ()}
1388 Exponentiation: Returns @code{x^y = exp(y*log(x))}.
1389 @end table
1390
1391 The constant e = exp(1) = 2.71828@dots{} is returned by the following functions:
1392
1393 @table @code
1394 @item cl_F exp1 (cl_float_format_t f)
1395 @cindex @code{exp1 ()}
1396 Returns e as a float of format @code{f}.
1397
1398 @item cl_F exp1 (const cl_F& y)
1399 Returns e in the float format of @code{y}.
1400
1401 @item cl_F exp1 (void)
1402 Returns e as a float of format @code{default_float_format}.
1403 @end table
1404
1405
1406 @subsection Trigonometric functions
1407
1408 @table @code
1409 @item cl_R sin (const cl_R& x)
1410 @cindex @code{sin ()}
1411 Returns @code{sin(x)}. The range of the result is the interval
1412 @code{-1 <= sin(x) <= 1}.
1413
1414 @item cl_N sin (const cl_N& z)
1415 Returns @code{sin(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1416
1417 @item cl_R cos (const cl_R& x)
1418 @cindex @code{cos ()}
1419 Returns @code{cos(x)}. The range of the result is the interval
1420 @code{-1 <= cos(x) <= 1}.
1421
1422 @item cl_N cos (const cl_N& x)
1423 Returns @code{cos(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1424
1425 @item struct cos_sin_t @{ cl_R cos; cl_R sin; @};
1426 @cindex @code{cos_sin_t}
1427 @itemx cos_sin_t cos_sin (const cl_R& x)
1428 Returns both @code{sin(x)} and @code{cos(x)}. This is more efficient than
1429 @cindex @code{cos_sin ()}
1430 computing them separately. The relation @code{cos^2 + sin^2 = 1} will
1431 hold only approximately.
1432
1433 @item cl_R tan (const cl_R& x)
1434 @cindex @code{tan ()}
1435 @itemx cl_N tan (const cl_N& x)
1436 Returns @code{tan(x) = sin(x)/cos(x)}.
1437
1438 @item cl_N cis (const cl_R& x)
1439 @cindex @code{cis ()}
1440 @itemx cl_N cis (const cl_N& x)
1441 Returns @code{exp(i*x)}. The name @samp{cis} means ``cos + i sin'', because
1442 @code{e^(i*x) = cos(x) + i*sin(x)}.
1443
1444 @cindex @code{asin}
1445 @cindex @code{asin ()}
1446 @item cl_N asin (const cl_N& z)
1447 Returns @code{arcsin(z)}. This is defined as
1448 @code{arcsin(z) = log(iz+sqrt(1-z^2))/i} and satisfies
1449 @code{arcsin(-z) = -arcsin(z)}.
1450 The range of the result is the strip in the complex domain
1451 @code{-pi/2 <= realpart(arcsin(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1452 with @code{realpart = -pi/2} and @code{imagpart < 0} and the numbers
1453 with @code{realpart = pi/2} and @code{imagpart > 0}.
1454 @ignore
1455 Proof: This follows from arcsin(z) = arsinh(iz)/i and the corresponding
1456 results for arsinh.
1457 @end ignore
1458
1459 @item cl_N acos (const cl_N& z)
1460 @cindex @code{acos ()}
1461 Returns @code{arccos(z)}. This is defined as
1462 @code{arccos(z) = pi/2 - arcsin(z) = log(z+i*sqrt(1-z^2))/i}
1463 @ignore
1464  Kahan's formula:
1465  @code{arccos(z) = 2*log(sqrt((1+z)/2)+i*sqrt((1-z)/2))/i}
1466 @end ignore
1467 and satisfies @code{arccos(-z) = pi - arccos(z)}.
1468 The range of the result is the strip in the complex domain
1469 @code{0 <= realpart(arcsin(z)) <= pi}, excluding the numbers
1470 with @code{realpart = 0} and @code{imagpart < 0} and the numbers
1471 with @code{realpart = pi} and @code{imagpart > 0}.
1472 @ignore
1473 Proof: This follows from the results about arcsin.
1474 @end ignore
1475
1476 @cindex @code{atan}
1477 @cindex @code{atan ()}
1478 @item cl_R atan (const cl_R& x, const cl_R& y)
1479 Returns the angle of the polar representation of the complex number
1480 @code{x+iy}. This is @code{atan(y/x)} if @code{x>0}. The range of
1481 the result is the interval @code{-pi < atan(x,y) <= pi}. The result will
1482 be an exact number only if @code{x > 0} and @code{y} is the exact @code{0}.
1483 WARNING: In Common Lisp, this function is called as @code{(atan y x)},
1484 with reversed order of arguments.
1485
1486 @item cl_R atan (const cl_R& x)
1487 Returns @code{arctan(x)}. This is the same as @code{atan(1,x)}. The range
1488 of the result is the interval @code{-pi/2 < atan(x) < pi/2}. The result
1489 will be an exact number only if @code{x} is the exact @code{0}.
1490
1491 @item cl_N atan (const cl_N& z)
1492 Returns @code{arctan(z)}. This is defined as
1493 @code{arctan(z) = (log(1+iz)-log(1-iz)) / 2i} and satisfies
1494 @code{arctan(-z) = -arctan(z)}. The range of the result is
1495 the strip in the complex domain
1496 @code{-pi/2 <= realpart(arctan(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1497 with @code{realpart = -pi/2} and @code{imagpart >= 0} and the numbers
1498 with @code{realpart = pi/2} and @code{imagpart <= 0}.
1499 @ignore
1500 Proof: arctan(z) = artanh(iz)/i, we know the range of the artanh function.
1501 @end ignore
1502
1503 @end table
1504
1505 @cindex pi
1506 @cindex Archimedes' constant
1507 Archimedes' constant pi = 3.14@dots{} is returned by the following functions:
1508
1509 @table @code
1510 @item cl_F pi (cl_float_format_t f)
1511 @cindex @code{pi ()}
1512 Returns pi as a float of format @code{f}.
1513
1514 @item cl_F pi (const cl_F& y)
1515 Returns pi in the float format of @code{y}.
1516
1517 @item cl_F pi (void)
1518 Returns pi as a float of format @code{default_float_format}.
1519 @end table
1520
1521
1522 @subsection Hyperbolic functions
1523
1524 @table @code
1525 @item cl_R sinh (const cl_R& x)
1526 @cindex @code{sinh ()}
1527 Returns @code{sinh(x)}.
1528
1529 @item cl_N sinh (const cl_N& z)
1530 Returns @code{sinh(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1531
1532 @item cl_R cosh (const cl_R& x)
1533 @cindex @code{cosh ()}
1534 Returns @code{cosh(x)}. The range of the result is the interval
1535 @code{cosh(x) >= 1}.
1536
1537 @item cl_N cosh (const cl_N& z)
1538 Returns @code{cosh(z)}. The range of the result is the entire complex plane.
1539
1540 @item struct cosh_sinh_t @{ cl_R cosh; cl_R sinh; @};
1541 @cindex @code{cosh_sinh_t}
1542 @itemx cosh_sinh_t cosh_sinh (const cl_R& x)
1543 @cindex @code{cosh_sinh ()}
1544 Returns both @code{sinh(x)} and @code{cosh(x)}. This is more efficient than
1545 computing them separately. The relation @code{cosh^2 - sinh^2 = 1} will
1546 hold only approximately.
1547
1548 @item cl_R tanh (const cl_R& x)
1549 @cindex @code{tanh ()}
1550 @itemx cl_N tanh (const cl_N& x)
1551 Returns @code{tanh(x) = sinh(x)/cosh(x)}.
1552
1553 @item cl_N asinh (const cl_N& z)
1554 @cindex @code{asinh ()}
1555 Returns @code{arsinh(z)}. This is defined as
1556 @code{arsinh(z) = log(z+sqrt(1+z^2))} and satisfies
1557 @code{arsinh(-z) = -arsinh(z)}.
1558 @ignore
1559 Proof: Knowing the range of log, we know -pi < imagpart(arsinh(z)) <= pi.
1560 Actually, z+sqrt(1+z^2) can never be real and <0, so
1561 -pi < imagpart(arsinh(z)) < pi.
1562 We have (z+sqrt(1+z^2))*(-z+sqrt(1+(-z)^2)) = (1+z^2)-z^2 = 1, hence the
1563 logs of both factors sum up to 0 mod 2*pi*i, hence to 0.
1564 @end ignore
1565 The range of the result is the strip in the complex domain
1566 @code{-pi/2 <= imagpart(arsinh(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1567 with @code{imagpart = -pi/2} and @code{realpart > 0} and the numbers
1568 with @code{imagpart = pi/2} and @code{realpart < 0}.
1569 @ignore
1570 Proof: Write z = x+iy. Because of arsinh(-z) = -arsinh(z), we may assume
1571 that z is in Range(sqrt), that is, x>=0 and, if x=0, then y>=0.
1572 If x > 0, then Re(z+sqrt(1+z^2)) = x + Re(sqrt(1+z^2)) >= x > 0,
1573 so -pi/2 < imagpart(log(z+sqrt(1+z^2))) < pi/2.
1574 If x = 0 and y >= 0, arsinh(z) = log(i*y+sqrt(1-y^2)).
1575   If y <= 1, the realpart is 0 and the imagpart is >= 0 and <= pi/2.
1576   If y >= 1, the imagpart is pi/2 and the realpart is
1577              log(y+sqrt(y^2-1)) >= log(y) >= 0.
1578 @end ignore
1579 @ignore
1580 Moreover, if z is in Range(sqrt),
1581 log(sqrt(1+z^2)+z) = 2 artanh(z/(1+sqrt(1+z^2)))
1582 (for a proof, see file src/cl_C_asinh.cc).
1583 @end ignore
1584
1585 @item cl_N acosh (const cl_N& z)
1586 @cindex @code{acosh ()}
1587 Returns @code{arcosh(z)}. This is defined as
1588 @code{arcosh(z) = 2*log(sqrt((z+1)/2)+sqrt((z-1)/2))}.
1589 The range of the result is the half-strip in the complex domain
1590 @code{-pi < imagpart(arcosh(z)) <= pi, realpart(arcosh(z)) >= 0},
1591 excluding the numbers with @code{realpart = 0} and @code{-pi < imagpart < 0}.
1592 @ignore
1593 Proof: sqrt((z+1)/2) and sqrt((z-1)/2)) lie in Range(sqrt), hence does
1594 their sum, hence its log has an imagpart <= pi/2 and > -pi/2.
1595 If z is in Range(sqrt), we have
1596   sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = sqrt(z^2-1)
1597   ==> (sqrt((z+1)/2)+sqrt((z-1)/2))^2 = (z+1)/2 + sqrt(z^2-1) + (z-1)/2
1598                                       = z + sqrt(z^2-1)
1599   ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1)) mod 2*pi*i
1600   and since the imagpart of both expressions is > -pi, <= pi
1601   ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1))
1602   To prove that the realpart of this is >= 0, write z = x+iy with x>=0,
1603   z^2-1 = u+iv with u = x^2-y^2-1, v = 2xy,
1604   sqrt(z^2-1) = p+iq with p = sqrt((sqrt(u^2+v^2)+u)/2) >= 0,
1605                           q = sqrt((sqrt(u^2+v^2)-u)/2) * sign(v),
1606   then |z+sqrt(z^2-1)|^2 = |x+iy + p+iq|^2
1607           = (x+p)^2 + (y+q)^2
1608           = x^2 + 2xp + p^2 + y^2 + 2yq + q^2
1609           >= x^2 + p^2 + y^2 + q^2                 (since x>=0, p>=0, yq>=0)
1610           = x^2 + y^2 + sqrt(u^2+v^2)
1611           >= x^2 + y^2 + |u|
1612           >= x^2 + y^2 - u
1613           = 1 + 2*y^2
1614           >= 1
1615   hence realpart(log(z+sqrt(z^2-1))) = log(|z+sqrt(z^2-1)|) >= 0.
1616   Equality holds only if y = 0 and u <= 0, i.e. 0 <= x < 1.
1617   In this case arcosh(z) = log(x+i*sqrt(1-x^2)) has imagpart >=0.
1618 Otherwise, -z is in Range(sqrt).
1619   If y != 0, sqrt((z+1)/2) = i^sign(y) * sqrt((-z-1)/2),
1620              sqrt((z-1)/2) = i^sign(y) * sqrt((-z+1)/2),
1621              hence arcosh(z) = sign(y)*pi/2*i + arcosh(-z),
1622              and this has realpart > 0.
1623   If y = 0 and -1<=x<=0, we still have sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = sqrt(z^2-1),
1624              ==> arcosh(z) = log(z+sqrt(z^2-1)) = log(x+i*sqrt(1-x^2))
1625              has realpart = 0 and imagpart > 0.
