]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - ginac/basic.cpp
c649f64b0e6dfd6e74b2c41f11393d8249447b7d
[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
26 #include "basic.h"
27 #include "ex.h"
28 #include "numeric.h"
29 #include "power.h"
30 #include "symbol.h"
31 #include "lst.h"
32 #include "ncmul.h"
33 #include "print.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 stream.
113  *  @param c print context object that describes the output formatting
114  *  @param level value that is used to identify the precedence or indentation
115  *               level for placing parentheses and formatting */
116 void basic::print(const print_context & c, unsigned level) const
117 {
118         debugmsg("basic print", LOGLEVEL_PRINT);
119
120         if (is_of_type(c, print_tree)) {
121
122                 c.s << std::string(level, ' ') << class_name()
123                     << std::hex << ", hash=0x" << hashvalue << ", flags=0x" << flags << std::dec
124                     << ", nops=" << nops()
125                     << std::endl;
126                 for (unsigned i=0; i<nops(); ++i)
127                         op(i).print(c, level + static_cast<const print_tree &>(c).delta_indent);
128
129         } else
130                 c.s << "[" << class_name() << " object]";
131 }
132
133 /** Little wrapper arount print to be called within a debugger.
134  *  This is needed because you cannot call foo.print(cout) from within the
135  *  debugger because it might not know what cout is.  This method can be
136  *  invoked with no argument and it will simply print to stdout.
137  *
138  *  @see basic::print */
139 void basic::dbgprint(void) const
140 {
141         this->print(std::cerr);
142         std::cerr << std::endl;
143 }
144
145 /** Little wrapper arount printtree to be called within a debugger.
146  *
147  *  @see basic::dbgprint
148  *  @see basic::printtree */
149 void basic::dbgprinttree(void) const
150 {
151         this->print(print_tree(std::cerr));
152 }
153
154 /** Create a new copy of this on the heap.  One can think of this as simulating
155  *  a virtual copy constructor which is needed for instance by the refcounted
156  *  construction of an ex from a basic. */
157 basic * basic::duplicate() const
158 {
159         debugmsg("basic duplicate",LOGLEVEL_DUPLICATE);
160         return new basic(*this);
161 }
162
163 /** Information about the object.
164  *
165  *  @see class info_flags */
166 bool basic::info(unsigned inf) const
167 {
168         // all possible properties are false for basic objects
169         return false;
170 }
171
172 /** Number of operands/members. */
173 unsigned basic::nops() const
174 {
175         // iterating from 0 to nops() on atomic objects should be an empty loop,
176         // and accessing their elements is a range error.  Container objects should
177         // override this.
178         return 0;
179 }
180
181 /** Return operand/member at position i. */
182 ex basic::op(int i) const
183 {
184         return (const_cast<basic *>(this))->let_op(i);
185 }
186
187 /** Return modifyable operand/member at position i. */
188 ex & basic::let_op(int i)
189 {
190         throw(std::out_of_range("op() out of range"));
191 }
192
193 ex basic::operator[](const ex & index) const
194 {
195         if (is_exactly_of_type(*index.bp,numeric))
196                 return op(static_cast<const numeric &>(*index.bp).to_int());
197         
198         throw(std::invalid_argument("non-numeric indices not supported by this type"));
199 }
200
201 ex basic::operator[](int i) const
202 {
203         return op(i);
204 }
205
206 /** Search ocurrences.  An object  'has' an expression if it is the expression
207  *  itself or one of the children 'has' it.  As a consequence (according to
208  *  the definition of children) given e=x+y+z, e.has(x) is true but e.has(x+y)
209  *  is false. */
210 bool basic::has(const ex & other) const
211 {
212         GINAC_ASSERT(other.bp!=0);
213         if (is_equal(*other.bp)) return true;
214         if (nops()>0) {
215                 for (unsigned i=0; i<nops(); i++)
216                         if (op(i).has(other))
217                                 return true;
218         }
219         
220         return false;
221 }
222
223 /** Return degree of highest power in symbol s. */
224 int basic::degree(const ex & s) const
225 {
226         return 0;
227 }
228
229 /** Return degree of lowest power in symbol s. */
230 int basic::ldegree(const ex & s) const
231 {
232         return 0;
233 }
234
235 /** Return coefficient of degree n in symbol s. */
236 ex basic::coeff(const ex & s, int n) const
237 {
238         return n==0 ? *this : _ex0();
239 }
240
241 /** Sort expression in terms of powers of some symbol.
