]> www.ginac.de Git - ginac.git/blob - ginac/basic.cpp
- config.*: updated from FSF.
[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_func 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 /** Evaluate sums and products of matrices. */
367 ex basic::evalm(void) const
368 {
369         if (nops() == 0)
370                 return *this;
371         else
372                 return map(GiNaC::evalm);
373 }
374
375 /** Perform automatic symbolic evaluations on indexed expression that
376  *  contains this object as the base expression. */
377 ex basic::eval_indexed(const basic & i) const
378  // this function can't take a "const ex & i" because that would result
379  // in an infinite eval() loop
380 {
381         // There is nothing to do for basic objects
382         return i.hold();
383 }
384
385 /** Add two indexed expressions. They are guaranteed to be of class indexed
386  *  (or a subclass) and their indices are compatible. This function is used
387  *  internally by simplify_indexed().
388  *
389  *  @param self First indexed expression; it's base object is *this
390  *  @param other Second indexed expression
391  *  @return sum of self and other 
392  *  @see ex::simplify_indexed() */
393 ex basic::add_indexed(const ex & self, const ex & other) const
394 {
395         return self + other;
396 }
397
398 /** Multiply an indexed expression with a scalar. This function is used
399  *  internally by simplify_indexed().
400  *
401  *  @param self Indexed expression; it's base object is *this
402  *  @param other Numeric value
403  *  @return product of self and other
404  *  @see ex::simplify_indexed() */
405 ex basic::scalar_mul_indexed(const ex & self, const numeric & other) const
406 {
407         return self * other;
408 }
409
410 /** Try to contract two indexed expressions that appear in the same product. 
411  *  If a contraction exists, the function overwrites one or both of the
412  *  expressions and returns true. Otherwise it returns false. It is
413  *  guaranteed that both expressions are of class indexed (or a subclass)
414  *  and that at least one dummy index has been found. This functions is
415  *  used internally by simplify_indexed().
416  *
417  *  @param self Pointer to first indexed expression; it's base object is *this
418  *  @param other Pointer to second indexed expression
419  *  @param v The complete vector of factors
420  *  @return true if the contraction was successful, false otherwise
421  *  @see ex::simplify_indexed() */
422 bool basic::contract_with(exvector::iterator self, exvector::iterator other, exvector & v) const
423 {
424         // Do nothing
425         return false;
426 }
427
428 /** Check whether the expression matches a given pattern. For every wildcard
429  *  object in the pattern, an expression of the form "wildcard == matching_expression"
430  *  is added to repl_lst. */
431 bool basic::match(const ex & pattern, lst & repl_lst) const
432 {
433 /*
434         Sweet sweet shapes, sweet sweet shapes,
435         That's the key thing, right right.
436         Feed feed face, feed feed shapes,
437         But who is the king tonight?
438         Who is the king tonight?
439         Pattern is the thing, the key thing-a-ling,
440         But who is the king of pattern?
441         But who is the king, the king thing-a-ling,
442         Who is the king of Pattern?
443         Bog is the king, the king thing-a-ling,
444         Bog is the king of Pattern.
445         Ba bu-bu-bu-bu bu-bu-bu-bu-bu-bu bu-bu
446         Bog is the king of Pattern.
447 */
448
449         if (is_ex_exactly_of_type(pattern, wildcard)) {
450
451                 // Wildcard matches anything, but check whether we already have found
452                 // a match for that wildcard first (if so, it the earlier match must
453                 // be the same expression)
454                 for (unsigned i=0; i<repl_lst.nops(); i++) {
455                         if (repl_lst.op(i).op(0).is_equal(pattern))
456                                 return is_equal(*repl_lst.op(i).op(1).bp);
457                 }
458                 repl_lst.append(pattern == *this);
459                 return true;
460
461         } else {
462
463                 // Expression must be of the same type as the pattern
464                 if (tinfo() != pattern.bp->tinfo())
465                         return false;
466
467                 // Number of subexpressions must match
468                 if (nops() != pattern.nops())
469                         return false;
470
471                 // No subexpressions? Then just compare the objects (there can't be
472                 // wildcards in the pattern)
473                 if (nops() == 0)
474                         return is_equal(*pattern.bp);
475
476                 // Otherwise the subexpressions must match one-to-one
477                 for (unsigned i=0; i<nops(); i++)
478                         if (!op(i).match(pattern.op(i), repl_lst))
479                                 return false;
480
481                 // Looks similar enough, match found
482                 return true;
483         }
484 }
485
486 /** Substitute a set of objects by arbitrary expressions. The ex returned
487  *  will already be evaluated. */
488 ex basic::subs(const lst & ls, const lst & lr, bool no_pattern) const
489 {
490         GINAC_ASSERT(ls.nops() == lr.nops());
491
492         if (no_pattern) {
493                 for (unsigned i=0; i<ls.nops(); i++) {
494                         if (is_equal(*ls.op(i).bp))
495                                 return lr.op(i);
496                 }
497         } else {
498                 for (unsigned i=0; i<ls.nops(); i++) {
499                         lst repl_lst;
500                         if (match(*ls.op(i).bp, repl_lst))
501                                 return lr.op(i).bp->subs(repl_lst, true); // avoid infinite recursion when re-substituting the wildcards
502                 }
503         }
504
505         return *this;
506 }
507
508 /** Default interface of nth derivative ex::diff(s, n).  It should be called
509  *  instead of ::derivative(s) for first derivatives and for nth derivatives it
510  *  just recurses down.
