]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - ginac/basic.cpp
92bd16053d8e921d35b3b26ee323545bd100e7ae
[ginac.git] / ginac / basic.cpp
1 /** @file basic.cpp
2  *
3  *  Implementation of GiNaC's ABC. */
4
5 /*
6  *  GiNaC Copyright (C) 1999-2001 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
7  *
8  *  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
9  *  it under the terms of the GNU General Public License as published by
10  *  the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
11  *  (at your option) any later version.
12  *
13  *  This program is distributed in the hope that it will be useful,
14  *  but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
15  *  MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
16  *  GNU General Public License for more details.
17  *
18  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
19  *  along with this program; if not, write to the Free Software
20  *  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
21  */
22
23 #include <iostream>
24 #include <stdexcept>
25 #ifdef DO_GINAC_ASSERT
26 #  include <typeinfo>
27 #endif
28
29 #include "basic.h"
30 #include "ex.h"
31 #include "numeric.h"
32 #include "power.h"
33 #include "symbol.h"
34 #include "lst.h"
35 #include "ncmul.h"
36 #include "relational.h"
37 #include "print.h"
38 #include "archive.h"
39 #include "utils.h"
40 #include "debugmsg.h"
41
42 namespace GiNaC {
43
44 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_NO_CTORS(basic, void)
45
46 //////////
47 // default ctor, dtor, copy ctor assignment operator and helpers
48 //////////
49
50 // public
51
52 basic::basic(const basic & other) : tinfo_key(TINFO_basic), flags(0), refcount(0)
53 {
54         debugmsg("basic copy ctor", LOGLEVEL_CONSTRUCT);
55         copy(other);
56 }
57
58 const basic & basic::operator=(const basic & other)
59 {
60         debugmsg("basic operator=", LOGLEVEL_ASSIGNMENT);
61         if (this != &other) {
62                 destroy(true);
63                 copy(other);
64         }
65         return *this;
66 }
67
68 // protected
69
70 // none (all conditionally inlined)
71
72 //////////
73 // other ctors
74 //////////
75
76 // none (all conditionally inlined)
77
78 //////////
79 // archiving
80 //////////
81
82 /** Construct object from archive_node. */
83 basic::basic(const archive_node &n, const lst &sym_lst) : flags(0), refcount(0)
84 {
85         debugmsg("basic ctor from archive_node", LOGLEVEL_CONSTRUCT);
86
87         // Reconstruct tinfo_key from class name
88         std::string class_name;
89         if (n.find_string("class", class_name))
90                 tinfo_key = find_tinfo_key(class_name);
91         else
92                 throw (std::runtime_error("archive node contains no class name"));
93 }
94
95 /** Unarchive the object. */
96 DEFAULT_UNARCHIVE(basic)
97
98 /** Archive the object. */
99 void basic::archive(archive_node &n) const
100 {
101         n.add_string("class", class_name());
102 }
103
104 //////////
105 // functions overriding virtual functions from bases classes
106 //////////
107
108 // none
109
110 //////////
111 // new virtual functions which can be overridden by derived classes
112 //////////
113
114 // public
115
116 /** Output to stream.
117  *  @param c print context object that describes the output formatting
118  *  @param level value that is used to identify the precedence or indentation
119  *               level for placing parentheses and formatting */
120 void basic::print(const print_context & c, unsigned level) const
121 {
122         debugmsg("basic print", LOGLEVEL_PRINT);
123
124         if (is_of_type(c, print_tree)) {
125
126                 c.s << std::string(level, ' ') << class_name()
127                     << std::hex << ", hash=0x" << hashvalue << ", flags=0x" << flags << std::dec
128                     << ", nops=" << nops()
129                     << std::endl;
130                 for (unsigned i=0; i<nops(); ++i)
131                         op(i).print(c, level + static_cast<const print_tree &>(c).delta_indent);
132
133         } else
134                 c.s << "[" << class_name() << " object]";
135 }
136
137 /** Little wrapper around print to be called within a debugger.