1626   If y = 0 and x<=-1, however, sqrt(z+1)*sqrt(z-1) = - sqrt(z^2-1),
1627              ==> arcosh(z) = log(z-sqrt(z^2-1)) = pi*i + arcosh(-z).
1628              This has realpart >= 0 and imagpart = pi.
1629 @end ignore
1630
1631 @item cl_N atanh (const cl_N& z)
1632 @cindex @code{atanh ()}
1633 Returns @code{artanh(z)}. This is defined as
1634 @code{artanh(z) = (log(1+z)-log(1-z)) / 2} and satisfies
1635 @code{artanh(-z) = -artanh(z)}. The range of the result is
1636 the strip in the complex domain
1637 @code{-pi/2 <= imagpart(artanh(z)) <= pi/2}, excluding the numbers
1638 with @code{imagpart = -pi/2} and @code{realpart <= 0} and the numbers
1639 with @code{imagpart = pi/2} and @code{realpart >= 0}.
1640 @ignore
1641 Proof: Write z = x+iy. Examine
1642   imagpart(artanh(z)) = (atan(1+x,y) - atan(1-x,-y))/2.
1643   Case 1: y = 0.
1644           x > 1 ==> imagpart = -pi/2, realpart = 1/2 log((x+1)/(x-1)) > 0,
1645           x < -1 ==> imagpart = pi/2, realpart = 1/2 log((-x-1)/(-x+1)) < 0,
1646           |x| < 1 ==> imagpart = 0
1647   Case 2: y > 0.
1648           imagpart(artanh(z))
1649               = (atan(1+x,y) - atan(1-x,-y))/2
1650               = ((pi/2 - atan((1+x)/y)) - (-pi/2 - atan((1-x)/-y)))/2
1651               = (pi - atan((1+x)/y) - atan((1-x)/y))/2
1652               > (pi -     pi/2      -     pi/2     )/2 = 0
1653           and (1+x)/y > (1-x)/y
1654               ==> atan((1+x)/y) > atan((-1+x)/y) = - atan((1-x)/y)
1655               ==> imagpart < pi/2.
1656           Hence 0 < imagpart < pi/2.
1657   Case 3: y < 0.
1658           By artanh(z) = -artanh(-z) and case 2, -pi/2 < imagpart < 0.
1659 @end ignore
1660 @end table
1661
1662
1663 @subsection Euler gamma
1664 @cindex Euler's constant
1665
1666 Euler's constant C = 0.577@dots{} is returned by the following functions:
1667
1668 @table @code
1669 @item cl_F eulerconst (cl_float_format_t f)
1670 @cindex @code{eulerconst ()}
1671 Returns Euler's constant as a float of format @code{f}.
1672
1673 @item cl_F eulerconst (const cl_F& y)
1674 Returns Euler's constant in the float format of @code{y}.
1675
1676 @item cl_F eulerconst (void)
1677 Returns Euler's constant as a float of format @code{default_float_format}.
1678 @end table
1679
1680 Catalan's constant G = 0.915@dots{} is returned by the following functions:
1681 @cindex Catalan's constant
1682
1683 @table @code
1684 @item cl_F catalanconst (cl_float_format_t f)
1685 @cindex @code{catalanconst ()}
1686 Returns Catalan's constant as a float of format @code{f}.
1687
1688 @item cl_F catalanconst (const cl_F& y)
1689 Returns Catalan's constant in the float format of @code{y}.
1690
1691 @item cl_F catalanconst (void)
1692 Returns Catalan's constant as a float of format @code{default_float_format}.
1693 @end table
1694
1695
1696 @subsection Riemann zeta
1697 @cindex Riemann's zeta
1698
1699 Riemann's zeta function at an integral point @code{s>1} is returned by the
1700 following functions:
1701
1702 @table @code
1703 @item cl_F zeta (int s, cl_float_format_t f)
1704 @cindex @code{zeta ()}
1705 Returns Riemann's zeta function at @code{s} as a float of format @code{f}.
1706
1707 @item cl_F zeta (int s, const cl_F& y)
1708 Returns Riemann's zeta function at @code{s} in the float format of @code{y}.
1709
1710 @item cl_F zeta (int s)
1711 Returns Riemann's zeta function at @code{s} as a float of format
1712 @code{default_float_format}.
1713 @end table
1714
1715
1716 @section Functions on integers
1717
1718 @subsection Logical functions
1719
1720 Integers, when viewed as in two's complement notation, can be thought as
1721 infinite bit strings where the bits' values eventually are constant.
1722 For example,
1723 @example
1724     17 = ......00010001
1725     -6 = ......11111010
1726 @end example
1727
1728 The logical operations view integers as such bit strings and operate
1729 on each of the bit positions in parallel.
1730
1731 @table @code
1732 @item cl_I lognot (const cl_I& x)
1733 @cindex @code{lognot ()}
1734 @itemx cl_I operator ~ (const cl_I& x)
1735 @cindex @code{operator ~ ()}
1736 Logical not, like @code{~x} in C. This is the same as @code{-1-x}.
1737
1738 @item cl_I logand (const cl_I& x, const cl_I& y)
1739 @cindex @code{logand ()}
1740 @itemx cl_I operator & (const cl_I& x, const cl_I& y)
1741 @cindex @code{operator & ()}
1742 Logical and, like @code{x & y} in C.
1743
1744 @item cl_I logior (const cl_I& x, const cl_I& y)
1745 @cindex @code{logior ()}
1746 @itemx cl_I operator | (const cl_I& x, const cl_I& y)
1747 @cindex @code{operator | ()}
1748 Logical (inclusive) or, like @code{x | y} in C.
1749
1750 @item cl_I logxor (const cl_I& x, const cl_I& y)
1751 @cindex @code{logxor ()}
1752 @itemx cl_I operator ^ (const cl_I& x, const cl_I& y)
1753 @cindex @code{operator ^ ()}
1754 Exclusive or, like @code{x ^ y} in C.
1755
1756 @item cl_I logeqv (const cl_I& x, const cl_I& y)
1757 @cindex @code{logeqv ()}
1758 Bitwise equivalence, like @code{~(x ^ y)} in C.
1759
1760 @item cl_I lognand (const cl_I& x, const cl_I& y)
1761 @cindex @code{lognand ()}
1762 Bitwise not and, like @code{~(x & y)} in C.
1763
1764 @item cl_I lognor (const cl_I& x, const cl_I& y)
1765 @cindex @code{lognor ()}
1766 Bitwise not or, like @code{~(x | y)} in C.
1767
1768 @item cl_I logandc1 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1769 @cindex @code{logandc1 ()}
1770 Logical and, complementing the first argument, like @code{~x & y} in C.
1771
1772 @item cl_I logandc2 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1773 @cindex @code{logandc2 ()}
1774 Logical and, complementing the second argument, like @code{x & ~y} in C.
1775
1776 @item cl_I logorc1 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1777 @cindex @code{logorc1 ()}
1778 Logical or, complementing the first argument, like @code{~x | y} in C.
1779
1780 @item cl_I logorc2 (const cl_I& x, const cl_I& y)
1781 @cindex @code{logorc2 ()}
1782 Logical or, complementing the second argument, like @code{x | ~y} in C.
1783 @end table
1784
1785 These operations are all available though the function
1786 @table @code
1787 @item cl_I boole (cl_boole op, const cl_I& x, const cl_I& y)
1788 @cindex @code{boole ()}
1789 @end table
1790 where @code{op} must have one of the 16 values (each one stands for a function
1791 which combines two bits into one bit): @code{boole_clr}, @code{boole_set},
1792 @code{boole_1}, @code{boole_2}, @code{boole_c1}, @code{boole_c2},
1793 @code{boole_and}, @code{boole_ior}, @code{boole_xor}, @code{boole_eqv},
1794 @code{boole_nand}, @code{boole_nor}, @code{boole_andc1}, @code{boole_andc2},
1795 @code{boole_orc1}, @code{boole_orc2}.
1796 @cindex @code{boole_clr}
1797 @cindex @code{boole_set}
1798 @cindex @code{boole_1}
1799 @cindex @code{boole_2}
1800 @cindex @code{boole_c1}
1801 @cindex @code{boole_c2}
1802 @cindex @code{boole_and}
1803 @cindex @code{boole_xor}
1804 @cindex @code{boole_eqv}
1805 @cindex @code{boole_nand}
1806 @cindex @code{boole_nor}
1807 @cindex @code{boole_andc1}
1808 @cindex @code{boole_andc2}
1809 @cindex @code{boole_orc1}
1810 @cindex @code{boole_orc2}
1811
1812
1813 Other functions that view integers as bit strings:
1814
1815 @table @code
1816 @item cl_boolean logtest (const cl_I& x, const cl_I& y)
1817 @cindex @code{logtest ()}
1818 Returns true if some bit is set in both @code{x} and @code{y}, i.e. if
1819 @code{logand(x,y) != 0}.
1820
1821 @item cl_boolean logbitp (const cl_I& n, const cl_I& x)
1822 @cindex @code{logbitp ()}
1823 Returns true if the @code{n}th bit (from the right) of @code{x} is set.
1824 Bit 0 is the least significant bit.
1825
1826 @item uintL logcount (const cl_I& x)
1827 @cindex @code{logcount ()}
1828 Returns the number of one bits in @code{x}, if @code{x} >= 0, or
1829 the number of zero bits in @code{x}, if @code{x} < 0.
1830 @end table
1831
1832 The following functions operate on intervals of bits in integers. 
1833 The type
1834 @example
1835 struct cl_byte @{ uintL size; uintL position; @};
1836 @end example
1837 @cindex @code{cl_byte}
1838 represents the bit interval containing the bits
1839 @code{position}@dots{}@code{position+size-1} of an integer.
1840 The constructor @code{cl_byte(size,position)} constructs a @code{cl_byte}.
1841
1842 @table @code
1843 @item cl_I ldb (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1844 @cindex @code{ldb ()}
1845 extracts the bits of @code{n} described by the bit interval @code{b}
1846 and returns them as a nonnegative integer with @code{b.size} bits.
1847
1848 @item cl_boolean ldb_test (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1849 @cindex @code{ldb_test ()}
1850 Returns true if some bit described by the bit interval @code{b} is set in
1851 @code{n}.
1852
1853 @item cl_I dpb (const cl_I& newbyte, const cl_I& n, const cl_byte& b)
1854 @cindex @code{dpb ()}
1855 Returns @code{n}, with the bits described by the bit interval @code{b}
1856 replaced by @code{newbyte}. Only the lowest @code{b.size} bits of
1857 @code{newbyte} are relevant.
1858 @end table
1859
1860 The functions @code{ldb} and @code{dpb} implicitly shift. The following
1861 functions are their counterparts without shifting:
1862
1863 @table @code
1864 @item cl_I mask_field (const cl_I& n, const cl_byte& b)
1865 @cindex @code{mask_field ()}
1866 returns an integer with the bits described by the bit interval @code{b}
1867 copied from the corresponding bits in @code{n}, the other bits zero.
1868
1869 @item cl_I deposit_field (const cl_I& newbyte, const cl_I& n, const cl_byte& b)
1870 @cindex @code{deposit_field ()}
1871 returns an integer where the bits described by the bit interval @code{b}
1872 come from @code{newbyte} and the other bits come from @code{n}.
1873 @end table
1874
1875 The following relations hold:
1876
1877 @itemize @asis
1878 @item
1879 @code{ldb (n, b) = mask_field(n, b) >> b.position},
1880 @item
1881 @code{dpb (newbyte, n, b) = deposit_field (newbyte << b.position, n, b)},
1882 @item
1883 @code{deposit_field(newbyte,n,b) = n ^ mask_field(n,b) ^ mask_field(new_byte,b)}.
1884 @end itemize
1885
1886 The following operations on integers as bit strings are efficient shortcuts
1887 for common arithmetic operations:
1888
1889 @table @code
1890 @item cl_boolean oddp (const cl_I& x)
1891 @cindex @code{oddp ()}
1892 Returns true if the least significant bit of @code{x} is 1. Equivalent to
1893 @code{mod(x,2) != 0}.
1894
1895 @item cl_boolean evenp (const cl_I& x)
1896 @cindex @code{evenp ()}
1897 Returns true if the least significant bit of @code{x} is 0. Equivalent to
1898 @code{mod(x,2) == 0}.