511  *
512  *  @param s symbol to differentiate in
513  *  @param nth order of differentiation
514  *  @see ex::diff */
515 ex basic::diff(const symbol & s, unsigned nth) const
516 {
517         // trivial: zeroth derivative
518         if (nth==0)
519                 return ex(*this);
520         
521         // evaluate unevaluated *this before differentiating
522         if (!(flags & status_flags::evaluated))
523                 return ex(*this).diff(s, nth);
524         
525         ex ndiff = this->derivative(s);
526         while (!ndiff.is_zero() &&    // stop differentiating zeros
527                nth>1) {
528                 ndiff = ndiff.diff(s);
529                 --nth;
530         }
531         return ndiff;
532 }
533
534 /** Return a vector containing the free indices of an expression. */
535 exvector basic::get_free_indices(void) const
536 {
537         return exvector(); // return an empty exvector
538 }
539
540 ex basic::simplify_ncmul(const exvector & v) const
541 {
542         return simplified_ncmul(v);
543 }
544
545 // protected
546
547 /** Default implementation of ex::diff(). It simply throws an error message.
548  *
549  *  @exception logic_error (differentiation not supported by this type)
550  *  @see ex::diff */
551 ex basic::derivative(const symbol & s) const
552 {
553         throw(std::logic_error("differentiation not supported by this type"));
554 }
555
556 /** Returns order relation between two objects of same type.  This needs to be
557  *  implemented by each class. It may never return anything else than 0,
558  *  signalling equality, or +1 and -1 signalling inequality and determining
559  *  the canonical ordering.  (Perl hackers will wonder why C++ doesn't feature
560  *  the spaceship operator <=> for denoting just this.) */
561 int basic::compare_same_type(const basic & other) const
562 {
563         return compare_pointers(this, &other);
564 }
565
566 /** Returns true if two objects of same type are equal.  Normally needs
567  *  not be reimplemented as long as it wasn't overwritten by some parent
568  *  class, since it just calls compare_same_type().  The reason why this
569  *  function exists is that sometimes it is easier to determine equality
570  *  than an order relation and then it can be overridden. */
571 bool basic::is_equal_same_type(const basic & other) const
572 {
573         return this->compare_same_type(other)==0;
574 }
575
576 unsigned basic::return_type(void) const
577 {
578         return return_types::commutative;
579 }
580
581 unsigned basic::return_type_tinfo(void) const
582 {
583         return tinfo();
584 }
585
586 /** Compute the hash value of an object and if it makes sense to store it in
587  *  the objects status_flags, do so.  The method inherited from class basic
588  *  computes a hash value based on the type and hash values of possible
589  *  members.  For this reason it is well suited for container classes but
590  *  atomic classes should override this implementation because otherwise they
591  *  would all end up with the same hashvalue. */
592 unsigned basic::calchash(void) const
593 {
594         unsigned v = golden_ratio_hash(tinfo());
595         for (unsigned i=0; i<nops(); i++) {
596                 v = rotate_left_31(v);
597                 v ^= (const_cast<basic *>(this))->op(i).gethash();
598         }
599         
600         // mask out numeric hashes:
601         v &= 0x7FFFFFFFU;
602         
603         // store calculated hash value only if object is already evaluated
604         if (flags & status_flags::evaluated) {
605                 setflag(status_flags::hash_calculated);
606                 hashvalue = v;
607         }
608
609         return v;
610 }
611
612 /** Expand expression, i.e. multiply it out and return the result as a new
613  *  expression. */
614 ex basic::expand(unsigned options) const
615 {
616         return this->setflag(status_flags::expanded);
617 }
618
619
620 //////////
621 // non-virtual functions in this class
622 //////////
623
624 // public
625
626 /** Substitute objects in an expression (syntactic substitution) and return
627  *  the result as a new expression.  There are two valid types of
628  *  replacement arguments: 1) a relational like object==ex and 2) a list of