138  *  This is needed because you cannot call foo.print(cout) from within the
139  *  debugger because it might not know what cout is.  This method can be
140  *  invoked with no argument and it will simply print to stdout.
141  *
142  *  @see basic::print */
143 void basic::dbgprint(void) const
144 {
145         this->print(std::cerr);
146         std::cerr << std::endl;
147 }
148
149 /** Little wrapper around printtree to be called within a debugger.
150  *
151  *  @see basic::dbgprint
152  *  @see basic::printtree */
153 void basic::dbgprinttree(void) const
154 {
155         this->print(print_tree(std::cerr));
156 }
157
158 /** Return relative operator precedence (for parenthizing output). */
159 unsigned basic::precedence(void) const
160 {
161         return 70;
162 }
163
164 /** Create a new copy of this on the heap.  One can think of this as simulating
165  *  a virtual copy constructor which is needed for instance by the refcounted
166  *  construction of an ex from a basic. */
167 basic * basic::duplicate() const
168 {
169         debugmsg("basic duplicate",LOGLEVEL_DUPLICATE);
170         return new basic(*this);
171 }
172
173 /** Information about the object.
174  *
175  *  @see class info_flags */
176 bool basic::info(unsigned inf) const
177 {
178         // all possible properties are false for basic objects
179         return false;
180 }
181
182 /** Number of operands/members. */
183 unsigned basic::nops() const
184 {
185         // iterating from 0 to nops() on atomic objects should be an empty loop,
186         // and accessing their elements is a range error.  Container objects should
187         // override this.
188         return 0;
189 }
190
191 /** Return operand/member at position i. */
192 ex basic::op(int i) const
193 {
194         return (const_cast<basic *>(this))->let_op(i);
195 }
196
197 /** Return modifyable operand/member at position i. */
198 ex & basic::let_op(int i)
199 {
200         throw(std::out_of_range("op() out of range"));
201 }
202
203 ex basic::operator[](const ex & index) const
204 {
205         if (is_exactly_of_type(*index.bp,numeric))
206                 return op(static_cast<const numeric &>(*index.bp).to_int());
207         
208         throw(std::invalid_argument("non-numeric indices not supported by this type"));
209 }
210
211 ex basic::operator[](int i) const
212 {
213         return op(i);
214 }
215
216 /** Search ocurrences.  An object 'has' an expression if it is the expression
217  *  itself or one of the children 'has' it.  As a consequence (according to
218  *  the definition of children) given e=x+y+z, e.has(x) is true but e.has(x+y)
219  *  is false.  The expression can also contain wildcards. */
220 bool basic::has(const ex & other) const
221 {
222         GINAC_ASSERT(other.bp!=0);
223         lst repl_lst;
224         if (match(*other.bp, repl_lst))
225                 return true;
226         for (unsigned i=0; i<nops(); i++)
227                 if (op(i).has(other))
228                         return true;
229         
230         return false;
231 }
232
233 /** Construct new expression by applying the specified function to all
234  *  sub-expressions (one level only, not recursively). */
235 ex basic::map(map_function & f) const
236 {
237         unsigned num = nops();
238         if (num == 0)
239                 return *this;
240
241         basic *copy = duplicate();
242         copy->setflag(status_flags::dynallocated);
243         copy->clearflag(status_flags::hash_calculated);
244         ex e(*copy);
245         for (unsigned i=0; i<num; i++)
246                 e.let_op(i) = f(e.op(i));
247         return e.eval();
248 }
249
250 /** Return degree of highest power in object s. */
251 int basic::degree(const ex & s) const
252 {
253         return 0;
254 }
255
256 /** Return degree of lowest power in object s. */
257 int basic::ldegree(const ex & s) const
258 {
259         return 0;
260 }
261
262 /** Return coefficient of degree n in object s. */
263 ex basic::coeff(const ex & s, int n) const
264 {
265         return n==0 ? *this : _ex0();
266 }
267
268 /** Sort expanded expression in terms of powers of some object(s).