1899
1900 @item cl_I operator << (const cl_I& x, const cl_I& n)
1901 @cindex @code{operator << ()}
1902 Shifts @code{x} by @code{n} bits to the left. @code{n} should be >=0.
1903 Equivalent to @code{x * expt(2,n)}.
1904
1905 @item cl_I operator >> (const cl_I& x, const cl_I& n)
1906 @cindex @code{operator >> ()}
1907 Shifts @code{x} by @code{n} bits to the right. @code{n} should be >=0.
1908 Bits shifted out to the right are thrown away.
1909 Equivalent to @code{floor(x / expt(2,n))}.
1910
1911 @item cl_I ash (const cl_I& x, const cl_I& y)
1912 @cindex @code{ash ()}
1913 Shifts @code{x} by @code{y} bits to the left (if @code{y}>=0) or
1914 by @code{-y} bits to the right (if @code{y}<=0). In other words, this
1915 returns @code{floor(x * expt(2,y))}.
1916
1917 @item uintL integer_length (const cl_I& x)
1918 @cindex @code{integer_length ()}
1919 Returns the number of bits (excluding the sign bit) needed to represent @code{x}
1920 in two's complement notation. This is the smallest n >= 0 such that
1921 -2^n <= x < 2^n. If x > 0, this is the unique n > 0 such that
1922 2^(n-1) <= x < 2^n.
1923
1924 @item uintL ord2 (const cl_I& x)
1925 @cindex @code{ord2 ()}
1926 @code{x} must be non-zero. This function returns the number of 0 bits at the
1927 right of @code{x} in two's complement notation. This is the largest n >= 0
1928 such that 2^n divides @code{x}.
1929
1930 @item uintL power2p (const cl_I& x)
1931 @cindex @code{power2p ()}
1932 @code{x} must be > 0. This function checks whether @code{x} is a power of 2.
1933 If @code{x} = 2^(n-1), it returns n. Else it returns 0.
1934 (See also the function @code{logp}.)
1935 @end table
1936
1937
1938 @subsection Number theoretic functions
1939
1940 @table @code
1941 @item uint32 gcd (uint32 a, uint32 b)
1942 @cindex @code{gcd ()}
1943 @itemx cl_I gcd (const cl_I& a, const cl_I& b)
1944 This function returns the greatest common divisor of @code{a} and @code{b},
1945 normalized to be >= 0.
1946
1947 @item cl_I xgcd (const cl_I& a, const cl_I& b, cl_I* u, cl_I* v)
1948 @cindex @code{xgcd ()}
1949 This function (``extended gcd'') returns the greatest common divisor @code{g} of
1950 @code{a} and @code{b} and at the same time the representation of @code{g}
1951 as an integral linear combination of @code{a} and @code{b}:
1952 @code{u} and @code{v} with @code{u*a+v*b = g}, @code{g} >= 0.
1953 @code{u} and @code{v} will be normalized to be of smallest possible absolute
1954 value, in the following sense: If @code{a} and @code{b} are non-zero, and
1955 @code{abs(a) != abs(b)}, @code{u} and @code{v} will satisfy the inequalities
1956 @code{abs(u) <= abs(b)/(2*g)}, @code{abs(v) <= abs(a)/(2*g)}.
1957
1958 @item cl_I lcm (const cl_I& a, const cl_I& b)
1959 @cindex @code{lcm ()}
1960 This function returns the least common multiple of @code{a} and @code{b},
1961 normalized to be >= 0.
1962
1963 @item cl_boolean logp (const cl_I& a, const cl_I& b, cl_RA* l)
1964 @cindex @code{logp ()}
1965 @itemx cl_boolean logp (const cl_RA& a, const cl_RA& b, cl_RA* l)
1966 @code{a} must be > 0. @code{b} must be >0 and != 1. If log(a,b) is
1967 rational number, this function returns true and sets *l = log(a,b), else
1968 it returns false.
1969 @end table
1970
1971
1972 @subsection Combinatorial functions
1973
1974 @table @code
1975 @item cl_I factorial (uintL n)
1976 @cindex @code{factorial ()}
1977 @code{n} must be a small integer >= 0. This function returns the factorial
1978 @code{n}! = @code{1*2*@dots{}*n}.
1979
1980 @item cl_I doublefactorial (uintL n)
1981 @cindex @code{doublefactorial ()}
1982 @code{n} must be a small integer >= 0. This function returns the 
1983 doublefactorial @code{n}!! = @code{1*3*@dots{}*n} or 
1984 @code{n}!! = @code{2*4*@dots{}*n}, respectively.
1985
1986 @item cl_I binomial (uintL n, uintL k)
1987 @cindex @code{binomial ()}
1988 @code{n} and @code{k} must be small integers >= 0. This function returns the
1989 binomial coefficient
1990 @tex
1991 ${n \choose k} = {n! \over n! (n-k)!}$
1992 @end tex
1993 @ifinfo
1994 (@code{n} choose @code{k}) = @code{n}! / @code{k}! @code{(n-k)}!
1995 @end ifinfo
1996 for 0 <= k <= n, 0 else.
1997 @end table
1998
1999
2000 @section Functions on floating-point numbers
2001
2002 Recall that a floating-point number consists of a sign @code{s}, an
2003 exponent @code{e} and a mantissa @code{m}. The value of the number is
2004 @code{(-1)^s * 2^e * m}.
2005
2006 Each of the classes
2007 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2008 defines the following operations.
2009
2010 @table @code
2011 @item @var{type} scale_float (const @var{type}& x, sintL delta)
2012 @cindex @code{scale_float ()}
2013 @itemx @var{type} scale_float (const @var{type}& x, const cl_I& delta)
2014 Returns @code{x*2^delta}. This is more efficient than an explicit multiplication
2015 because it copies @code{x} and modifies the exponent.
2016 @end table
2017
2018 The following functions provide an abstract interface to the underlying
2019 representation of floating-point numbers.
2020
2021 @table @code
2022 @item sintL float_exponent (const @var{type}& x)
2023 @cindex @code{float_exponent ()}
2024 Returns the exponent @code{e} of @code{x}.
2025 For @code{x = 0.0}, this is 0. For @code{x} non-zero, this is the unique
2026 integer with @code{2^(e-1) <= abs(x) < 2^e}.
2027
2028 @item sintL float_radix (const @var{type}& x)
2029 @cindex @code{float_radix ()}
2030 Returns the base of the floating-point representation. This is always @code{2}.
2031
2032 @item @var{type} float_sign (const @var{type}& x)
2033 @cindex @code{float_sign ()}
2034 Returns the sign @code{s} of @code{x} as a float. The value is 1 for
2035 @code{x} >= 0, -1 for @code{x} < 0.
2036
2037 @item uintL float_digits (const @var{type}& x)
2038 @cindex @code{float_digits ()}
2039 Returns the number of mantissa bits in the floating-point representation
2040 of @code{x}, including the hidden bit. The value only depends on the type
2041 of @code{x}, not on its value.
2042
2043 @item uintL float_precision (const @var{type}& x)
2044 @cindex @code{float_precision ()}
2045 Returns the number of significant mantissa bits in the floating-point
2046 representation of @code{x}. Since denormalized numbers are not supported,
2047 this is the same as @code{float_digits(x)} if @code{x} is non-zero, and
2048 0 if @code{x} = 0.
2049 @end table
2050
2051 The complete internal representation of a float is encoded in the type
2052 @cindex @code{decoded_float}
2053 @cindex @code{decoded_sfloat}
2054 @cindex @code{decoded_ffloat}
2055 @cindex @code{decoded_dfloat}
2056 @cindex @code{decoded_lfloat}
2057 @code{decoded_float} (or @code{decoded_sfloat}, @code{decoded_ffloat},
2058 @code{decoded_dfloat}, @code{decoded_lfloat}, respectively), defined by
2059 @example
2060 struct decoded_@var{type}float @{
2061         @var{type} mantissa; cl_I exponent; @var{type} sign;
2062 @};
2063 @end example
2064
2065 and returned by the function
2066
2067 @table @code
2068 @item decoded_@var{type}float decode_float (const @var{type}& x)
2069 @cindex @code{decode_float ()}
2070 For @code{x} non-zero, this returns @code{(-1)^s}, @code{e}, @code{m} with
2071 @code{x = (-1)^s * 2^e * m} and @code{0.5 <= m < 1.0}. For @code{x} = 0,
2072 it returns @code{(-1)^s}=1, @code{e}=0, @code{m}=0.
2073 @code{e} is the same as returned by the function @code{float_exponent}.
2074 @end table
2075
2076 A complete decoding in terms of integers is provided as type
2077 @cindex @code{cl_idecoded_float}
2078 @example
2079 struct cl_idecoded_float @{
2080         cl_I mantissa; cl_I exponent; cl_I sign;
2081 @};
2082 @end example
2083 by the following function:
2084
2085 @table @code
2086 @item cl_idecoded_float integer_decode_float (const @var{type}& x)
2087 @cindex @code{integer_decode_float ()}
2088 For @code{x} non-zero, this returns @code{(-1)^s}, @code{e}, @code{m} with
2089 @code{x = (-1)^s * 2^e * m} and @code{m} an integer with @code{float_digits(x)}
2090 bits. For @code{x} = 0, it returns @code{(-1)^s}=1, @code{e}=0, @code{m}=0.
2091 WARNING: The exponent @code{e} is not the same as the one returned by
2092 the functions @code{decode_float} and @code{float_exponent}.
2093 @end table
2094
2095 Some other function, implemented only for class @code{cl_F}:
2096
2097 @table @code
2098 @item cl_F float_sign (const cl_F& x, const cl_F& y)
2099 @cindex @code{float_sign ()}
2100 This returns a floating point number whose precision and absolute value
2101 is that of @code{y} and whose sign is that of @code{x}. If @code{x} is
2102 zero, it is treated as positive. Same for @code{y}.
2103 @end table
2104
2105
2106 @section Conversion functions
2107 @cindex conversion
2108
2109 @subsection Conversion to floating-point numbers
2110
2111 The type @code{cl_float_format_t} describes a floating-point format.
2112 @cindex @code{cl_float_format_t}
2113
2114 @table @code
2115 @item cl_float_format_t cl_float_format (uintL n)
2116 @cindex @code{cl_float_format ()}
2117 Returns the smallest float format which guarantees at least @code{n}
2118 decimal digits in the mantissa (after the decimal point).
2119
2120 @item cl_float_format_t cl_float_format (const cl_F& x)
2121 Returns the floating point format of @code{x}.
2122
2123 @item cl_float_format_t default_float_format
2124 @cindex @code{default_float_format}
2125 Global variable: the default float format used when converting rational numbers
2126 to floats.
2127 @end table
2128
2129 To convert a real number to a float, each of the types
2130 @code{cl_R}, @code{cl_F}, @code{cl_I}, @code{cl_RA},
2131 @code{int}, @code{unsigned int}, @code{float}, @code{double}
2132 defines the following operations:
2133
2134 @table @code
2135 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x, cl_float_format_t f)
2136 @cindex @code{cl_float ()}
2137 Returns @code{x} as a float of format @code{f}.
2138 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x, const cl_F& y)
2139 Returns @code{x} in the float format of @code{y}.
2140 @item cl_F cl_float (const @var{type}&x)
2141 Returns @code{x} as a float of format @code{default_float_format} if
2142 it is an exact number, or @code{x} itself if it is already a float.
2143 @end table
2144
2145 Of course, converting a number to a float can lose precision.
2146
2147 Every floating-point format has some characteristic numbers:
2148
2149 @table @code
2150 @item cl_F most_positive_float (cl_float_format_t f)
2151 @cindex @code{most_positive_float ()}
2152 Returns the largest (most positive) floating point number in float format @code{f}.
2153
2154 @item cl_F most_negative_float (cl_float_format_t f)
2155 @cindex @code{most_negative_float ()}
2156 Returns the smallest (most negative) floating point number in float format @code{f}.
2157
2158 @item cl_F least_positive_float (cl_float_format_t f)
2159 @cindex @code{least_positive_float ()}
2160 Returns the least positive floating point number (i.e. > 0 but closest to 0)
2161 in float format @code{f}.
2162
2163 @item cl_F least_negative_float (cl_float_format_t f)
2164 @cindex @code{least_negative_float ()}
2165 Returns the least negative floating point number (i.e. < 0 but closest to 0)
2166 in float format @code{f}.
2167
2168 @item cl_F float_epsilon (cl_float_format_t f)
2169 @cindex @code{float_epsilon ()}
2170 Returns the smallest floating point number e > 0 such that @code{1+e != 1}.
2171
2172 @item cl_F float_negative_epsilon (cl_float_format_t f)
2173 @cindex @code{float_negative_epsilon ()}
2174 Returns the smallest floating point number e > 0 such that @code{1-e != 1}.
2175 @end table
2176
2177
2178 @subsection Conversion to rational numbers
2179
2180 Each of the classes @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_F}
2181 defines the following operation:
2182
2183 @table @code
2184 @item cl_RA rational (const @var{type}& x)
2185 @cindex @code{rational ()}
2186 Returns the value of @code{x} as an exact number. If @code{x} is already
2187 an exact number, this is @code{x}. If @code{x} is a floating-point number,
2188 the value is a rational number whose denominator is a power of 2.