242  *  @param s symbol to sort in. */
243 ex basic::collect(const ex & s) const
244 {
245         ex x;
246         for (int n=this->ldegree(s); n<=this->degree(s); ++n)
247                 x += this->coeff(s,n)*power(s,n);
248         
249         // correct for lost fractional arguments and return
250         return x + (*this - x).expand();
251 }
252
253 /** Perform automatic non-interruptive symbolic evaluation on expression. */
254 ex basic::eval(int level) const
255 {
256         // There is nothing to do for basic objects:
257         return this->hold();
258 }
259
260 /** Evaluate object numerically. */
261 ex basic::evalf(int level) const
262 {
263         // There is nothing to do for basic objects:
264         return *this;
265 }
266
267 /** Perform automatic symbolic evaluations on indexed expression that
268  *  contains this object as the base expression. */
269 ex basic::eval_indexed(const basic & i) const
270  // this function can't take a "const ex & i" because that would result
271  // in an infinite eval() loop
272 {
273         // There is nothing to do for basic objects
274         return i.hold();
275 }
276
277 /** Add two indexed expressions. They are guaranteed to be of class indexed
278  *  (or a subclass) and their indices are compatible. This function is used
279  *  internally by simplify_indexed().
280  *
281  *  @param self First indexed expression; it's base object is *this
282  *  @param other Second indexed expression
283  *  @return sum of self and other 
284  *  @see ex::simplify_indexed() */
285 ex basic::add_indexed(const ex & self, const ex & other) const
286 {
287         return self + other;
288 }
289
290 /** Multiply an indexed expression with a scalar. This function is used
291  *  internally by simplify_indexed().
292  *
293  *  @param self Indexed expression; it's base object is *this
294  *  @param other Numeric value
295  *  @return product of self and other
296  *  @see ex::simplify_indexed() */
297 ex basic::scalar_mul_indexed(const ex & self, const numeric & other) const
298 {
299         return self * other;
300 }
301
302 /** Try to contract two indexed expressions that appear in the same product. 
303  *  If a contraction exists, the function overwrites one or both of the
304  *  expressions and returns true. Otherwise it returns false. It is
305  *  guaranteed that both expressions are of class indexed (or a subclass)
306  *  and that at least one dummy index has been found. This functions is
307  *  used internally by simplify_indexed().
308  *
309  *  @param self Pointer to first indexed expression; it's base object is *this
310  *  @param other Pointer to second indexed expression
311  *  @param v The complete vector of factors
312  *  @return true if the contraction was successful, false otherwise
313  *  @see ex::simplify_indexed() */
314 bool basic::contract_with(exvector::iterator self, exvector::iterator other, exvector & v) const
315 {
316         // Do nothing
317         return false;
318 }
319
320 /** Substitute a set of objects by arbitrary expressions. The ex returned
321  *  will already be evaluated. */
322 ex basic::subs(const lst & ls, const lst & lr) const
323 {
324         GINAC_ASSERT(ls.nops() == lr.nops());
325
326         for (unsigned i=0; i<ls.nops(); i++) {
327                 if (is_equal(*ls.op(i).bp))
328                         return lr.op(i);
329         }
330
331         return *this;
332 }
333
334 /** Default interface of nth derivative ex::diff(s, n).  It should be called
335  *  instead of ::derivative(s) for first derivatives and for nth derivatives it
336  *  just recurses down.