269  *  @param s object(s) to sort in
270  *  @param distributed recursive or distributed form (only used when s is a list) */
271 ex basic::collect(const ex & s, bool distributed) const
272 {
273         ex x;
274         if (is_ex_of_type(s, lst)) {
275
276                 // List of objects specified
277                 if (s.nops() == 1)
278                         return collect(s.op(0));
279
280                 else if (distributed) {
281
282                         // Get lower/upper degree of all symbols in list
283                         int num = s.nops();
284                         struct sym_info {
285                                 ex sym;
286                                 int ldeg, deg;
287                                 int cnt;  // current degree, 'counter'
288                                 ex coeff; // coefficient for degree 'cnt'
289                         };
290                         sym_info *si = new sym_info[num];
291                         ex c = *this;
292                         for (int i=0; i<num; i++) {
293                                 si[i].sym = s.op(i);
294                                 si[i].ldeg = si[i].cnt = this->ldegree(si[i].sym);
295                                 si[i].deg = this->degree(si[i].sym);
296                                 c = si[i].coeff = c.coeff(si[i].sym, si[i].cnt);
297                         }
298
299                         while (true) {
300
301                                 // Calculate coeff*x1^c1*...*xn^cn
302                                 ex y = _ex1();
303                                 for (int i=0; i<num; i++) {
304                                         int cnt = si[i].cnt;
305                                         y *= power(si[i].sym, cnt);
306                                 }
307                                 x += y * si[num - 1].coeff;
308
309                                 // Increment counters
310                                 int n = num - 1;
311                                 while (true) {
312                                         si[n].cnt++;
313                                         if (si[n].cnt <= si[n].deg) {
314                                                 // Update coefficients
315                                                 ex c;
316                                                 if (n == 0)
317                                                         c = *this;
318                                                 else
319                                                         c = si[n - 1].coeff;
320                                                 for (int i=n; i<num; i++)
321                                                         c = si[i].coeff = c.coeff(si[i].sym, si[i].cnt);
322                                                 break;
323                                         }
324                                         if (n == 0)
325                                                 goto done;
326                                         si[n].cnt = si[n].ldeg;
327                                         n--;
328                                 }
329                         }
330
331 done:           delete[] si;
332
333                 } else {
334
335                         // Recursive form
336                         x = *this;
337                         for (int n=s.nops()-1; n>=0; n--)
338                                 x = x.collect(s[n]);
339                 }
340
341         } else {
342
343                 // Only one object specified
344                 for (int n=this->ldegree(s); n<=this->degree(s); ++n)
345                         x += this->coeff(s,n)*power(s,n);
346         }
347         
348         // correct for lost fractional arguments and return
349         return x + (*this - x).expand();
350 }
351
352 /** Perform automatic non-interruptive symbolic evaluation on expression. */
353 ex basic::eval(int level) const
354 {
355         // There is nothing to do for basic objects:
356         return this->hold();
357 }
358
359 /** Evaluate object numerically. */
360 ex basic::evalf(int level) const
361 {
362         // There is nothing to do for basic objects:
363         return *this;
364 }
365
366 /** Function object to be applied by basic::evalm(). */
367 struct evalm_map_function : public map_function {
368         ex operator()(const ex & e) { return GiNaC::evalm(e); }
369 } fcn;
370 /** Evaluate sums, products and integer powers of matrices. */
371 ex basic::evalm(void) const
372 {
373         if (nops() == 0)
374                 return *this;
375         else
376                 return map(fcn);
377 }
378
379 /** Perform automatic symbolic evaluations on indexed expression that
380  *  contains this object as the base expression. */
381 ex basic::eval_indexed(const basic & i) const
382  // this function can't take a "const ex & i" because that would result
383  // in an infinite eval() loop
384 {
385         // There is nothing to do for basic objects
386         return i.hold();
387 }
388
389 /** Add two indexed expressions. They are guaranteed to be of class indexed
390  *  (or a subclass) and their indices are compatible. This function is used
391  *  internally by simplify_indexed().
392  *
393  *  @param self First indexed expression; it's base object is *this
394  *  @param other Second indexed expression
395  *  @return sum of self and other 
396  *  @see ex::simplify_indexed() */
397 ex basic::add_indexed(const ex & self, const ex & other) const
398 {
399         return self + other;
400 }
401
402 /** Multiply an indexed expression with a scalar. This function is used
403  *  internally by simplify_indexed().