629  *  relationals lst(object1==ex1,object2==ex2,...), which is converted to
630  *  subs(lst(object1,object2,...),lst(ex1,ex2,...)). */
631 ex basic::subs(const ex & e, bool no_pattern) const
632 {
633         if (e.info(info_flags::relation_equal)) {
634                 return subs(lst(e), no_pattern);
635         }
636         if (!e.info(info_flags::list)) {
637                 throw(std::invalid_argument("basic::subs(ex): argument must be a list"));
638         }
639         lst ls;
640         lst lr;
641         for (unsigned i=0; i<e.nops(); i++) {
642                 ex r = e.op(i);
643                 if (!r.info(info_flags::relation_equal)) {
644                         throw(std::invalid_argument("basic::subs(ex): argument must be a list of equations"));
645                 }
646                 ls.append(r.op(0));
647                 lr.append(r.op(1));
648         }
649         return subs(ls, lr, no_pattern);
650 }
651
652 /** Compare objects to establish canonical ordering.
653  *  All compare functions return: -1 for *this less than other, 0 equal,
654  *  1 greater. */
655 int basic::compare(const basic & other) const
656 {
657         unsigned hash_this = gethash();
658         unsigned hash_other = other.gethash();
659         
660         if (hash_this<hash_other) return -1;
661         if (hash_this>hash_other) return 1;
662         
663         unsigned typeid_this = tinfo();
664         unsigned typeid_other = other.tinfo();
665         
666         if (typeid_this<typeid_other) {
667 //              std::cout << "hash collision, different types: " 
668 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
669 //              this->print(print_tree(std::cout));
670 //              std::cout << " and ";
671 //              other.print(print_tree(std::cout));
672 //              std::cout << std::endl;
673                 return -1;
674         }
675         if (typeid_this>typeid_other) {
676 //              std::cout << "hash collision, different types: " 
677 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
678 //              this->print(print_tree(std::cout));
679 //              std::cout << " and ";
680 //              other.print(print_tree(std::cout));
681 //              std::cout << std::endl;
682                 return 1;
683         }
684         
685         GINAC_ASSERT(typeid(*this)==typeid(other));
686         
687 //      int cmpval = compare_same_type(other);
688 //      if ((cmpval!=0) && (hash_this<0x80000000U)) {
689 //              std::cout << "hash collision, same type: " 
690 //                        << *this << " and " << other << std::endl;
691 //              this->print(print_tree(std::cout));
692 //              std::cout << " and ";
693 //              other.print(print_tree(std::cout));
694 //              std::cout << std::endl;
695 //      }
696 //      return cmpval;
697         
698         return compare_same_type(other);
699 }
700
701 /** Test for equality.
702  *  This is only a quick test, meaning objects should be in the same domain.
703  *  You might have to .expand(), .normal() objects first, depending on the
704  *  domain of your computation, to get a more reliable answer.
705  *
706  *  @see is_equal_same_type */
707 bool basic::is_equal(const basic & other) const
708 {
709         if (this->gethash()!=other.gethash())
710                 return false;
711         if (this->tinfo()!=other.tinfo())
712                 return false;
713         
714         GINAC_ASSERT(typeid(*this)==typeid(other));
715         
716         return this->is_equal_same_type(other);
717 }
718
719 // protected
720
721 /** Stop further evaluation.
722  *
723  *  @see basic::eval */
724 const basic & basic::hold(void) const
725 {
726         return this->setflag(status_flags::evaluated);
727 }
728
729 /** Ensure the object may be modified without hurting others, throws if this
730  *  is not the case. */
731 void basic::ensure_if_modifiable(void) const
732 {
733         if (this->refcount>1)
734                 throw(std::runtime_error("cannot modify multiply referenced object"));
735 }
736
737 //////////
738 // global variables
739 //////////
740
741 int max_recursion_level = 1024;
742
743 } // namespace GiNaC