]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - ginac/basic.cpp
c4e17cd5eaccbd64cc0833e7c8b5c09464d3cfe6
[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 <typeinfo>
25 #include <stdexcept>
26
27 #include "basic.h"
28 #include "ex.h"
29 #include "numeric.h"
30 #include "power.h"
31 #include "symbol.h"
32 #include "lst.h"
33 #include "ncmul.h"
34 #include "archive.h"
35 #include "utils.h"
36 #include "debugmsg.h"
37
38 namespace GiNaC {
39
40 GINAC_IMPLEMENT_REGISTERED_CLASS_NO_CTORS(basic, void)
41
42 //////////
43 // default ctor, dtor, copy ctor assignment operator and helpers
44 //////////
45
46 // public
47
48 basic::basic(const basic & other) : tinfo_key(TINFO_basic), flags(0), refcount(0)
49 {
50         debugmsg("basic copy ctor", LOGLEVEL_CONSTRUCT);
51         copy(other);
52 }
53
54 const basic & basic::operator=(const basic & other)
55 {
56         debugmsg("basic operator=", LOGLEVEL_ASSIGNMENT);
57         if (this != &other) {
58                 destroy(true);
59                 copy(other);
60         }
61         return *this;
62 }
63
64 // protected
65
66 // none (all conditionally inlined)
67
68 //////////
69 // other ctors
70 //////////
71
72 // none (all conditionally inlined)
73
74 //////////
75 // archiving
76 //////////
77
78 /** Construct object from archive_node. */
79 basic::basic(const archive_node &n, const lst &sym_lst) : flags(0), refcount(0)
80 {
81         debugmsg("basic ctor from archive_node", LOGLEVEL_CONSTRUCT);
82
83         // Reconstruct tinfo_key from class name
84         std::string class_name;
85         if (n.find_string("class", class_name))
86                 tinfo_key = find_tinfo_key(class_name);
87         else
88                 throw (std::runtime_error("archive node contains no class name"));
89 }
90
91 /** Unarchive the object. */
92 DEFAULT_UNARCHIVE(basic)
93
94 /** Archive the object. */
95 void basic::archive(archive_node &n) const
96 {
97         n.add_string("class", class_name());
98 }
99
100 //////////
101 // functions overriding virtual functions from bases classes
102 //////////
103
104 // none
105
106 //////////
107 // new virtual functions which can be overridden by derived classes
108 //////////
109
110 // public
111
112 /** Output to ostream formatted as parsable (as in ginsh) input.
113  *  Generally, superfluous parenthesis should be avoided as far as possible. */
114 void basic::print(std::ostream & os, unsigned upper_precedence) const
115 {
116         debugmsg("basic print",LOGLEVEL_PRINT);
117         os << "[" << class_name() << " object]";
118 }
119
120 /** Output to ostream in ugly raw format, so brave developers can have a look
121  *  at the underlying structure. */
122 void basic::printraw(std::ostream & os) const
123 {
124         debugmsg("basic printraw",LOGLEVEL_PRINT);
125         os << "[" << class_name() << " object]";
126 }
127
128 /** Output to ostream formatted in tree- (indented-) form, so developers can
129  *  have a look at the underlying structure. */
130 void basic::printtree(std::ostream & os, unsigned indent) const
131 {
132         debugmsg("basic printtree",LOGLEVEL_PRINT);
133         os << std::string(indent,' ') << "type=" << class_name()
134            << ", hash=" << hashvalue
135            << " (0x" << std::hex << hashvalue << std::dec << ")"
136            << ", flags=" << flags
137            << ", nops=" << nops() << std::endl;
138         for (unsigned i=0; i<nops(); ++i) {
139                 op(i).printtree(os,indent+delta_indent);
140         }
141 }
142
143 /** Output to ostream formatted as C-source.
144  *
145  *  @param os a stream for output
146  *  @param type variable type (one of the csrc_types)
147  *  @param upper_precedence operator precedence of caller
148  *  @see ex::printcsrc */
149 void basic::printcsrc(std::ostream & os, unsigned type, unsigned upper_precedence) const
150 {
151         debugmsg("basic print csrc", LOGLEVEL_PRINT);
152 }
153
154 /** Little wrapper arount print to be called within a debugger.
155  *  This is needed because you cannot call foo.print(cout) from within the
156  *  debugger because it might not know what cout is.  This method can be
157  *  invoked with no argument and it will simply print to stdout.
158  *
159  *  @see basic::print*/
160 void basic::dbgprint(void) const
161 {
162         this->print(std::cerr);
163         std::cerr << std::endl;
164 }
165
166 /** Little wrapper arount printtree to be called within a debugger.