404  *
405  *  @param self Indexed expression; it's base object is *this
406  *  @param other Numeric value
407  *  @return product of self and other
408  *  @see ex::simplify_indexed() */
409 ex basic::scalar_mul_indexed(const ex & self, const numeric & other) const
410 {
411         return self * other;
412 }
413
414 /** Try to contract two indexed expressions that appear in the same product. 
415  *  If a contraction exists, the function overwrites one or both of the
416  *  expressions and returns true. Otherwise it returns false. It is
417  *  guaranteed that both expressions are of class indexed (or a subclass)
418  *  and that at least one dummy index has been found. This functions is
419  *  used internally by simplify_indexed().
420  *
421  *  @param self Pointer to first indexed expression; it's base object is *this
422  *  @param other Pointer to second indexed expression
423  *  @param v The complete vector of factors
424  *  @return true if the contraction was successful, false otherwise
425  *  @see ex::simplify_indexed() */
426 bool basic::contract_with(exvector::iterator self, exvector::iterator other, exvector & v) const
427 {
428         // Do nothing
429         return false;
430 }
431
432 /** Check whether the expression matches a given pattern. For every wildcard
433  *  object in the pattern, an expression of the form "wildcard == matching_expression"
434  *  is added to repl_lst. */
435 bool basic::match(const ex & pattern, lst & repl_lst) const
436 {
437 /*
438         Sweet sweet shapes, sweet sweet shapes,
439         That's the key thing, right right.
440         Feed feed face, feed feed shapes,
441         But who is the king tonight?
442         Who is the king tonight?
443         Pattern is the thing, the key thing-a-ling,
444         But who is the king of pattern?
445         But who is the king, the king thing-a-ling,
446         Who is the king of Pattern?
447         Bog is the king, the king thing-a-ling,
448         Bog is the king of Pattern.
449         Ba bu-bu-bu-bu bu-bu-bu-bu-bu-bu bu-bu
450         Bog is the king of Pattern.
451 */
452
453         if (is_ex_exactly_of_type(pattern, wildcard)) {
454
455                 // Wildcard matches anything, but check whether we already have found
456                 // a match for that wildcard first (if so, it the earlier match must
457                 // be the same expression)
458                 for (unsigned i=0; i<repl_lst.nops(); i++) {
459                         if (repl_lst.op(i).op(0).is_equal(pattern))
460                                 return is_equal(*repl_lst.op(i).op(1).bp);
461                 }
462                 repl_lst.append(pattern == *this);
463                 return true;
464
465         } else {
466
467                 // Expression must be of the same type as the pattern
468                 if (tinfo() != pattern.bp->tinfo())
469                         return false;
470
471                 // Number of subexpressions must match
472                 if (nops() != pattern.nops())
473                         return false;
474
475                 // No subexpressions? Then just compare the objects (there can't be
476                 // wildcards in the pattern)
477                 if (nops() == 0)
478                         return is_equal(*pattern.bp);
479
480                 // Otherwise the subexpressions must match one-to-one
481                 for (unsigned i=0; i<nops(); i++)
482                         if (!op(i).match(pattern.op(i), repl_lst))
483                                 return false;
484
485                 // Looks similar enough, match found
486                 return true;
487         }
488 }
489
490 /** Substitute a set of objects by arbitrary expressions. The ex returned
491  *  will already be evaluated. */
492 ex basic::subs(const lst & ls, const lst & lr, bool no_pattern) const
493 {
494         GINAC_ASSERT(ls.nops() == lr.nops());
495
496         if (no_pattern) {
497                 for (unsigned i=0; i<ls.nops(); i++) {
498                         if (is_equal(*ls.op(i).bp))
499                                 return lr.op(i);
500                 }
501         } else {
502                 for (unsigned i=0; i<ls.nops(); i++) {
503                         lst repl_lst;
504                         if (match(*ls.op(i).bp, repl_lst))
505                                 return lr.op(i).bp->subs(repl_lst, true); // avoid infinite recursion when re-substituting the wildcards
506                 }
507         }
508
509         return *this;
510 }
511
512 /** Default interface of nth derivative ex::diff(s, n).  It should be called
513  *  instead of ::derivative(s) for first derivatives and for nth derivatives it
514  *  just recurses down.