337  *
338  *  @param s symbol to differentiate in
339  *  @param nth order of differentiation
340  *  @see ex::diff */
341 ex basic::diff(const symbol & s, unsigned nth) const
342 {
343         // trivial: zeroth derivative
344         if (nth==0)
345                 return ex(*this);
346         
347         // evaluate unevaluated *this before differentiating
348         if (!(flags & status_flags::evaluated))
349                 return ex(*this).diff(s, nth);
350         
351         ex ndiff = this->derivative(s);
352         while (!ndiff.is_zero() &&    // stop differentiating zeros
353                nth>1) {
354                 ndiff = ndiff.diff(s);
355                 --nth;
356         }
357         return ndiff;
358 }
359
360 /** Return a vector containing the free indices of an expression. */
361 exvector basic::get_free_indices(void) const
362 {
363         return exvector(); // return an empty exvector
364 }
365
366 ex basic::simplify_ncmul(const exvector & v) const
367 {
368         return simplified_ncmul(v);
369 }
370
371 // protected
372
373 /** Default implementation of ex::diff(). It simply throws an error message.
374  *
375  *  @exception logic_error (differentiation not supported by this type)
376  *  @see ex::diff */
377 ex basic::derivative(const symbol & s) const
378 {
379         throw(std::logic_error("differentiation not supported by this type"));
380 }
381
382 /** Returns order relation between two objects of same type.  This needs to be
383  *  implemented by each class. It may never return anything else than 0,
384  *  signalling equality, or +1 and -1 signalling inequality and determining
385  *  the canonical ordering.  (Perl hackers will wonder why C++ doesn't feature
386  *  the spaceship operator <=> for denoting just this.) */
387 int basic::compare_same_type(const basic & other) const
388 {
389         return compare_pointers(this, &other);
390 }
391
392 /** Returns true if two objects of same type are equal.  Normally needs
393  *  not be reimplemented as long as it wasn't overwritten by some parent
394  *  class, since it just calls compare_same_type().  The reason why this
395  *  function exists is that sometimes it is easier to determine equality
396  *  than an order relation and then it can be overridden. */
397 bool basic::is_equal_same_type(const basic & other) const
398 {
399         return this->compare_same_type(other)==0;
400 }
401
402 unsigned basic::return_type(void) const
403 {
404         return return_types::commutative;
405 }
406
407 unsigned basic::return_type_tinfo(void) const
408 {
409         return tinfo();
410 }
411
412 /** Compute the hash value of an object and if it makes sense to store it in
413  *  the objects status_flags, do so.  The method inherited from class basic
414  *  computes a hash value based on the type and hash values of possible
415  *  members.  For this reason it is well suited for container classes but
416  *  atomic classes should override this implementation because otherwise they
417  *  would all end up with the same hashvalue. */
418 unsigned basic::calchash(void) const
419 {
420         unsigned v = golden_ratio_hash(tinfo());
421         for (unsigned i=0; i<nops(); i++) {
422                 v = rotate_left_31(v);
423                 v ^= (const_cast<basic *>(this))->op(i).gethash();
424         }
425         
426         // mask out numeric hashes:
427         v &= 0x7FFFFFFFU;
428         
429         // store calculated hash value only if object is already evaluated
430         if (flags & status_flags::evaluated) {
431                 setflag(status_flags::hash_calculated);
432                 hashvalue = v;
433         }
434
435         return v;
436 }
437
438 /** Expand expression, i.e. multiply it out and return the result as a new
439  *  expression. */
440 ex basic::expand(unsigned options) const
441 {
442         return this->setflag(status_flags::expanded);
443 }
444
445
446 //////////
447 // non-virtual functions in this class
448 //////////
449
450 // public
451
452 /** Substitute objects in an expression (syntactic substitution) and return
453  *  the result as a new expression.  There are two valid types of
454  *  replacement arguments: 1) a relational like object==ex and 2) a list of
455  *  relationals lst(object1==ex1,object2==ex2,...), which is converted to
456  *  subs(lst(object1,object2,...),lst(ex1,ex2,...)). */
457 ex basic::subs(const ex & e) const
458 {
459         if (e.info(info_flags::relation_equal)) {
460                 return subs(lst(e));
461         }
462         if (!e.info(info_flags::list)) {
463                 throw(std::invalid_argument("basic::subs(ex): argument must be a list"));
464         }
465         lst ls;
466         lst lr;
467         for (unsigned i=0; i<e.nops(); i++) {
468                 ex r = e.op(i);
469                 if (!r.info(info_flags::relation_equal)) {
470                         throw(std::invalid_argument("basic::subs(ex): argument must be a list or equations"));
471                 }
472                 ls.append(r.op(0));
473                 lr.append(r.op(1));
474         }
475         return subs(ls, lr);
476 }
477
478 /** Compare objects to establish canonical ordering.