2189 @end table
2190
2191 In order to convert back, say, @code{(cl_F)(cl_R)"1/3"} to @code{1/3}, there is
2192 the function
2193
2194 @table @code
2195 @item cl_RA rationalize (const cl_R& x)
2196 @cindex @code{rationalize ()}
2197 If @code{x} is a floating-point number, it actually represents an interval
2198 of real numbers, and this function returns the rational number with
2199 smallest denominator (and smallest numerator, in magnitude)
2200 which lies in this interval.
2201 If @code{x} is already an exact number, this function returns @code{x}.
2202 @end table
2203
2204 If @code{x} is any float, one has
2205
2206 @itemize @asis
2207 @item
2208 @code{cl_float(rational(x),x) = x}
2209 @item
2210 @code{cl_float(rationalize(x),x) = x}
2211 @end itemize
2212
2213
2214 @section Random number generators
2215
2216
2217 A random generator is a machine which produces (pseudo-)random numbers.
2218 The include file @code{<cln/random.h>} defines a class @code{random_state}
2219 which contains the state of a random generator. If you make a copy
2220 of the random number generator, the original one and the copy will produce
2221 the same sequence of random numbers.
2222
2223 The following functions return (pseudo-)random numbers in different formats.
2224 Calling one of these modifies the state of the random number generator in
2225 a complicated but deterministic way.
2226
2227 The global variable
2228 @cindex @code{random_state}
2229 @cindex @code{default_random_state}
2230 @example
2231 random_state default_random_state
2232 @end example
2233 contains a default random number generator. It is used when the functions
2234 below are called without @code{random_state} argument.
2235
2236 @table @code
2237 @item uint32 random32 (random_state& randomstate)
2238 @itemx uint32 random32 ()
2239 @cindex @code{random32 ()}
2240 Returns a random unsigned 32-bit number. All bits are equally random.
2241
2242 @item cl_I random_I (random_state& randomstate, const cl_I& n)
2243 @itemx cl_I random_I (const cl_I& n)
2244 @cindex @code{random_I ()}
2245 @code{n} must be an integer > 0. This function returns a random integer @code{x}
2246 in the range @code{0 <= x < n}.
2247
2248 @item cl_F random_F (random_state& randomstate, const cl_F& n)
2249 @itemx cl_F random_F (const cl_F& n)
2250 @cindex @code{random_F ()}
2251 @code{n} must be a float > 0. This function returns a random floating-point
2252 number of the same format as @code{n} in the range @code{0 <= x < n}.
2253
2254 @item cl_R random_R (random_state& randomstate, const cl_R& n)
2255 @itemx cl_R random_R (const cl_R& n)
2256 @cindex @code{random_R ()}
2257 Behaves like @code{random_I} if @code{n} is an integer and like @code{random_F}
2258 if @code{n} is a float.
2259 @end table
2260
2261
2262 @section Obfuscating operators
2263 @cindex modifying operators
2264
2265 The modifying C/C++ operators @code{+=}, @code{-=}, @code{*=}, @code{/=},
2266 @code{&=}, @code{|=}, @code{^=}, @code{<<=}, @code{>>=}
2267 are not available by default because their
2268 use tends to make programs unreadable. It is trivial to get away without
2269 them. However, if you feel that you absolutely need these operators
2270 to get happy, then add
2271 @example
2272 #define WANT_OBFUSCATING_OPERATORS
2273 @end example
2274 @cindex @code{WANT_OBFUSCATING_OPERATORS}
2275 to the beginning of your source files, before the inclusion of any CLN
2276 include files. This flag will enable the following operators:
2277
2278 For the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA},
2279 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}:
2280
2281 @table @code
2282 @item @var{type}& operator += (@var{type}&, const @var{type}&)
2283 @cindex @code{operator += ()}
2284 @itemx @var{type}& operator -= (@var{type}&, const @var{type}&)
2285 @cindex @code{operator -= ()}
2286 @itemx @var{type}& operator *= (@var{type}&, const @var{type}&)
2287 @cindex @code{operator *= ()}
2288 @itemx @var{type}& operator /= (@var{type}&, const @var{type}&)
2289 @cindex @code{operator /= ()}
2290 @end table
2291
2292 For the class @code{cl_I}:
2293
2294 @table @code
2295 @item @var{type}& operator += (@var{type}&, const @var{type}&)
2296 @itemx @var{type}& operator -= (@var{type}&, const @var{type}&)
2297 @itemx @var{type}& operator *= (@var{type}&, const @var{type}&)
2298 @itemx @var{type}& operator &= (@var{type}&, const @var{type}&)
2299 @cindex @code{operator &= ()}
2300 @itemx @var{type}& operator |= (@var{type}&, const @var{type}&)
2301 @cindex @code{operator |= ()}
2302 @itemx @var{type}& operator ^= (@var{type}&, const @var{type}&)
2303 @cindex @code{operator ^= ()}
2304 @itemx @var{type}& operator <<= (@var{type}&, const @var{type}&)
2305 @cindex @code{operator <<= ()}
2306 @itemx @var{type}& operator >>= (@var{type}&, const @var{type}&)
2307 @cindex @code{operator >>= ()}
2308 @end table
2309
2310 For the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2311 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}:
2312
2313 @table @code
2314 @item @var{type}& operator ++ (@var{type}& x)
2315 @cindex @code{operator ++ ()}
2316 The prefix operator @code{++x}.
2317
2318 @item void operator ++ (@var{type}& x, int)
2319 The postfix operator @code{x++}.
2320
2321 @item @var{type}& operator -- (@var{type}& x)
2322 @cindex @code{operator -- ()}
2323 The prefix operator @code{--x}.
2324
2325 @item void operator -- (@var{type}& x, int)
2326 The postfix operator @code{x--}.
2327 @end table
2328
2329 Note that by using these obfuscating operators, you wouldn't gain efficiency:
2330 In CLN @samp{x += y;} is exactly the same as  @samp{x = x+y;}, not more
2331 efficient.
2332
2333
2334 @chapter Input/Output
2335 @cindex Input/Output
2336
2337 @section Internal and printed representation
2338 @cindex representation
2339
2340 All computations deal with the internal representations of the numbers.
2341
2342 Every number has an external representation as a sequence of ASCII characters.
2343 Several external representations may denote the same number, for example,
2344 "20.0" and "20.000".
2345
2346 Converting an internal to an external representation is called ``printing'',
2347 @cindex printing
2348 converting an external to an internal representation is called ``reading''.
2349 @cindex reading
2350 In CLN, it is always true that conversion of an internal to an external
2351 representation and then back to an internal representation will yield the
2352 same internal representation. Symbolically: @code{read(print(x)) == x}.
2353 This is called ``print-read consistency''. 
2354
2355 Different types of numbers have different external representations (case
2356 is insignificant):
2357
2358 @table @asis
2359 @item Integers
2360 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}+. The reader also accepts the
2361 Common Lisp syntaxes @var{sign}@{@var{digit}@}+@code{.} with a trailing dot
2362 for decimal integers
2363 and the @code{#@var{n}R}, @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} prefixes.
2364
2365 @item Rational numbers
2366 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}+@code{/}@{@var{digit}@}+.
2367 The @code{#@var{n}R}, @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} prefixes are allowed
2368 here as well.
2369
2370 @item Floating-point numbers
2371 External representation: @var{sign}@{@var{digit}@}*@var{exponent} or
2372 @var{sign}@{@var{digit}@}*@code{.}@{@var{digit}@}*@var{exponent} or
2373 @var{sign}@{@var{digit}@}*@code{.}@{@var{digit}@}+. A precision specifier
2374 of the form _@var{prec} may be appended. There must be at least
2375 one digit in the non-exponent part. The exponent has the syntax
2376 @var{expmarker} @var{expsign} @{@var{digit}@}+.
2377 The exponent marker is
2378
2379 @itemize @asis
2380 @item
2381 @samp{s} for short-floats,
2382 @item
2383 @samp{f} for single-floats,
2384 @item
2385 @samp{d} for double-floats,
2386 @item
2387 @samp{L} for long-floats,
2388 @end itemize
2389
2390 or @samp{e}, which denotes a default float format. The precision specifying
2391 suffix has the syntax _@var{prec} where @var{prec} denotes the number of
2392 valid mantissa digits (in decimal, excluding leading zeroes), cf. also
2393 function @samp{cl_float_format}.
2394
2395 @item Complex numbers
2396 External representation:
2397 @itemize @asis
2398 @item
2399 In algebraic notation: @code{@var{realpart}+@var{imagpart}i}. Of course,
2400 if @var{imagpart} is negative, its printed representation begins with
2401 a @samp{-}, and the @samp{+} between @var{realpart} and @var{imagpart}
2402 may be omitted. Note that this notation cannot be used when the @var{imagpart}
2403 is rational and the rational number's base is >18, because the @samp{i}
2404 is then read as a digit.
2405 @item
2406 In Common Lisp notation: @code{#C(@var{realpart} @var{imagpart})}.
2407 @end itemize
2408 @end table
2409
2410
2411 @section Input functions
2412
2413 Including @code{<cln/io.h>} defines a type @code{cl_istream}, which is
2414 the type of the first argument to all input functions. @code{cl_istream}
2415 is the same as @code{std::istream&}.
2416
2417 The variable
2418 @itemize @asis
2419 @item
2420 @code{cl_istream stdin}
2421 @end itemize
2422 contains the standard input stream.
2423
2424 These are the simple input functions:
2425
2426 @table @code
2427 @item int freadchar (cl_istream stream)
2428 Reads a character from @code{stream}. Returns @code{cl_EOF} (not a @samp{char}!)
2429 if the end of stream was encountered or an error occurred.
2430
2431 @item int funreadchar (cl_istream stream, int c)
2432 Puts back @code{c} onto @code{stream}. @code{c} must be the result of the
2433 last @code{freadchar} operation on @code{stream}.
2434 @end table
2435
2436 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2437 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2438 defines, in @code{<cln/@var{type}_io.h>}, the following input function:
2439
2440 @table @code
2441 @item cl_istream operator>> (cl_istream stream, @var{type}& result)
2442 Reads a number from @code{stream} and stores it in the @code{result}.
2443 @end table
2444
2445 The most flexible input functions, defined in @code{<cln/@var{type}_io.h>},
2446 are the following:
2447
2448 @table @code
2449 @item cl_N read_complex (cl_istream stream, const cl_read_flags& flags)
2450 @itemx cl_R read_real (cl_istream stream, const cl_read_flags& flags)
2451 @itemx cl_F read_float (cl_istream stream, const cl_read_flags& flags)
2452 @itemx cl_RA read_rational (cl_istream stream, const cl_read_flags& flags)
2453 @itemx cl_I read_integer (cl_istream stream, const cl_read_flags& flags)
2454 Reads a number from @code{stream}. The @code{flags} are parameters which
2455 affect the input syntax. Whitespace before the number is silently skipped.
2456
2457 @item cl_N read_complex (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2458 @itemx cl_R read_real (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2459 @itemx cl_F read_float (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2460 @itemx cl_RA read_rational (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2461 @itemx cl_I read_integer (const cl_read_flags& flags, const char * string, const char * string_limit, const char * * end_of_parse)
2462 Reads a number from a string in memory. The @code{flags} are parameters which
2463 affect the input syntax. The string starts at @code{string} and ends at
2464 @code{string_limit} (exclusive limit). @code{string_limit} may also be
2465 @code{NULL}, denoting the entire string, i.e. equivalent to
2466 @code{string_limit = string + strlen(string)}. If @code{end_of_parse} is
2467 @code{NULL}, the string in memory must contain exactly one number and nothing
2468 more, else a fatal error will be signalled. If @code{end_of_parse}
2469 is not @code{NULL}, @code{*end_of_parse} will be assigned a pointer past
2470 the last parsed character (i.e. @code{string_limit} if nothing came after
2471 the number). Whitespace is not allowed.
2472 @end table
2473
2474 The structure @code{cl_read_flags} contains the following fields:
2475
2476 @table @code
2477 @item cl_read_syntax_t syntax
2478 The possible results of the read operation. Possible values are
2479 @code{syntax_number}, @code{syntax_real}, @code{syntax_rational},
2480 @code{syntax_integer}, @code{syntax_float}, @code{syntax_sfloat},
2481 @code{syntax_ffloat}, @code{syntax_dfloat}, @code{syntax_lfloat}.