167  *
168  *  @see basic::dbgprint
169  *  @see basic::printtree */
170 void basic::dbgprinttree(void) const
171 {
172         this->printtree(std::cerr,0);
173 }
174
175 /** Create a new copy of this on the heap.  One can think of this as simulating
176  *  a virtual copy constructor which is needed for instance by the refcounted
177  *  construction of an ex from a basic. */
178 basic * basic::duplicate() const
179 {
180         debugmsg("basic duplicate",LOGLEVEL_DUPLICATE);
181         return new basic(*this);
182 }
183
184 /** Information about the object.
185  *
186  *  @see class info_flags */
187 bool basic::info(unsigned inf) const
188 {
189         // all possible properties are false for basic objects
190         return false;
191 }
192
193 /** Number of operands/members. */
194 unsigned basic::nops() const
195 {
196         // iterating from 0 to nops() on atomic objects should be an empty loop,
197         // and accessing their elements is a range error.  Container objects should
198         // override this.
199         return 0;
200 }
201
202 /** Return operand/member at position i. */
203 ex basic::op(int i) const
204 {
205         return (const_cast<basic *>(this))->let_op(i);
206 }
207
208 /** Return modifyable operand/member at position i. */
209 ex & basic::let_op(int i)
210 {
211         throw(std::out_of_range("op() out of range"));
212 }
213
214 ex basic::operator[](const ex & index) const
215 {
216         if (is_exactly_of_type(*index.bp,numeric))
217                 return op(static_cast<const numeric &>(*index.bp).to_int());
218         
219         throw(std::invalid_argument("non-numeric indices not supported by this type"));
220 }
221
222 ex basic::operator[](int i) const
223 {
224         return op(i);
225 }
226
227 /** Search ocurrences.  An object  'has' an expression if it is the expression
228  *  itself or one of the children 'has' it.  As a consequence (according to
229  *  the definition of children) given e=x+y+z, e.has(x) is true but e.has(x+y)
230  *  is false. */
231 bool basic::has(const ex & other) const
232 {
233         GINAC_ASSERT(other.bp!=0);
234         if (is_equal(*other.bp)) return true;
235         if (nops()>0) {
236                 for (unsigned i=0; i<nops(); i++)
237                         if (op(i).has(other))
238                                 return true;
239         }
240         
241         return false;
242 }
243
244 /** Return degree of highest power in symbol s. */
245 int basic::degree(const ex & s) const
246 {
247         return 0;
248 }
249
250 /** Return degree of lowest power in symbol s. */
251 int basic::ldegree(const ex & s) const
252 {
253         return 0;
254 }
255
256 /** Return coefficient of degree n in symbol s. */
257 ex basic::coeff(const ex & s, int n) const
258 {
259         return n==0 ? *this : _ex0();
260 }
261
262 /** Sort expression in terms of powers of some symbol.
263  *  @param s symbol to sort in. */
264 ex basic::collect(const ex & s) const
265 {
266         ex x;
267         for (int n=this->ldegree(s); n<=this->degree(s); n++)
268                 x += this->coeff(s,n)*power(s,n);
269         
270         return x;
271 }
272
273 /** Perform automatic non-interruptive symbolic evaluation on expression. */
274 ex basic::eval(int level) const
275 {
276         // There is nothing to do for basic objects:
277         return this->hold();
278 }
279
280 /** Evaluate object numerically. */
281 ex basic::evalf(int level) const
282 {
283         // There is nothing to do for basic objects:
284         return *this;
285 }
286
287 /** Perform automatic symbolic evaluations on indexed expression that
288  *  contains this object as the base expression. */
289 ex basic::eval_indexed(const basic & i) const
290  // this function can't take a "const ex & i" because that would result
291  // in an infinite eval() loop
292 {
293         // There is nothing to do for basic objects
294         return i.hold();
295 }
296
297 /** Add two indexed expressions. They are guaranteed to be of class indexed
298  *  (or a subclass) and their indices are compatible. This function is used
299  *  internally by simplify_indexed().
300  *
301  *  @param self First indexed expression; it's base object is *this
302  *  @param other Second indexed expression
303  *  @return sum of self and other 
304  *  @see ex::simplify_indexed() */
305 ex basic::add_indexed(const ex & self, const ex & other) const
306 {
307         return self + other;
308 }
309
310 /** Multiply an indexed expression with a scalar. This function is used
311  *  internally by simplify_indexed().
312  *
313  *  @param self Indexed expression; it's base object is *this
314  *  @param other Numeric value
315  *  @return product of self and other
316  *  @see ex::simplify_indexed() */
317 ex basic::scalar_mul_indexed(const ex & self, const numeric & other) const
318 {
319         return self * other;
320 }
321
322 /** Try to contract two indexed expressions that appear in the same product. 
