]> www.ginac.de Git - ginac.git/blobdiff - ginac/utils.h
Move combinatorial helpers from power.cpp to utils.h.
[ginac.git] / ginac / utils.h
index 791cfb5d81eb71094807b96725cffdcd98032a46..816679d7e0338201995ff0e2aca1e7dc9bb84c85 100644 (file)
@@ -4,7 +4,7 @@
  *  of any interest to the user of the library. */
 
 /*
- *  GiNaC Copyright (C) 1999-2002 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
+ *  GiNaC Copyright (C) 1999-2017 Johannes Gutenberg University Mainz, Germany
  *
  *  This program is free software; you can redistribute it and/or modify
  *  it under the terms of the GNU General Public License as published by
  *
  *  You should have received a copy of the GNU General Public License
  *  along with this program; if not, write to the Free Software
- *  Foundation, Inc., 59 Temple Place, Suite 330, Boston, MA  02111-1307  USA
+ *  Foundation, Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA
  */
 
-#ifndef __GINAC_UTILS_H__
-#define __GINAC_UTILS_H__
+#ifndef GINAC_UTILS_H
+#define GINAC_UTILS_H
 
-#include "config.h"
+#include "assertion.h"
 
+#include <functional>
+#include <cstdint> // for uintptr_t
 #include <string>
-#include <stdexcept>
-#include "assertion.h"
 
 namespace GiNaC {
 
-/** Exception class thrown by classes which provide their own series expansion
- *  to signal that ordinary Taylor expansion is safe. */
-class do_taylor {};
-
 /** Exception class thrown by functions to signal unimplemented functionality
  *  so the expression may just be .hold() */
 class dunno {};
 
-/** Exception class thrown when a singularity is encountered. */
-class pole_error : public std::domain_error {
-public:
-       explicit pole_error(const std::string& what_arg, int degree);
-       int degree(void) const;
-private:
-       int deg;
-};
-
 // some compilers (e.g. cygwin) define a macro log2, causing confusion
-#ifndef log2
-unsigned log2(unsigned n);
+#ifdef log2
+#undef log2
 #endif
 
+unsigned log2(unsigned n);
+
+/** Rotate bits of unsigned value by one bit to the left.
+  * This can be necessary if the user wants to define its own hashes. */
+inline unsigned rotate_left(unsigned n)
+{
+       return (n & 0x80000000U) ? (n << 1 | 0x00000001U) : (n << 1);
+}
+
 /** Compare two pointers (just to establish some sort of canonical order).
  *  @return -1, 0, or 1 */
-inline int compare_pointers(const void * a, const void * b)
+template <class T>
+inline int compare_pointers(const T * a, const T * b)
 {
-       if (a<b)
+       // '<' is not defined for pointers that don't point to the same array,
+       // but std::less is.
+       if (std::less<const T *>()(a, b))
                return -1;
-       else if (a>b)
+       else if (std::less<const T *>()(b, a))
                return 1;
        return 0;
 }
 
-/** Rotate lower 31 bits of unsigned value by one bit to the left
- *  (upper bit gets cleared). */
-inline unsigned rotate_left_31(unsigned n)
-{
-       // clear highest bit and shift 1 bit to the left
-       n = (n & 0x7FFFFFFFU) << 1;
-       
-       // overflow? clear highest bit and set lowest bit
-       if (n & 0x80000000U)
-               n = (n & 0x7FFFFFFFU) | 0x00000001U;
-       
-       GINAC_ASSERT(n<0x80000000U);
-       
-       return n;
-}
-
-/** Golden ratio hash function for the 31 least significant bits. */
-inline unsigned golden_ratio_hash(unsigned n)
+/** Truncated multiplication with golden ratio, for computing hash values. */
+inline unsigned golden_ratio_hash(uintptr_t n)
 {
-       // This function requires arithmetic with at least 64 significant bits
-#if SIZEOF_LONG >= 8
-       // So 'long' has 64 bits.  Excellent!  We prefer it because it might be
-       // more efficient than 'long long'.
-       unsigned long l = n * 0x4f1bbcddL;
-       return (l & 0x7fffffffU) ^ (l >> 32);
-#elif SIZEOF_LONG_LONG >= 8
-       // This requires 'long long' (or an equivalent 64 bit type)---which is,
-       // unfortunately, not ANSI-C++-compliant.
-       // (Yet C99 demands it, which is reason for hope.)
-       unsigned long long l = n * 0x4f1bbcddL;
-       return (l & 0x7fffffffU) ^ (l >> 32);
-#elif SIZEOF_LONG_DOUBLE > 8
-       // If 'long double' is bigger than 64 bits, we assume that the mantissa
-       // has at least 64 bits. This is not guaranteed but it's a good guess.
-       // Unfortunately, it may lead to horribly slow code.
-       const static long double golden_ratio = .618033988749894848204586834370;
-       long double m = golden_ratio * n;
-       return unsigned((m - int(m)) * 0x80000000);
-#else
-#error "No 64 bit data type. You lose."
-#endif
+       return n * UINT64_C(0x4f1bbcdd);
 }
 