2482
2483 @item cl_read_lsyntax_t lsyntax
2484 Specifies the language-dependent syntax variant for the read operation.
2485 Possible values are
2486
2487 @table @code
2488 @item lsyntax_standard
2489 accept standard algebraic notation only, no complex numbers,
2490 @item lsyntax_algebraic
2491 accept the algebraic notation @code{@var{x}+@var{y}i} for complex numbers,
2492 @item lsyntax_commonlisp
2493 accept the @code{#b}, @code{#o}, @code{#x} syntaxes for binary, octal,
2494 hexadecimal numbers,
2495 @code{#@var{base}R} for rational numbers in a given base,
2496 @code{#c(@var{realpart} @var{imagpart})} for complex numbers,
2497 @item lsyntax_all
2498 accept all of these extensions.
2499 @end table
2500
2501 @item unsigned int rational_base
2502 The base in which rational numbers are read.
2503
2504 @item cl_float_format_t float_flags.default_float_format
2505 The float format used when reading floats with exponent marker @samp{e}.
2506
2507 @item cl_float_format_t float_flags.default_lfloat_format
2508 The float format used when reading floats with exponent marker @samp{l}.
2509
2510 @item cl_boolean float_flags.mantissa_dependent_float_format
2511 When this flag is true, floats specified with more digits than corresponding
2512 to the exponent marker they contain, but without @var{_nnn} suffix, will get a
2513 precision corresponding to their number of significant digits.
2514 @end table
2515
2516
2517 @section Output functions
2518
2519 Including @code{<cln/io.h>} defines a type @code{cl_ostream}, which is
2520 the type of the first argument to all output functions. @code{cl_ostream}
2521 is the same as @code{std::ostream&}.
2522
2523 The variable
2524 @itemize @asis
2525 @item
2526 @code{cl_ostream stdout}
2527 @end itemize
2528 contains the standard output stream.
2529
2530 The variable
2531 @itemize @asis
2532 @item
2533 @code{cl_ostream stderr}
2534 @end itemize
2535 contains the standard error output stream.
2536
2537 These are the simple output functions:
2538
2539 @table @code
2540 @item void fprintchar (cl_ostream stream, char c)
2541 Prints the character @code{x} literally on the @code{stream}.
2542
2543 @item void fprint (cl_ostream stream, const char * string)
2544 Prints the @code{string} literally on the @code{stream}.
2545
2546 @item void fprintdecimal (cl_ostream stream, int x)
2547 @itemx void fprintdecimal (cl_ostream stream, const cl_I& x)
2548 Prints the integer @code{x} in decimal on the @code{stream}.
2549
2550 @item void fprintbinary (cl_ostream stream, const cl_I& x)
2551 Prints the integer @code{x} in binary (base 2, without prefix)
2552 on the @code{stream}.
2553
2554 @item void fprintoctal (cl_ostream stream, const cl_I& x)
2555 Prints the integer @code{x} in octal (base 8, without prefix)
2556 on the @code{stream}.
2557
2558 @item void fprinthexadecimal (cl_ostream stream, const cl_I& x)
2559 Prints the integer @code{x} in hexadecimal (base 16, without prefix)
2560 on the @code{stream}.
2561 @end table
2562
2563 Each of the classes @code{cl_N}, @code{cl_R}, @code{cl_RA}, @code{cl_I},
2564 @code{cl_F}, @code{cl_SF}, @code{cl_FF}, @code{cl_DF}, @code{cl_LF}
2565 defines, in @code{<cln/@var{type}_io.h>}, the following output functions:
2566
2567 @table @code
2568 @item void fprint (cl_ostream stream, const @var{type}& x)
2569 @itemx cl_ostream operator<< (cl_ostream stream, const @var{type}& x)
2570 Prints the number @code{x} on the @code{stream}. The output may depend
2571 on the global printer settings in the variable @code{default_print_flags}.
2572 The @code{ostream} flags and settings (flags, width and locale) are
2573 ignored.
2574 @end table
2575
2576 The most flexible output function, defined in @code{<cln/@var{type}_io.h>},
2577 are the following:
2578 @example
2579 void print_complex  (cl_ostream stream, const cl_print_flags& flags,
2580                      const cl_N& z);
2581 void print_real     (cl_ostream stream, const cl_print_flags& flags,
2582                      const cl_R& z);
2583 void print_float    (cl_ostream stream, const cl_print_flags& flags,
2584                      const cl_F& z);
2585 void print_rational (cl_ostream stream, const cl_print_flags& flags,
2586                      const cl_RA& z);
2587 void print_integer  (cl_ostream stream, const cl_print_flags& flags,
2588                      const cl_I& z);
2589 @end example
2590 Prints the number @code{x} on the @code{stream}. The @code{flags} are
2591 parameters which affect the output.
2592
2593 The structure type @code{cl_print_flags} contains the following fields:
2594
2595 @table @code
2596 @item unsigned int rational_base
2597 The base in which rational numbers are printed. Default is @code{10}.
2598
2599 @item cl_boolean rational_readably
2600 If this flag is true, rational numbers are printed with radix specifiers in
2601 Common Lisp syntax (@code{#@var{n}R} or @code{#b} or @code{#o} or @code{#x}
2602 prefixes, trailing dot). Default is false.
2603
2604 @item cl_boolean float_readably
2605 If this flag is true, type specific exponent markers have precedence over 'E'.
2606 Default is false.
2607
2608 @item cl_float_format_t default_float_format
2609 Floating point numbers of this format will be printed using the 'E' exponent
2610 marker. Default is @code{cl_float_format_ffloat}.
2611
2612 @item cl_boolean complex_readably
2613 If this flag is true, complex numbers will be printed using the Common Lisp
2614 syntax @code{#C(@var{realpart} @var{imagpart})}. Default is false.
2615
2616 @item cl_string univpoly_varname
2617 Univariate polynomials with no explicit indeterminate name will be printed
2618 using this variable name. Default is @code{"x"}.
2619 @end table
2620
2621 The global variable @code{default_print_flags} contains the default values,
2622 used by the function @code{fprint}.
2623
2624
2625 @chapter Rings
2626
2627 CLN has a class of abstract rings.
2628
2629 @example
2630                          Ring
2631                        cl_ring
2632                      <cln/ring.h>
2633 @end example
2634
2635 Rings can be compared for equality:
2636
2637 @table @code
2638 @item bool operator== (const cl_ring&, const cl_ring&)
2639 @itemx bool operator!= (const cl_ring&, const cl_ring&)
2640 These compare two rings for equality.
2641 @end table
2642
2643 Given a ring @code{R}, the following members can be used.
2644
2645 @table @code
2646 @item void R->fprint (cl_ostream stream, const cl_ring_element& x)
2647 @cindex @code{fprint ()}
2648 @itemx cl_boolean R->equal (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2649 @cindex @code{equal ()}
2650 @itemx cl_ring_element R->zero ()
2651 @cindex @code{zero ()}
2652 @itemx cl_boolean R->zerop (const cl_ring_element& x)
2653 @cindex @code{zerop ()}
2654 @itemx cl_ring_element R->plus (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2655 @cindex @code{plus ()}
2656 @itemx cl_ring_element R->minus (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2657 @cindex @code{minus ()}
2658 @itemx cl_ring_element R->uminus (const cl_ring_element& x)
2659 @cindex @code{uminus ()}
2660 @itemx cl_ring_element R->one ()
2661 @cindex @code{one ()}
2662 @itemx cl_ring_element R->canonhom (const cl_I& x)
2663 @cindex @code{canonhom ()}
2664 @itemx cl_ring_element R->mul (const cl_ring_element& x, const cl_ring_element& y)
2665 @cindex @code{mul ()}
2666 @itemx cl_ring_element R->square (const cl_ring_element& x)
2667 @cindex @code{square ()}
2668 @itemx cl_ring_element R->expt_pos (const cl_ring_element& x, const cl_I& y)
2669 @cindex @code{expt_pos ()}
2670 @end table
2671
2672 The following rings are built-in.
2673
2674 @table @code
2675 @item cl_null_ring cl_0_ring
2676 The null ring, containing only zero.
2677
2678 @item cl_complex_ring cl_C_ring
2679 The ring of complex numbers. This corresponds to the type @code{cl_N}.
2680
2681 @item cl_real_ring cl_R_ring
2682 The ring of real numbers. This corresponds to the type @code{cl_R}.
2683
2684 @item cl_rational_ring cl_RA_ring
2685 The ring of rational numbers. This corresponds to the type @code{cl_RA}.
2686
2687 @item cl_integer_ring cl_I_ring
2688 The ring of integers. This corresponds to the type @code{cl_I}.
2689 @end table
2690
2691 Type tests can be performed for any of @code{cl_C_ring}, @code{cl_R_ring},
2692 @code{cl_RA_ring}, @code{cl_I_ring}:
2693
2694 @table @code
2695 @item cl_boolean instanceof (const cl_number& x, const cl_number_ring& R)
2696 @cindex @code{instanceof ()}
2697 Tests whether the given number is an element of the number ring R.
2698 @end table
2699
2700
2701 @chapter Modular integers
2702 @cindex modular integer
2703
2704 @section Modular integer rings
2705 @cindex ring
2706
2707 CLN implements modular integers, i.e. integers modulo a fixed integer N.
2708 The modulus is explicitly part of every modular integer. CLN doesn't
2709 allow you to (accidentally) mix elements of different modular rings,
2710 e.g. @code{(3 mod 4) + (2 mod 5)} will result in a runtime error.
2711 (Ideally one would imagine a generic data type @code{cl_MI(N)}, but C++
2712 doesn't have generic types. So one has to live with runtime checks.)
2713
2714 The class of modular integer rings is
2715
2716 @example
2717                          Ring
2718                        cl_ring
2719                      <cln/ring.h>
2720                           |
2721                           |
2722                  Modular integer ring
2723                     cl_modint_ring
2724                   <cln/modinteger.h>
2725 @end example
2726 @cindex @code{cl_modint_ring}
2727
2728 and the class of all modular integers (elements of modular integer rings) is
2729
2730 @example
2731                     Modular integer
2732                          cl_MI
2733                    <cln/modinteger.h>
2734 @end example
2735
2736 Modular integer rings are constructed using the function
2737
2738 @table @code
2739 @item cl_modint_ring find_modint_ring (const cl_I& N)
2740 @cindex @code{find_modint_ring ()}
2741 This function returns the modular ring @samp{Z/NZ}. It takes care
2742 of finding out about special cases of @code{N}, like powers of two
2743 and odd numbers for which Montgomery multiplication will be a win,
2744 @cindex Montgomery multiplication
2745 and precomputes any necessary auxiliary data for computing modulo @code{N}.
2746 There is a cache table of rings, indexed by @code{N} (or, more precisely,
2747 by @code{abs(N)}). This ensures that the precomputation costs are reduced
2748 to a minimum.
2749 @end table
2750
2751 Modular integer rings can be compared for equality:
2752
2753 @table @code
2754 @item bool operator== (const cl_modint_ring&, const cl_modint_ring&)
2755 @cindex @code{operator == ()}
2756 @itemx bool operator!= (const cl_modint_ring&, const cl_modint_ring&)
2757 @cindex @code{operator != ()}
2758 These compare two modular integer rings for equality. Two different calls
2759 to @code{find_modint_ring} with the same argument necessarily return the
2760 same ring because it is memoized in the cache table.
2761 @end table
2762
2763 @section Functions on modular integers
2764
2765 Given a modular integer ring @code{R}, the following members can be used.
2766
2767 @table @code
2768 @item cl_I R->modulus
2769 @cindex @code{modulus}
2770 This is the ring's modulus, normalized to be nonnegative: @code{abs(N)}.
2771
2772 @item cl_MI R->zero()
2773 @cindex @code{zero ()}
2774 This returns @code{0 mod N}.
2775
2776 @item cl_MI R->one()
2777 @cindex @code{one ()}
2778 This returns @code{1 mod N}.
2779
2780 @item cl_MI R->canonhom (const cl_I& x)
2781 @cindex @code{canonhom ()}
2782 This returns @code{x mod N}.
2783
2784 @item cl_I R->retract (const cl_MI& x)
2785 @cindex @code{retract ()}
2786 This is a partial inverse function to @code{R->canonhom}. It returns the
2787 standard representative (@code{>=0}, @code{<N}) of @code{x}.
2788
2789 @item cl_MI R->random(random_state& randomstate)
2790 @itemx cl_MI R->random()
2791 @cindex @code{random ()}
2792 This returns a random integer modulo @code{N}.
2793 @end table
2794
2795 The following operations are defined on modular integers.
2796
2797 @table @code
2798 @item cl_modint_ring x.ring ()
2799 @cindex @code{ring ()}
2800 Returns the ring to which the modular integer @code{x} belongs.
2801
2802 @item cl_MI operator+ (const cl_MI&, const cl_MI&)
2803 @cindex @code{operator + ()}
2804 Returns the sum of two modular integers. One of the arguments may also
2805 be a plain integer.