479  *  All compare functions return: -1 for *this less than other, 0 equal,
480  *  1 greater. */
481 int basic::compare(const basic & other) const
482 {
483         unsigned hash_this = gethash();
484         unsigned hash_other = other.gethash();
485         
486         if (hash_this<hash_other) return -1;
487         if (hash_this>hash_other) return 1;
488         
489         unsigned typeid_this = tinfo();
490         unsigned typeid_other = other.tinfo();
491         
492         if (typeid_this<typeid_other) {
493 //              std::cout << "hash collision, different types: " 
494 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
495 //              this->print(print_tree(std::cout));
496 //              std::cout << " and ";
497 //              other.print(print_tree(std::cout));
498 //              std::cout << std::endl;
499                 return -1;
500         }
501         if (typeid_this>typeid_other) {
502 //              std::cout << "hash collision, different types: " 
503 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
504 //              this->print(print_tree(std::cout));
505 //              std::cout << " and ";
506 //              other.print(print_tree(std::cout));
507 //              std::cout << std::endl;
508                 return 1;
509         }
510         
511         GINAC_ASSERT(typeid(*this)==typeid(other));
512         
513 //      int cmpval = compare_same_type(other);
514 //      if ((cmpval!=0) && (hash_this<0x80000000U)) {
515 //              std::cout << "hash collision, same type: " 
516 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
517 //              this->print(print_tree(std::cout));
518 //              std::cout << " and ";
519 //              other.print(print_tree(std::cout));
520 //              std::cout << std::endl;
521 //      }
522 //      return cmpval;
523         
524         return compare_same_type(other);
525 }
526
527 /** Test for equality.
528  *  This is only a quick test, meaning objects should be in the same domain.
529  *  You might have to .expand(), .normal() objects first, depending on the
530  *  domain of your computation, to get a more reliable answer.
531  *
532  *  @see is_equal_same_type */
533 bool basic::is_equal(const basic & other) const
534 {
535         if (this->gethash()!=other.gethash())
536                 return false;
537         if (this->tinfo()!=other.tinfo())
538                 return false;
539         
540         GINAC_ASSERT(typeid(*this)==typeid(other));
541         
542         return this->is_equal_same_type(other);
543 }
544
545 // protected
546
547 /** Stop further evaluation.
548  *
549  *  @see basic::eval */
550 const basic & basic::hold(void) const
551 {
552         return this->setflag(status_flags::evaluated);
553 }
554
555 /** Ensure the object may be modified without hurting others, throws if this
556  *  is not the case. */
557 void basic::ensure_if_modifiable(void) const
558 {
559         if (this->refcount>1)
560                 throw(std::runtime_error("cannot modify multiply referenced object"));
561 }
562
563 //////////
564 // static member variables
565 //////////
566
567 // protected
568
569 unsigned basic::precedence = 70;
570
571 //////////
572 // global variables
573 //////////
574
575 int max_recursion_level = 1024;
576
577 } // namespace GiNaC