 /* Compute the sign of a permutation of a container, with and without an
@@ -114,6 +76,7 @@ inline unsigned golden_ratio_hash(unsigned n)
 template <class It>
 int permutation_sign(It first, It last)
 {
+       using std::swap;
        if (first == last)
                return 0;
        --last;
@@ -128,13 +91,15 @@ int permutation_sign(It first, It last)
                bool swapped = false;
                while (i != first) {
                        if (*i < *other) {
-                               std::iter_swap(other, i);
+                               swap(*other, *i);
                                flag = other;
                                swapped = true;
                                sign = -sign;
                        } else if (!(*other < *i))
                                return 0;
-                       --i; --other;
+                       --i;
+                       if (i != first)
+                               --other;
                }
                if (!swapped)
                        return sign;
@@ -147,13 +112,15 @@ int permutation_sign(It first, It last)
                swapped = false;
                while (i != last) {
                        if (*other < *i) {
-                               std::iter_swap(i, other);
+                               swap(*i, *other);
                                flag = other;
                                swapped = true;
                                sign = -sign;
                        } else if (!(*i < *other))
                                return 0;
-                       ++i; ++other;
+                       ++i;
+                       if (i != last)
+                               ++other;
                }
                if (!swapped)
                        return sign;
@@ -187,7 +154,9 @@ int permutation_sign(It first, It last, Cmp comp, Swap swapit)
                                sign = -sign;
                        } else if (!comp(*other, *i))
                                return 0;
-                       --i; --other;
+                       --i;
+                       if (i != first)
+                               --other;
                }
                if (!swapped)
                        return sign;
@@ -206,7 +175,9 @@ int permutation_sign(It first, It last, Cmp comp, Swap swapit)
                                sign = -sign;
                        } else if (!comp(*i, *other))
                                return 0;
-                       ++i; ++other;
+                       ++i; 
+                       if (i != last)
+                               ++other;
                }
                if (!swapped)
                        return sign;
@@ -238,7 +209,9 @@ void shaker_sort(It first, It last, Cmp comp, Swap swapit)
                                flag = other;
                                swapped = true;
                        }
-                       --i; --other;
+                       --i;
+                       if (i != first)
+                               --other;
                }
                if (!swapped)
                        return;
@@ -255,7 +228,9 @@ void shaker_sort(It first, It last, Cmp comp, Swap swapit)
                                flag = other;
                                swapped = true;
                        }
-                       ++i; ++other;
+                       ++i;
+                       if (i != last)
+                               ++other;
                }
                if (!swapped)
                        return;
@@ -297,6 +272,175 @@ again:
        }
 }
 