2806
2807 @item cl_MI operator- (const cl_MI&, const cl_MI&)
2808 @cindex @code{operator - ()}
2809 Returns the difference of two modular integers. One of the arguments may also
2810 be a plain integer.
2811
2812 @item cl_MI operator- (const cl_MI&)
2813 Returns the negative of a modular integer.
2814
2815 @item cl_MI operator* (const cl_MI&, const cl_MI&)
2816 @cindex @code{operator * ()}
2817 Returns the product of two modular integers. One of the arguments may also
2818 be a plain integer.
2819
2820 @item cl_MI square (const cl_MI&)
2821 @cindex @code{square ()}
2822 Returns the square of a modular integer.
2823
2824 @item cl_MI recip (const cl_MI& x)
2825 @cindex @code{recip ()}
2826 Returns the reciprocal @code{x^-1} of a modular integer @code{x}. @code{x}
2827 must be coprime to the modulus, otherwise an error message is issued.
2828
2829 @item cl_MI div (const cl_MI& x, const cl_MI& y)
2830 @cindex @code{div ()}
2831 Returns the quotient @code{x*y^-1} of two modular integers @code{x}, @code{y}.
2832 @code{y} must be coprime to the modulus, otherwise an error message is issued.
2833
2834 @item cl_MI expt_pos (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2835 @cindex @code{expt_pos ()}
2836 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
2837
2838 @item cl_MI expt (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2839 @cindex @code{expt ()}
2840 Returns @code{x^y}. If @code{y} is negative, @code{x} must be coprime to the
2841 modulus, else an error message is issued.
2842
2843 @item cl_MI operator<< (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2844 @cindex @code{operator << ()}
2845 Returns @code{x*2^y}.
2846
2847 @item cl_MI operator>> (const cl_MI& x, const cl_I& y)
2848 @cindex @code{operator >> ()}
2849 Returns @code{x*2^-y}. When @code{y} is positive, the modulus must be odd,
2850 or an error message is issued.
2851
2852 @item bool operator== (const cl_MI&, const cl_MI&)
2853 @cindex @code{operator == ()}
2854 @itemx bool operator!= (const cl_MI&, const cl_MI&)
2855 @cindex @code{operator != ()}
2856 Compares two modular integers, belonging to the same modular integer ring,
2857 for equality.
2858
2859 @item cl_boolean zerop (const cl_MI& x)
2860 @cindex @code{zerop ()}
2861 Returns true if @code{x} is @code{0 mod N}.
2862 @end table
2863
2864 The following output functions are defined (see also the chapter on
2865 input/output).
2866
2867 @table @code
2868 @item void fprint (cl_ostream stream, const cl_MI& x)
2869 @cindex @code{fprint ()}
2870 @itemx cl_ostream operator<< (cl_ostream stream, const cl_MI& x)
2871 @cindex @code{operator << ()}
2872 Prints the modular integer @code{x} on the @code{stream}. The output may depend
2873 on the global printer settings in the variable @code{default_print_flags}.
2874 @end table
2875
2876
2877 @chapter Symbolic data types
2878 @cindex symbolic type
2879
2880 CLN implements two symbolic (non-numeric) data types: strings and symbols.
2881
2882 @section Strings
2883 @cindex string
2884 @cindex @code{cl_string}
2885
2886 The class
2887
2888 @example
2889                       String
2890                      cl_string
2891                    <cln/string.h>
2892 @end example
2893
2894 implements immutable strings.
2895
2896 Strings are constructed through the following constructors:
2897
2898 @table @code
2899 @item cl_string (const char * s)
2900 Returns an immutable copy of the (zero-terminated) C string @code{s}.
2901
2902 @item cl_string (const char * ptr, unsigned long len)
2903 Returns an immutable copy of the @code{len} characters at
2904 @code{ptr[0]}, @dots{}, @code{ptr[len-1]}. NUL characters are allowed.
2905 @end table
2906
2907 The following functions are available on strings:
2908
2909 @table @code
2910 @item operator =
2911 Assignment from @code{cl_string} and @code{const char *}.
2912
2913 @item s.length()
2914 @cindex @code{length ()}
2915 @itemx strlen(s)
2916 @cindex @code{strlen ()}
2917 Returns the length of the string @code{s}.
2918
2919 @item s[i]
2920 @cindex @code{operator [] ()}
2921 Returns the @code{i}th character of the string @code{s}.
2922 @code{i} must be in the range @code{0 <= i < s.length()}.
2923
2924 @item bool equal (const cl_string& s1, const cl_string& s2)
2925 @cindex @code{equal ()}
2926 Compares two strings for equality. One of the arguments may also be a
2927 plain @code{const char *}.
2928 @end table
2929
2930 @section Symbols
2931 @cindex symbol
2932 @cindex @code{cl_symbol}
2933
2934 Symbols are uniquified strings: all symbols with the same name are shared.
2935 This means that comparison of two symbols is fast (effectively just a pointer
2936 comparison), whereas comparison of two strings must in the worst case walk
2937 both strings until their end.
2938 Symbols are used, for example, as tags for properties, as names of variables
2939 in polynomial rings, etc.
2940
2941 Symbols are constructed through the following constructor:
2942
2943 @table @code
2944 @item cl_symbol (const cl_string& s)
2945 Looks up or creates a new symbol with a given name.
2946 @end table
2947
2948 The following operations are available on symbols:
2949
2950 @table @code
2951 @item cl_string (const cl_symbol& sym)
2952 Conversion to @code{cl_string}: Returns the string which names the symbol
2953 @code{sym}.
2954
2955 @item bool equal (const cl_symbol& sym1, const cl_symbol& sym2)
2956 @cindex @code{equal ()}
2957 Compares two symbols for equality. This is very fast.
2958 @end table
2959
2960
2961 @chapter Univariate polynomials
2962 @cindex polynomial
2963 @cindex univariate polynomial
2964
2965 @section Univariate polynomial rings
2966
2967 CLN implements univariate polynomials (polynomials in one variable) over an
2968 arbitrary ring. The indeterminate variable may be either unnamed (and will be
2969 printed according to @code{default_print_flags.univpoly_varname}, which
2970 defaults to @samp{x}) or carry a given name. The base ring and the
2971 indeterminate are explicitly part of every polynomial. CLN doesn't allow you to
2972 (accidentally) mix elements of different polynomial rings, e.g.
2973 @code{(a^2+1) * (b^3-1)} will result in a runtime error. (Ideally this should
2974 return a multivariate polynomial, but they are not yet implemented in CLN.)
2975
2976 The classes of univariate polynomial rings are
2977
2978 @example
2979                            Ring
2980                          cl_ring
2981                        <cln/ring.h>
2982                             |
2983                             |
2984                  Univariate polynomial ring
2985                       cl_univpoly_ring
2986                       <cln/univpoly.h>
2987                             |
2988            +----------------+-------------------+
2989            |                |                   |
2990  Complex polynomial ring    |    Modular integer polynomial ring
2991  cl_univpoly_complex_ring   |        cl_univpoly_modint_ring
2992  <cln/univpoly_complex.h>   |        <cln/univpoly_modint.h>
2993                             |
2994            +----------------+
2995            |                |
2996    Real polynomial ring     |
2997    cl_univpoly_real_ring    |
2998    <cln/univpoly_real.h>    |
2999                             |
3000            +----------------+
3001            |                |
3002  Rational polynomial ring   |
3003  cl_univpoly_rational_ring  |
3004  <cln/univpoly_rational.h>  |
3005                             |
3006            +----------------+
3007            |
3008  Integer polynomial ring
3009  cl_univpoly_integer_ring
3010  <cln/univpoly_integer.h>
3011 @end example
3012
3013 and the corresponding classes of univariate polynomials are
3014
3015 @example
3016                    Univariate polynomial
3017                           cl_UP
3018                       <cln/univpoly.h>
3019                             |
3020            +----------------+-------------------+
3021            |                |                   |
3022    Complex polynomial       |      Modular integer polynomial
3023         cl_UP_N             |                cl_UP_MI
3024  <cln/univpoly_complex.h>   |        <cln/univpoly_modint.h>
3025                             |
3026            +----------------+
3027            |                |
3028      Real polynomial        |
3029         cl_UP_R             |
3030   <cln/univpoly_real.h>     |
3031                             |
3032            +----------------+
3033            |                |
3034    Rational polynomial      |
3035         cl_UP_RA            |
3036  <cln/univpoly_rational.h>  |
3037                             |
3038            +----------------+
3039            |
3040    Integer polynomial
3041         cl_UP_I
3042  <cln/univpoly_integer.h>
3043 @end example
3044
3045 Univariate polynomial rings are constructed using the functions
3046
3047 @table @code
3048 @item cl_univpoly_ring find_univpoly_ring (const cl_ring& R)
3049 @itemx cl_univpoly_ring find_univpoly_ring (const cl_ring& R, const cl_symbol& varname)
3050 This function returns the polynomial ring @samp{R[X]}, unnamed or named.
3051 @code{R} may be an arbitrary ring. This function takes care of finding out
3052 about special cases of @code{R}, such as the rings of complex numbers,
3053 real numbers, rational numbers, integers, or modular integer rings.
3054 There is a cache table of rings, indexed by @code{R} and @code{varname}.
3055 This ensures that two calls of this function with the same arguments will
3056 return the same polynomial ring.
3057
3058 @itemx cl_univpoly_complex_ring find_univpoly_ring (const cl_complex_ring& R)
3059 @cindex @code{find_univpoly_ring ()}
3060 @itemx cl_univpoly_complex_ring find_univpoly_ring (const cl_complex_ring& R, const cl_symbol& varname)
3061 @itemx cl_univpoly_real_ring find_univpoly_ring (const cl_real_ring& R)
3062 @itemx cl_univpoly_real_ring find_univpoly_ring (const cl_real_ring& R, const cl_symbol& varname)
3063 @itemx cl_univpoly_rational_ring find_univpoly_ring (const cl_rational_ring& R)
3064 @itemx cl_univpoly_rational_ring find_univpoly_ring (const cl_rational_ring& R, const cl_symbol& varname)
3065 @itemx cl_univpoly_integer_ring find_univpoly_ring (const cl_integer_ring& R)
3066 @itemx cl_univpoly_integer_ring find_univpoly_ring (const cl_integer_ring& R, const cl_symbol& varname)
3067 @itemx cl_univpoly_modint_ring find_univpoly_ring (const cl_modint_ring& R)
3068 @itemx cl_univpoly_modint_ring find_univpoly_ring (const cl_modint_ring& R, const cl_symbol& varname)
3069 These functions are equivalent to the general @code{find_univpoly_ring},
3070 only the return type is more specific, according to the base ring's type.
3071 @end table
3072
3073 @section Functions on univariate polynomials
3074
3075 Given a univariate polynomial ring @code{R}, the following members can be used.
3076
3077 @table @code
3078 @item cl_ring R->basering()
3079 @cindex @code{basering ()}
3080 This returns the base ring, as passed to @samp{find_univpoly_ring}.
3081
3082 @item cl_UP R->zero()
3083 @cindex @code{zero ()}
3084 This returns @code{0 in R}, a polynomial of degree -1.
3085
3086 @item cl_UP R->one()
3087 @cindex @code{one ()}
3088 This returns @code{1 in R}, a polynomial of degree <= 0.
3089
3090 @item cl_UP R->canonhom (const cl_I& x)
3091 @cindex @code{canonhom ()}
3092 This returns @code{x in R}, a polynomial of degree <= 0.
3093
3094 @item cl_UP R->monomial (const cl_ring_element& x, uintL e)
3095 @cindex @code{monomial ()}
3096 This returns a sparse polynomial: @code{x * X^e}, where @code{X} is the
3097 indeterminate.
3098
3099 @item cl_UP R->create (sintL degree)
3100 @cindex @code{create ()}
3101 Creates a new polynomial with a given degree. The zero polynomial has degree
3102 @code{-1}. After creating the polynomial, you should put in the coefficients,
3103 using the @code{set_coeff} member function, and then call the @code{finalize}
3104 member function.
3105 @end table
3106
3107 The following are the only destructive operations on univariate polynomials.
3108
3109 @table @code
3110 @item void set_coeff (cl_UP& x, uintL index, const cl_ring_element& y)
3111 @cindex @code{set_coeff ()}
3112 This changes the coefficient of @code{X^index} in @code{x} to be @code{y}.
3113 After changing a polynomial and before applying any "normal" operation on it,
3114 you should call its @code{finalize} member function.
3115
3116 @item void finalize (cl_UP& x)
3117 @cindex @code{finalize ()}
3118 This function marks the endpoint of destructive modifications of a polynomial.
3119 It normalizes the internal representation so that subsequent computations have
3120 less overhead. Doing normal computations on unnormalized polynomials may
3121 produce wrong results or crash the program.