515  *
516  *  @param s symbol to differentiate in
517  *  @param nth order of differentiation
518  *  @see ex::diff */
519 ex basic::diff(const symbol & s, unsigned nth) const
520 {
521         // trivial: zeroth derivative
522         if (nth==0)
523                 return ex(*this);
524         
525         // evaluate unevaluated *this before differentiating
526         if (!(flags & status_flags::evaluated))
527                 return ex(*this).diff(s, nth);
528         
529         ex ndiff = this->derivative(s);
530         while (!ndiff.is_zero() &&    // stop differentiating zeros
531                nth>1) {
532                 ndiff = ndiff.diff(s);
533                 --nth;
534         }
535         return ndiff;
536 }
537
538 /** Return a vector containing the free indices of an expression. */
539 exvector basic::get_free_indices(void) const
540 {
541         return exvector(); // return an empty exvector
542 }
543
544 ex basic::simplify_ncmul(const exvector & v) const
545 {
546         return simplified_ncmul(v);
547 }
548
549 // protected
550
551 /** Default implementation of ex::diff(). It simply throws an error message.
552  *
553  *  @exception logic_error (differentiation not supported by this type)
554  *  @see ex::diff */
555 ex basic::derivative(const symbol & s) const
556 {
557         throw(std::logic_error("differentiation not supported by this type"));
558 }
559
560 /** Returns order relation between two objects of same type.  This needs to be
561  *  implemented by each class. It may never return anything else than 0,
562  *  signalling equality, or +1 and -1 signalling inequality and determining
563  *  the canonical ordering.  (Perl hackers will wonder why C++ doesn't feature
564  *  the spaceship operator <=> for denoting just this.) */
565 int basic::compare_same_type(const basic & other) const
566 {
567         return compare_pointers(this, &other);
568 }
569
570 /** Returns true if two objects of same type are equal.  Normally needs
571  *  not be reimplemented as long as it wasn't overwritten by some parent
572  *  class, since it just calls compare_same_type().  The reason why this
573  *  function exists is that sometimes it is easier to determine equality
574  *  than an order relation and then it can be overridden. */
575 bool basic::is_equal_same_type(const basic & other) const
576 {
577         return this->compare_same_type(other)==0;
578 }
579
580 unsigned basic::return_type(void) const
581 {
582         return return_types::commutative;
583 }
584
585 unsigned basic::return_type_tinfo(void) const
586 {
587         return tinfo();
588 }
589
590 /** Compute the hash value of an object and if it makes sense to store it in
591  *  the objects status_flags, do so.  The method inherited from class basic
592  *  computes a hash value based on the type and hash values of possible
593  *  members.  For this reason it is well suited for container classes but
594  *  atomic classes should override this implementation because otherwise they
595  *  would all end up with the same hashvalue. */
596 unsigned basic::calchash(void) const
597 {
598         unsigned v = golden_ratio_hash(tinfo());
599         for (unsigned i=0; i<nops(); i++) {
600                 v = rotate_left_31(v);
601                 v ^= (const_cast<basic *>(this))->op(i).gethash();
602         }
603         
604         // mask out numeric hashes:
605         v &= 0x7FFFFFFFU;
606         
607         // store calculated hash value only if object is already evaluated
608         if (flags & status_flags::evaluated) {
609                 setflag(status_flags::hash_calculated);
610                 hashvalue = v;
611         }
612
613         return v;
614 }
615
616 /** Expand expression, i.e. multiply it out and return the result as a new
617  *  expression. */
618 ex basic::expand(unsigned options) const
619 {
620         return this->setflag(status_flags::expanded);
621 }
622
623
624 //////////
625 // non-virtual functions in this class
626 //////////
627
628 // public
629
630 /** Substitute objects in an expression (syntactic substitution) and return
631  *  the result as a new expression.  There are two valid types of
632  *  replacement arguments: 1) a relational like object==ex and 2) a list of
633  *  relationals lst(object1==ex1,object2==ex2,...), which is converted to
634  *  subs(lst(object1,object2,...),lst(ex1,ex2,...)). */
635 ex basic::subs(const ex & e, bool no_pattern) const
636 {
637         if (e.info(info_flags::relation_equal)) {
638                 return subs(lst(e), no_pattern);
639         }
640         if (!e.info(info_flags::list)) {
641                 throw(std::invalid_argument("basic::subs(ex): argument must be a list"));
642         }
643         lst ls;
644         lst lr;
645         for (unsigned i=0; i<e.nops(); i++) {
646                 ex r = e.op(i);
647                 if (!r.info(info_flags::relation_equal)) {
648                         throw(std::invalid_argument("basic::subs(ex): argument must be a list of equations"));
649                 }
650                 ls.append(r.op(0));
651                 lr.append(r.op(1));
652         }
653         return subs(ls, lr, no_pattern);
654 }
655
656 /** Compare objects to establish canonical ordering.