323  *  If a contraction exists, the function overwrites one or both of the
324  *  expressions and returns true. Otherwise it returns false. It is
325  *  guaranteed that both expressions are of class indexed (or a subclass)
326  *  and that at least one dummy index has been found. This functions is
327  *  used internally by simplify_indexed().
328  *
329  *  @param self Pointer to first indexed expression; it's base object is *this
330  *  @param other Pointer to second indexed expression
331  *  @param v The complete vector of factors
332  *  @return true if the contraction was successful, false otherwise
333  *  @see ex::simplify_indexed() */
334 bool basic::contract_with(exvector::iterator self, exvector::iterator other, exvector & v) const
335 {
336         // Do nothing
337         return false;
338 }
339
340 /** Substitute a set of objects by arbitrary expressions. The ex returned
341  *  will already be evaluated. */
342 ex basic::subs(const lst & ls, const lst & lr) const
343 {
344         GINAC_ASSERT(ls.nops() == lr.nops());
345
346         for (unsigned i=0; i<ls.nops(); i++) {
347                 if (is_equal(*ls.op(i).bp))
348                         return lr.op(i);
349         }
350
351         return *this;
352 }
353
354 /** Default interface of nth derivative ex::diff(s, n).  It should be called
355  *  instead of ::derivative(s) for first derivatives and for nth derivatives it
356  *  just recurses down.
357  *
358  *  @param s symbol to differentiate in
359  *  @param nth order of differentiation
360  *  @see ex::diff */
361 ex basic::diff(const symbol & s, unsigned nth) const
362 {
363         // trivial: zeroth derivative
364         if (nth==0)
365                 return ex(*this);
366         
367         // evaluate unevaluated *this before differentiating
368         if (!(flags & status_flags::evaluated))
369                 return ex(*this).diff(s, nth);
370         
371         ex ndiff = this->derivative(s);
372         while (!ndiff.is_zero() &&    // stop differentiating zeros
373                nth>1) {
374                 ndiff = ndiff.diff(s);
375                 --nth;
376         }
377         return ndiff;
378 }
379
380 /** Return a vector containing the free indices of an expression. */
381 exvector basic::get_free_indices(void) const
382 {
383         return exvector(); // return an empty exvector
384 }
385
386 ex basic::simplify_ncmul(const exvector & v) const
387 {
388         return simplified_ncmul(v);
389 }
390
391 // protected
392
393 /** Default implementation of ex::diff(). It simply throws an error message.
394  *
395  *  @exception logic_error (differentiation not supported by this type)
396  *  @see ex::diff */
397 ex basic::derivative(const symbol & s) const
398 {
399         throw(std::logic_error("differentiation not supported by this type"));
400 }
401
402 /** Returns order relation between two objects of same type.  This needs to be
403  *  implemented by each class. It may never return anything else than 0,
404  *  signalling equality, or +1 and -1 signalling inequality and determining
405  *  the canonical ordering.  (Perl hackers will wonder why C++ doesn't feature
406  *  the spaceship operator <=> for denoting just this.) */
407 int basic::compare_same_type(const basic & other) const
408 {
409         return compare_pointers(this, &other);
410 }
411
412 /** Returns true if two objects of same type are equal.  Normally needs
413  *  not be reimplemented as long as it wasn't overwritten by some parent
414  *  class, since it just calls compare_same_type().  The reason why this
415  *  function exists is that sometimes it is easier to determine equality
416  *  than an order relation and then it can be overridden. */
417 bool basic::is_equal_same_type(const basic & other) const
418 {
419         return this->compare_same_type(other)==0;
420 }
421
422 unsigned basic::return_type(void) const
423 {
424         return return_types::commutative;
425 }
426
427 unsigned basic::return_type_tinfo(void) const
428 {
429         return tinfo();
430 }
431
432 /** Compute the hash value of an object and if it makes sense to store it in
433  *  the objects status_flags, do so.  The method inherited from class basic
434  *  computes a hash value based on the type and hash values of possible
435  *  members.  For this reason it is well suited for container classes but
436  *  atomic classes should override this implementation because otherwise they
437  *  would all end up with the same hashvalue. */
438 unsigned basic::calchash(void) const
439 {
440         unsigned v = golden_ratio_hash(tinfo());
441         for (unsigned i=0; i<nops(); i++) {
442                 v = rotate_left_31(v);
443                 v ^= (const_cast<basic *>(this))->op(i).gethash();
444         }
445         
446         // mask out numeric hashes:
447         v &= 0x7FFFFFFFU;
448         
449         // store calculated hash value only if object is already evaluated
450         if (flags & status_flags::evaluated) {