3122 @end table
3123
3124 The following operations are defined on univariate polynomials.
3125
3126 @table @code
3127 @item cl_univpoly_ring x.ring ()
3128 @cindex @code{ring ()}
3129 Returns the ring to which the univariate polynomial @code{x} belongs.
3130
3131 @item cl_UP operator+ (const cl_UP&, const cl_UP&)
3132 @cindex @code{operator + ()}
3133 Returns the sum of two univariate polynomials.
3134
3135 @item cl_UP operator- (const cl_UP&, const cl_UP&)
3136 @cindex @code{operator - ()}
3137 Returns the difference of two univariate polynomials.
3138
3139 @item cl_UP operator- (const cl_UP&)
3140 Returns the negative of a univariate polynomial.
3141
3142 @item cl_UP operator* (const cl_UP&, const cl_UP&)
3143 @cindex @code{operator * ()}
3144 Returns the product of two univariate polynomials. One of the arguments may
3145 also be a plain integer or an element of the base ring.
3146
3147 @item cl_UP square (const cl_UP&)
3148 @cindex @code{square ()}
3149 Returns the square of a univariate polynomial.
3150
3151 @item cl_UP expt_pos (const cl_UP& x, const cl_I& y)
3152 @cindex @code{expt_pos ()}
3153 @code{y} must be > 0. Returns @code{x^y}.
3154
3155 @item bool operator== (const cl_UP&, const cl_UP&)
3156 @cindex @code{operator == ()}
3157 @itemx bool operator!= (const cl_UP&, const cl_UP&)
3158 @cindex @code{operator != ()}
3159 Compares two univariate polynomials, belonging to the same univariate
3160 polynomial ring, for equality.
3161
3162 @item cl_boolean zerop (const cl_UP& x)
3163 @cindex @code{zerop ()}
3164 Returns true if @code{x} is @code{0 in R}.
3165
3166 @item sintL degree (const cl_UP& x)
3167 @cindex @code{degree ()}
3168 Returns the degree of the polynomial. The zero polynomial has degree @code{-1}.
3169
3170 @item cl_ring_element coeff (const cl_UP& x, uintL index)
3171 @cindex @code{coeff ()}
3172 Returns the coefficient of @code{X^index} in the polynomial @code{x}.
3173
3174 @item cl_ring_element x (const cl_ring_element& y)
3175 @cindex @code{operator () ()}
3176 Evaluation: If @code{x} is a polynomial and @code{y} belongs to the base ring,
3177 then @samp{x(y)} returns the value of the substitution of @code{y} into
3178 @code{x}.
3179
3180 @item cl_UP deriv (const cl_UP& x)
3181 @cindex @code{deriv ()}
3182 Returns the derivative of the polynomial @code{x} with respect to the
3183 indeterminate @code{X}.
3184 @end table
3185
3186 The following output functions are defined (see also the chapter on
3187 input/output).
3188
3189 @table @code
3190 @item void fprint (cl_ostream stream, const cl_UP& x)
3191 @cindex @code{fprint ()}
3192 @itemx cl_ostream operator<< (cl_ostream stream, const cl_UP& x)
3193 @cindex @code{operator << ()}
3194 Prints the univariate polynomial @code{x} on the @code{stream}. The output may
3195 depend on the global printer settings in the variable
3196 @code{default_print_flags}.
3197 @end table
3198
3199 @section Special polynomials
3200
3201 The following functions return special polynomials.
3202
3203 @table @code
3204 @item cl_UP_I tschebychev (sintL n)
3205 @cindex @code{tschebychev ()}
3206 @cindex Chebyshev polynomial
3207 Returns the n-th Chebyshev polynomial (n >= 0).
3208
3209 @item cl_UP_I hermite (sintL n)
3210 @cindex @code{hermite ()}
3211 @cindex Hermite polynomial
3212 Returns the n-th Hermite polynomial (n >= 0).
3213
3214 @item cl_UP_RA legendre (sintL n)
3215 @cindex @code{legendre ()}
3216 @cindex Legende polynomial
3217 Returns the n-th Legendre polynomial (n >= 0).
3218
3219 @item cl_UP_I laguerre (sintL n)
3220 @cindex @code{laguerre ()}
3221 @cindex Laguerre polynomial
3222 Returns the n-th Laguerre polynomial (n >= 0).
3223 @end table
3224
3225 Information how to derive the differential equation satisfied by each
3226 of these polynomials from their definition can be found in the
3227 @code{doc/polynomial/} directory.
3228
3229
3230 @chapter Internals
3231
3232 @section Why C++ ?
3233 @cindex advocacy
3234
3235 Using C++ as an implementation language provides
3236
3237 @itemize @bullet
3238 @item
3239 Efficiency: It compiles to machine code.
3240
3241 @item
3242 @cindex portability
3243 Portability: It runs on all platforms supporting a C++ compiler. Because
3244 of the availability of GNU C++, this includes all currently used 32-bit and
3245 64-bit platforms, independently of the quality of the vendor's C++ compiler.
3246
3247 @item
3248 Type safety: The C++ compilers knows about the number types and complains if,
3249 for example, you try to assign a float to an integer variable. However,
3250 a drawback is that C++ doesn't know about generic types, hence a restriction
3251 like that @code{operator+ (const cl_MI&, const cl_MI&)} requires that both
3252 arguments belong to the same modular ring cannot be expressed as a compile-time
3253 information.
3254
3255 @item
3256 Algebraic syntax: The elementary operations @code{+}, @code{-}, @code{*},
3257 @code{=}, @code{==}, ... can be used in infix notation, which is more
3258 convenient than Lisp notation @samp{(+ x y)} or C notation @samp{add(x,y,&z)}.
3259 @end itemize
3260
3261 With these language features, there is no need for two separate languages,
3262 one for the implementation of the library and one in which the library's users
3263 can program. This means that a prototype implementation of an algorithm
3264 can be integrated into the library immediately after it has been tested and
3265 debugged. No need to rewrite it in a low-level language after having prototyped
3266 in a high-level language.
3267
3268
3269 @section Memory efficiency
3270
3271 In order to save memory allocations, CLN implements:
3272
3273 @itemize @bullet
3274 @item
3275 Object sharing: An operation like @code{x+0} returns @code{x} without copying
3276 it.
3277 @item
3278 @cindex garbage collection
3279 @cindex reference counting
3280 Garbage collection: A reference counting mechanism makes sure that any
3281 number object's storage is freed immediately when the last reference to the
3282 object is gone.
3283 @item
3284 Small integers are represented as immediate values instead of pointers
3285 to heap allocated storage. This means that integers @code{> -2^29},
3286 @code{< 2^29} don't consume heap memory, unless they were explicitly allocated
3287 on the heap.
3288 @end itemize
3289
3290
3291 @section Speed efficiency
3292
3293 Speed efficiency is obtained by the combination of the following tricks
3294 and algorithms:
3295
3296 @itemize @bullet
3297 @item
3298 Small integers, being represented as immediate values, don't require
3299 memory access, just a couple of instructions for each elementary operation.
3300 @item
3301 The kernel of CLN has been written in assembly language for some CPUs
3302 (@code{i386}, @code{m68k}, @code{sparc}, @code{mips}, @code{arm}).
3303 @item
3304 On all CPUs, CLN may be configured to use the superefficient low-level
3305 routines from GNU GMP version 3.
3306 @item
3307 For large numbers, CLN uses, instead of the standard @code{O(N^2)}
3308 algorithm, the Karatsuba multiplication, which is an
3309 @iftex
3310 @tex
3311 $O(N^{1.6})$
3312 @end tex
3313 @end iftex
3314 @ifinfo
3315 @code{O(N^1.6)}
3316 @end ifinfo
3317 algorithm.
3318 @item
3319 For very large numbers (more than 12000 decimal digits), CLN uses
3320 @iftex
3321 Sch{@"o}nhage-Strassen
3322 @cindex Sch{@"o}nhage-Strassen multiplication
3323 @end iftex
3324 @ifinfo
3325 Schönhage-Strassen
3326 @cindex Schönhage-Strassen multiplication
3327 @end ifinfo
3328 multiplication, which is an asymptotically optimal multiplication 
3329 algorithm.
3330 @item
3331 These fast multiplication algorithms also give improvements in the speed
3332 of division and radix conversion.
3333 @end itemize
3334
3335
3336 @section Garbage collection
3337 @cindex garbage collection
3338
3339 All the number classes are reference count classes: They only contain a pointer
3340 to an object in the heap. Upon construction, assignment and destruction of
3341 number objects, only the objects' reference count are manipulated.
3342
3343 Memory occupied by number objects are automatically reclaimed as soon as
3344 their reference count drops to zero.
3345
3346 For number rings, another strategy is implemented: There is a cache of,
3347 for example, the modular integer rings. A modular integer ring is destroyed
3348 only if its reference count dropped to zero and the cache is about to be
3349 resized. The effect of this strategy is that recently used rings remain
3350 cached, whereas undue memory consumption through cached rings is avoided.
3351
3352
3353 @chapter Using the library
3354
3355 For the following discussion, we will assume that you have installed
3356 the CLN source in @code{$CLN_DIR} and built it in @code{$CLN_TARGETDIR}.
3357 For example, for me it's @code{CLN_DIR="$HOME/cln"} and
3358 @code{CLN_TARGETDIR="$HOME/cln/linuxelf"}. You might define these as
3359 environment variables, or directly substitute the appropriate values.
3360
3361
3362 @section Compiler options
3363 @cindex compiler options
3364
3365 Until you have installed CLN in a public place, the following options are
3366 needed:
3367
3368 When you compile CLN application code, add the flags
3369 @example
3370    -I$CLN_DIR/include -I$CLN_TARGETDIR/include
3371 @end example
3372 to the C++ compiler's command line (@code{make} variable CFLAGS or CXXFLAGS).
3373 When you link CLN application code to form an executable, add the flags
3374 @example
3375    $CLN_TARGETDIR/src/libcln.a
3376 @end example
3377 to the C/C++ compiler's command line (@code{make} variable LIBS).
3378
3379 If you did a @code{make install}, the include files are installed in a
3380 public directory (normally @code{/usr/local/include}), hence you don't
3381 need special flags for compiling. The library has been installed to a
3382 public directory as well (normally @code{/usr/local/lib}), hence when
3383 linking a CLN application it is sufficient to give the flag @code{-lcln}.
3384
3385
3386 @section Compatibility to old CLN versions
3387 @cindex namespace
3388 @cindex compatibility
3389
3390 As of CLN version 1.1 all non-macro identifiers were hidden in namespace
3391 @code{cln} in order to avoid potential name clashes with other C++
3392 libraries. If you have an old application, you will have to manually
3393 port it to the new scheme. The following principles will help during
3394 the transition:
3395 @itemize @bullet
3396 @item
3397 All headers are now in a separate subdirectory. Instead of including
3398 @code{cl_}@var{something}@code{.h}, include
3399 @code{cln/}@var{something}@code{.h} now.
3400 @item
3401 All public identifiers (typenames and functions) have lost their
3402 @code{cl_} prefix.  Exceptions are all the typenames of number types,
3403 (cl_N, cl_I, cl_MI, @dots{}), rings, symbolic types (cl_string,
3404 cl_symbol) and polynomials (cl_UP_@var{type}).  (This is because their
3405 names would not be mnemonic enough once the namespace @code{cln} is
3406 imported. Even in a namespace we favor @code{cl_N} over @code{N}.)
3407 @item
3408 All public @emph{functions} that had by a @code{cl_} in their name still
3409 carry that @code{cl_} if it is intrinsic part of a typename (as in
3410 @code{cl_I_to_int ()}).
3411 @end itemize
3412 When developing other libraries, please keep in mind not to import the
3413 namespace @code{cln} in one of your public header files by saying
3414 @code{using namespace cln;}. This would propagate to other applications
3415 and can cause name clashes there.