657  *  All compare functions return: -1 for *this less than other, 0 equal,
658  *  1 greater. */
659 int basic::compare(const basic & other) const
660 {
661         unsigned hash_this = gethash();
662         unsigned hash_other = other.gethash();
663         
664         if (hash_this<hash_other) return -1;
665         if (hash_this>hash_other) return 1;
666         
667         unsigned typeid_this = tinfo();
668         unsigned typeid_other = other.tinfo();
669         
670         if (typeid_this<typeid_other) {
671 //              std::cout << "hash collision, different types: " 
672 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
673 //              this->print(print_tree(std::cout));
674 //              std::cout << " and ";
675 //              other.print(print_tree(std::cout));
676 //              std::cout << std::endl;
677                 return -1;
678         }
679         if (typeid_this>typeid_other) {
680 //              std::cout << "hash collision, different types: " 
681 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
682 //              this->print(print_tree(std::cout));
683 //              std::cout << " and ";
684 //              other.print(print_tree(std::cout));
685 //              std::cout << std::endl;
686                 return 1;
687         }
688         
689         GINAC_ASSERT(typeid(*this)==typeid(other));
690         
691 //      int cmpval = compare_same_type(other);
692 //      if ((cmpval!=0) && (hash_this<0x80000000U)) {
693 //              std::cout << "hash collision, same type: " 
694 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
695 //              this->print(print_tree(std::cout));
696 //              std::cout << " and ";
697 //              other.print(print_tree(std::cout));
698 //              std::cout << std::endl;
699 //      }
700 //      return cmpval;
701         
702         return compare_same_type(other);
703 }
704
705 /** Test for equality.
706  *  This is only a quick test, meaning objects should be in the same domain.
707  *  You might have to .expand(), .normal() objects first, depending on the
708  *  domain of your computation, to get a more reliable answer.
709  *
710  *  @see is_equal_same_type */
711 bool basic::is_equal(const basic & other) const
712 {
713         if (this->gethash()!=other.gethash())
714                 return false;
715         if (this->tinfo()!=other.tinfo())
716                 return false;
717         
718         GINAC_ASSERT(typeid(*this)==typeid(other));
719         
720         return this->is_equal_same_type(other);
721 }
722
723 // protected
724
725 /** Stop further evaluation.
726  *
727  *  @see basic::eval */
728 const basic & basic::hold(void) const
729 {
730         return this->setflag(status_flags::evaluated);
731 }
732
733 /** Ensure the object may be modified without hurting others, throws if this
734  *  is not the case. */
735 void basic::ensure_if_modifiable(void) const
736 {
737         if (this->refcount>1)
738                 throw(std::runtime_error("cannot modify multiply referenced object"));
739         clearflag(status_flags::hash_calculated);
740 }
741
742 //////////
743 // global variables
744 //////////
745
746 int max_recursion_level = 1024;
747
748 } // namespace GiNaC