451                 setflag(status_flags::hash_calculated);
452                 hashvalue = v;
453         }
454
455         return v;
456 }
457
458 /** Expand expression, i.e. multiply it out and return the result as a new
459  *  expression. */
460 ex basic::expand(unsigned options) const
461 {
462         return this->setflag(status_flags::expanded);
463 }
464
465
466 //////////
467 // non-virtual functions in this class
468 //////////
469
470 // public
471
472 /** Substitute objects in an expression (syntactic substitution) and return
473  *  the result as a new expression.  There are two valid types of
474  *  replacement arguments: 1) a relational like object==ex and 2) a list of
475  *  relationals lst(object1==ex1,object2==ex2,...), which is converted to
476  *  subs(lst(object1,object2,...),lst(ex1,ex2,...)). */
477 ex basic::subs(const ex & e) const
478 {
479         if (e.info(info_flags::relation_equal)) {
480                 return subs(lst(e));
481         }
482         if (!e.info(info_flags::list)) {
483                 throw(std::invalid_argument("basic::subs(ex): argument must be a list"));
484         }
485         lst ls;
486         lst lr;
487         for (unsigned i=0; i<e.nops(); i++) {
488                 ex r = e.op(i);
489                 if (!r.info(info_flags::relation_equal)) {
490                         throw(std::invalid_argument("basic::subs(ex): argument must be a list or equations"));
491                 }
492                 ls.append(r.op(0));
493                 lr.append(r.op(1));
494         }
495         return subs(ls, lr);
496 }
497
498 /** Compare objects to establish canonical ordering.
499  *  All compare functions return: -1 for *this less than other, 0 equal,
500  *  1 greater. */
501 int basic::compare(const basic & other) const
502 {
503         unsigned hash_this = gethash();
504         unsigned hash_other = other.gethash();
505         
506         if (hash_this<hash_other) return -1;
507         if (hash_this>hash_other) return 1;
508         
509         unsigned typeid_this = tinfo();
510         unsigned typeid_other = other.tinfo();
511         
512         if (typeid_this<typeid_other) {
513 //              std::cout << "hash collision, different types: " 
514 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
515 //              this->printraw(std::cout);
516 //              std::cout << " and ";
517 //              other.printraw(std::cout);
518 //              std::cout << std::endl;
519                 return -1;
520         }
521         if (typeid_this>typeid_other) {
522 //              std::cout << "hash collision, different types: " 
523 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
524 //              this->printraw(std::cout);
525 //              std::cout << " and ";
526 //              other.printraw(std::cout);
527 //              std::cout << std::endl;
528                 return 1;
529         }
530         
531         GINAC_ASSERT(typeid(*this)==typeid(other));
532         
533 //      int cmpval = compare_same_type(other);
534 //      if ((cmpval!=0) && (hash_this<0x80000000U)) {
535 //              std::cout << "hash collision, same type: " 
536 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
537 //              this->printraw(std::cout);
538 //              std::cout << " and ";
539 //              other.printraw(std::cout);
540 //              std::cout << std::endl;
541 //      }
542 //      return cmpval;
543         
544         return compare_same_type(other);
545 }
546
547 /** Test for equality.
548  *  This is only a quick test, meaning objects should be in the same domain.
549  *  You might have to .expand(), .normal() objects first, depending on the
550  *  domain of your computation, to get a more reliable answer.
551  *
552  *  @see is_equal_same_type */
553 bool basic::is_equal(const basic & other) const
554 {
555         if (this->gethash()!=other.gethash())
556                 return false;
557         if (this->tinfo()!=other.tinfo())
558                 return false;
559         
560         GINAC_ASSERT(typeid(*this)==typeid(other));
561         
562         return this->is_equal_same_type(other);
563 }
564
565 // protected
566
567 /** Stop further evaluation.
568  *
569  *  @see basic::eval */
570 const basic & basic::hold(void) const
571 {
572         return this->setflag(status_flags::evaluated);
573 }
574
575 /** Ensure the object may be modified without hurting others, throws if this
576  *  is not the case. */
577 void basic::ensure_if_modifiable(void) const
578 {
579         if (this->refcount>1)
580                 throw(std::runtime_error("cannot modify multiply referenced object"));
581 }
582
583 //////////
584 // static member variables
585 //////////
586
587 // protected
588
589 unsigned basic::precedence = 70;
590 unsigned basic::delta_indent = 4;
591
592 //////////
593 // global variables
594 //////////
595
596 int max_recursion_level = 1024;
597
598 } // namespace GiNaC