3416
3417
3418 @section Include files
3419 @cindex include files
3420 @cindex header files
3421
3422 Here is a summary of the include files and their contents.
3423
3424 @table @code
3425 @item <cln/object.h>
3426 General definitions, reference counting, garbage collection.
3427 @item <cln/number.h>
3428 The class cl_number.
3429 @item <cln/complex.h>
3430 Functions for class cl_N, the complex numbers.
3431 @item <cln/real.h>
3432 Functions for class cl_R, the real numbers.
3433 @item <cln/float.h>
3434 Functions for class cl_F, the floats.
3435 @item <cln/sfloat.h>
3436 Functions for class cl_SF, the short-floats.
3437 @item <cln/ffloat.h>
3438 Functions for class cl_FF, the single-floats.
3439 @item <cln/dfloat.h>
3440 Functions for class cl_DF, the double-floats.
3441 @item <cln/lfloat.h>
3442 Functions for class cl_LF, the long-floats.
3443 @item <cln/rational.h>
3444 Functions for class cl_RA, the rational numbers.
3445 @item <cln/integer.h>
3446 Functions for class cl_I, the integers.
3447 @item <cln/io.h>
3448 Input/Output.
3449 @item <cln/complex_io.h>
3450 Input/Output for class cl_N, the complex numbers.
3451 @item <cln/real_io.h>
3452 Input/Output for class cl_R, the real numbers.
3453 @item <cln/float_io.h>
3454 Input/Output for class cl_F, the floats.
3455 @item <cln/sfloat_io.h>
3456 Input/Output for class cl_SF, the short-floats.
3457 @item <cln/ffloat_io.h>
3458 Input/Output for class cl_FF, the single-floats.
3459 @item <cln/dfloat_io.h>
3460 Input/Output for class cl_DF, the double-floats.
3461 @item <cln/lfloat_io.h>
3462 Input/Output for class cl_LF, the long-floats.
3463 @item <cln/rational_io.h>
3464 Input/Output for class cl_RA, the rational numbers.
3465 @item <cln/integer_io.h>
3466 Input/Output for class cl_I, the integers.
3467 @item <cln/input.h>
3468 Flags for customizing input operations.
3469 @item <cln/output.h>
3470 Flags for customizing output operations.
3471 @item <cln/malloc.h>
3472 @code{malloc_hook}, @code{free_hook}.
3473 @item <cln/abort.h>
3474 @code{cl_abort}.
3475 @item <cln/condition.h>
3476 Conditions/exceptions.
3477 @item <cln/string.h>
3478 Strings.
3479 @item <cln/symbol.h>
3480 Symbols.
3481 @item <cln/proplist.h>
3482 Property lists.
3483 @item <cln/ring.h>
3484 General rings.
3485 @item <cln/null_ring.h>
3486 The null ring.
3487 @item <cln/complex_ring.h>
3488 The ring of complex numbers.
3489 @item <cln/real_ring.h>
3490 The ring of real numbers.
3491 @item <cln/rational_ring.h>
3492 The ring of rational numbers.
3493 @item <cln/integer_ring.h>
3494 The ring of integers.
3495 @item <cln/numtheory.h>
3496 Number threory functions.
3497 @item <cln/modinteger.h>
3498 Modular integers.
3499 @item <cln/V.h>
3500 Vectors.
3501 @item <cln/GV.h>
3502 General vectors.
3503 @item <cln/GV_number.h>
3504 General vectors over cl_number.
3505 @item <cln/GV_complex.h>
3506 General vectors over cl_N.
3507 @item <cln/GV_real.h>
3508 General vectors over cl_R.
3509 @item <cln/GV_rational.h>
3510 General vectors over cl_RA.
3511 @item <cln/GV_integer.h>
3512 General vectors over cl_I.
3513 @item <cln/GV_modinteger.h>
3514 General vectors of modular integers.
3515 @item <cln/SV.h>
3516 Simple vectors.
3517 @item <cln/SV_number.h>
3518 Simple vectors over cl_number.
3519 @item <cln/SV_complex.h>
3520 Simple vectors over cl_N.
3521 @item <cln/SV_real.h>
3522 Simple vectors over cl_R.
3523 @item <cln/SV_rational.h>
3524 Simple vectors over cl_RA.
3525 @item <cln/SV_integer.h>
3526 Simple vectors over cl_I.
3527 @item <cln/SV_ringelt.h>
3528 Simple vectors of general ring elements.
3529 @item <cln/univpoly.h>
3530 Univariate polynomials.
3531 @item <cln/univpoly_integer.h>
3532 Univariate polynomials over the integers.
3533 @item <cln/univpoly_rational.h>
3534 Univariate polynomials over the rational numbers.
3535 @item <cln/univpoly_real.h>
3536 Univariate polynomials over the real numbers.
3537 @item <cln/univpoly_complex.h>
3538 Univariate polynomials over the complex numbers.
3539 @item <cln/univpoly_modint.h>
3540 Univariate polynomials over modular integer rings.
3541 @item <cln/timing.h>
3542 Timing facilities.
3543 @item <cln/cln.h>
3544 Includes all of the above.
3545 @end table
3546
3547
3548 @section An Example
3549
3550 A function which computes the nth Fibonacci number can be written as follows.
3551 @cindex Fibonacci number
3552
3553 @example
3554 #include <cln/integer.h>
3555 #include <cln/real.h>
3556 using namespace cln;
3557
3558 // Returns F_n, computed as the nearest integer to
3559 // ((1+sqrt(5))/2)^n/sqrt(5). Assume n>=0.
3560 const cl_I fibonacci (int n)
3561 @{
3562         // Need a precision of ((1+sqrt(5))/2)^-n.
3563         cl_float_format_t prec = cl_float_format((int)(0.208987641*n+5));
3564         cl_R sqrt5 = sqrt(cl_float(5,prec));
3565         cl_R phi = (1+sqrt5)/2;
3566         return round1( expt(phi,n)/sqrt5 );
3567 @}
3568 @end example
3569
3570 Let's explain what is going on in detail.
3571
3572 The include file @code{<cln/integer.h>} is necessary because the type
3573 @code{cl_I} is used in the function, and the include file @code{<cln/real.h>}
3574 is needed for the type @code{cl_R} and the floating point number functions.
3575 The order of the include files does not matter.  In order not to write out
3576 @code{cln::}@var{foo} we can safely import the whole namespace @code{cln}.
3577
3578 Then comes the function declaration. The argument is an @code{int}, the
3579 result an integer. The return type is defined as @samp{const cl_I}, not
3580 simply @samp{cl_I}, because that allows the compiler to detect typos like
3581 @samp{fibonacci(n) = 100}. It would be possible to declare the return
3582 type as @code{const cl_R} (real number) or even @code{const cl_N} (complex
3583 number). We use the most specialized possible return type because functions
3584 which call @samp{fibonacci} will be able to profit from the compiler's type
3585 analysis: Adding two integers is slightly more efficient than adding the
3586 same objects declared as complex numbers, because it needs less type
3587 dispatch. Also, when linking to CLN as a non-shared library, this minimizes
3588 the size of the resulting executable program.
3589
3590 The result will be computed as expt(phi,n)/sqrt(5), rounded to the nearest
3591 integer. In order to get a correct result, the absolute error should be less
3592 than 1/2, i.e. the relative error should be less than sqrt(5)/(2*expt(phi,n)).
3593 To this end, the first line computes a floating point precision for sqrt(5)
3594 and phi.
3595
3596 Then sqrt(5) is computed by first converting the integer 5 to a floating point
3597 number and than taking the square root. The converse, first taking the square
3598 root of 5, and then converting to the desired precision, would not work in
3599 CLN: The square root would be computed to a default precision (normally
3600 single-float precision), and the following conversion could not help about
3601 the lacking accuracy. This is because CLN is not a symbolic computer algebra
3602 system and does not represent sqrt(5) in a non-numeric way.
3603
3604 The type @code{cl_R} for sqrt5 and, in the following line, phi is the only
3605 possible choice. You cannot write @code{cl_F} because the C++ compiler can
3606 only infer that @code{cl_float(5,prec)} is a real number. You cannot write
3607 @code{cl_N} because a @samp{round1} does not exist for general complex
3608 numbers.
3609
3610 When the function returns, all the local variables in the function are
3611 automatically reclaimed (garbage collected). Only the result survives and
3612 gets passed to the caller.
3613
3614 The file @code{fibonacci.cc} in the subdirectory @code{examples}
3615 contains this implementation together with an even faster algorithm.
3616
3617 @section Debugging support
3618 @cindex debugging
3619
3620 When debugging a CLN application with GNU @code{gdb}, two facilities are
3621 available from the library:
3622
3623 @itemize @bullet
3624 @item The library does type checks, range checks, consistency checks at
3625 many places. When one of these fails, the function @code{cl_abort()} is
3626 called. Its default implementation is to perform an @code{exit(1)}, so
3627 you won't have a core dump. But for debugging, it is best to set a
3628 breakpoint at this function:
3629 @example
3630 (gdb) break cl_abort
3631 @end example
3632 When this breakpoint is hit, look at the stack's backtrace:
3633 @example
3634 (gdb) where
3635 @end example
3636
3637 @item The debugger's normal @code{print} command doesn't know about
3638 CLN's types and therefore prints mostly useless hexadecimal addresses.
3639 CLN offers a function @code{cl_print}, callable from the debugger,
3640 for printing number objects. In order to get this function, you have
3641 to define the macro @samp{CL_DEBUG} and then include all the header files
3642 for which you want @code{cl_print} debugging support. For example:
3643 @cindex @code{CL_DEBUG}
3644 @example
3645 #define CL_DEBUG
3646 #include <cln/string.h>
3647 @end example
3648 Now, if you have in your program a variable @code{cl_string s}, and
3649 inspect it under @code{gdb}, the output may look like this:
3650 @example
3651 (gdb) print s
3652 $7 = @{<cl_gcpointer> = @{ = @{pointer = 0x8055b60, heappointer = 0x8055b60,
3653   word = 134568800@}@}, @}
3654 (gdb) call cl_print(s)
3655 (cl_string) ""
3656 $8 = 134568800
3657 @end example
3658 Note that the output of @code{cl_print} goes to the program's error output,
3659 not to gdb's standard output.
3660
3661 Note, however, that the above facility does not work with all CLN types,
3662 only with number objects and similar. Therefore CLN offers a member function
3663 @code{debug_print()} on all CLN types. The same macro @samp{CL_DEBUG}
3664 is needed for this member function to be implemented. Under @code{gdb},
3665 you call it like this:
3666 @cindex @code{debug_print ()}
3667 @example
3668 (gdb) print s
3669 $7 = @{<cl_gcpointer> = @{ = @{pointer = 0x8055b60, heappointer = 0x8055b60,
3670   word = 134568800@}@}, @}
3671 (gdb) call s.debug_print()
3672 (cl_string) ""
3673 (gdb) define cprint
3674 >call ($1).debug_print()
3675 >end
3676 (gdb) cprint s
3677 (cl_string) ""
3678 @end example
3679 Unfortunately, this feature does not seem to work under all circumstances.
3680 @end itemize
3681
3682
3683 @chapter Customizing
3684 @cindex customizing
3685
3686 @section Error handling
3687
3688 When a fatal error occurs, an error message is output to the standard error
3689 output stream, and the function @code{cl_abort} is called. The default
3690 version of this function (provided in the library) terminates the application.
3691 To catch such a fatal error, you need to define the function @code{cl_abort}
3692 yourself, with the prototype
3693 @example
3694 #include <cln/abort.h>
3695 void cl_abort (void);
3696 @end example
3697 @cindex @code{cl_abort ()}
3698 This function must not return control to its caller.
3699
3700
3701 @section Floating-point underflow
3702 @cindex underflow
3703
3704 Floating point underflow denotes the situation when a floating-point number
3705 is to be created which is so close to @code{0} that its exponent is too
3706 low to be represented internally. By default, this causes a fatal error.
3707 If you set the global variable
3708 @example
3709 cl_boolean cl_inhibit_floating_point_underflow
3710 @end example
3711 to @code{cl_true}, the error will be inhibited, and a floating-point zero
3712 will be generated instead.  The default value of 
3713 @code{cl_inhibit_floating_point_underflow} is @code{cl_false}.
3714
3715
3716 @section Customizing I/O
3717
3718 The output of the function @code{fprint} may be customized by changing the
3719 value of the global variable @code{default_print_flags}.
3720 @cindex @code{default_print_flags}
3721
3722
3723 @section Customizing the memory allocator
3724
3725 Every memory allocation of CLN is done through the function pointer
3726 @code{malloc_hook}. Freeing of this memory is done through the function
3727 pointer @code{free_hook}. The default versions of these functions,
3728 provided in the library, call @code{malloc} and @code{free} and check
3729 the @code{malloc} result against @code{NULL}.
3730 If you want to provide another memory allocator, you need to define
3731 the variables @code{malloc_hook} and @code{free_hook} yourself,
3732 like this:
3733 @example
3734 #include <cln/malloc.h>
3735 namespace cln @{
3736         void* (*malloc_hook) (size_t size) = @dots{};
3737         void (*free_hook) (void* ptr)      = @dots{};
3738 @}
3739 @end example
3740 @cindex @code{malloc_hook ()}
3741 @cindex @code{free_hook ()}
3742 The @code{cl_malloc_hook} function must not return a @code{NULL} pointer.
3743
3744 It is not possible to change the memory allocator at runtime, because
3745 it is already called at program startup by the constructors of some
3746 global variables.
3747
3748
3749
3750
3751 @c Indices
3752
3753 @unnumbered Index
3754
3755 @printindex my
3756
3757
3758 @c Table of contents
3759 @contents
3760
3761
3762 @bye