+/** Generate all bounded combinatorial partitions of an integer n with exactly
+ *  m parts (including zero parts) in non-decreasing order.
+ */
+class partition_generator {
+private:
+       // Partitions n into m parts, not including zero parts.
+       // (Cf. OEIS sequence A008284; implementation adapted from Jörg Arndt's
+       // FXT library)
+       struct mpartition2
+       {
+               // partition: x[1] + x[2] + ... + x[m] = n and sentinel x[0] == 0
+               std::vector<int> x;
+               int n;   // n>0
+               int m;   // 0<m<=n
+               mpartition2(unsigned n_, unsigned m_)
+                 : x(m_+1), n(n_), m(m_)
+               {
+                       for (int k=1; k<m; ++k)
+                               x[k] = 1;
+                       x[m] = n - m + 1;
+               }
+               bool next_partition()
+               {
+                       int u = x[m];  // last element
+                       int k = m;
+                       int s = u;
+                       while (--k) {
+                               s += x[k];
+                               if (x[k] + 2 <= u)
+                                       break;
+                       }
+                       if (k==0)
+                               return false;  // current is last
+                       int f = x[k] + 1;
+                       while (k < m) {
+                               x[k] = f;
+                               s -= f;
+                               ++k;
+                       }
+                       x[m] = s;
+                       return true;
+               }
+       } mpgen;
+       int m;  // number of parts 0<m<=n
+       mutable std::vector<int> partition;  // current partition
+public:
+       partition_generator(unsigned n_, unsigned m_)
+         : mpgen(n_, 1), m(m_), partition(m_)
+       { }
+       // returns current partition in non-decreasing order, padded with zeros
+       const std::vector<int>& current() const
+       {
+               for (int i = 0; i < m - mpgen.m; ++i)
+                       partition[i] = 0;  // pad with zeros
+
+               for (int i = m - mpgen.m; i < m; ++i)
+                       partition[i] = mpgen.x[i - m + mpgen.m + 1];
+
+               return partition;
+       }
+       bool next()
+       {
+               if (!mpgen.next_partition()) {
+                       if (mpgen.m == m || mpgen.m == mpgen.n)
+                               return false;  // current is last
+                       // increment number of parts
+                       mpgen = mpartition2(mpgen.n, mpgen.m + 1);
+               }
+               return true;
+       }
+};
+
+/** Generate all compositions of a partition of an integer n, starting with the
+ *  compositions which has non-decreasing order.
+ */
+class composition_generator {
+private:
+       // Generates all distinct permutations of a multiset.
+       // (Based on Aaron Williams' algorithm 1 from "Loopless Generation of
+       // Multiset Permutations using a Constant Number of Variables by Prefix
+       // Shifts." <http://webhome.csc.uvic.ca/~haron/CoolMulti.pdf>)
+       struct coolmulti {
+               // element of singly linked list
+               struct element {
+                       int value;
+                       element* next;
+                       element(int val, element* n)
+                         : value(val), next(n) {}
+                       ~element()
+                       {   // recurses down to the end of the singly linked list
+                               delete next;
+                       }
+               };
+               element *head, *i, *after_i;
+               // NB: Partition must be sorted in non-decreasing order.
+               explicit coolmulti(const std::vector<int>& partition)
+                 : head(nullptr), i(nullptr), after_i(nullptr)
+               {
+                       for (unsigned n = 0; n < partition.size(); ++n) {
+                               head = new element(partition[n], head);
+                               if (n <= 1)
+                                       i = head;
+                       }
+                       after_i = i->next;
+               }
+               ~coolmulti()
+               {   // deletes singly linked list
+                       delete head;
+               }
+               void next_permutation()
+               {
+                       element *before_k;
+                       if (after_i->next != nullptr && i->value >= after_i->next->value)
+                               before_k = after_i;
+                       else
+                               before_k = i;
+                       element *k = before_k->next;
+                       before_k->next = k->next;
+                       k->next = head;
+                       if (k->value < head->value)
+                               i = k;
+                       after_i = i->next;
+                       head = k;
+               }
+               bool finished() const
+               {
+                       return after_i->next == nullptr && after_i->value >= head->value;
+               }
+       } cmgen;
+       bool atend;  // needed for simplifying iteration over permutations
+       bool trivial;  // likewise, true if all elements are equal
+       mutable std::vector<int> composition;  // current compositions
+public:
+       explicit composition_generator(const std::vector<int>& partition)
+         : cmgen(partition), atend(false), trivial(true), composition(partition.size())
+       {
+               for (unsigned i=1; i<partition.size(); ++i)
+                       trivial = trivial && (partition[0] == partition[i]);
+       }
+       const std::vector<int>& current() const
+       {
+               coolmulti::element* it = cmgen.head;
+               size_t i = 0;
+               while (it != nullptr) {
+                       composition[i] = it->value;
+                       it = it->next;
+                       ++i;
+               }
+               return composition;
+       }
+       bool next()
+       {
+               // This ugly contortion is needed because the original coolmulti
+               // algorithm requires code duplication of the payload procedure,
+               // one before the loop and one inside it.
+               if (trivial || atend)
+                       return false;
+               cmgen.next_permutation();
+               atend = cmgen.finished();
+               return true;
+       }
+};
+
+/** Compute the multinomial coefficient n!/(p1!*p2!*...*pk!) where
+ *  n = p1+p2+...+pk, i.e. p is a partition of n.
+ */
+const numeric
+multinomial_coefficient(const std::vector<int> & p);
+
 
 // Collection of `construct on first use' wrappers for safely avoiding
 // internal object replication without running into the `static
@@ -304,191 +448,113 @@ again:
 // the library but should not be used outside it since it is
 // potentially confusing.
 
-class numeric;
 class ex;
 
 extern const numeric *_num_120_p;
-extern const numeric &_num_120;
 extern const ex _ex_120;
 extern const numeric *_num_60_p;
-extern const numeric &_num_60;
 extern const ex _ex_60;
 extern const numeric *_num_48_p;
-extern const numeric &_num_48;
 extern const ex _ex_48;
 extern const numeric *_num_30_p;
-extern const numeric &_num_30;
 extern const ex _ex_30;
 extern const numeric *_num_25_p;
-extern const numeric &_num_25;
 extern const ex _ex_25;
 extern const numeric *_num_24_p;
-extern const numeric &_num_24;
 extern const ex _ex_24;
 extern const numeric *_num_20_p;
-extern const numeric &_num_20;
 extern const ex _ex_20;
 extern const numeric *_num_18_p;
-extern const numeric &_num_18;
 extern const ex _ex_18;
 extern const numeric *_num_15_p;
-extern const numeric &_num_15;
 extern const ex _ex_15;
 extern const numeric *_num_12_p;
-extern const numeric &_num_12;
 extern const ex _ex_12;
 extern const numeric *_num_11_p;
-extern const numeric &_num_11;
 extern const ex _ex_11;
 extern const numeric *_num_10_p;
-extern const numeric &_num_10;
 extern const ex _ex_10;
 extern const numeric *_num_9_p;
-extern const numeric &_num_9;
 extern const ex _ex_9;
 extern const numeric *_num_8_p;
-extern const numeric &_num_8;
 extern const ex _ex_8;
 extern const numeric *_num_7_p;
-extern const numeric &_num_7;
 extern const ex _ex_7;
 extern const numeric *_num_6_p;
-extern const numeric &_num_6;
 extern const ex _ex_6;
 extern const numeric *_num_5_p;
-extern const numeric &_num_5;
 extern const ex _ex_5;
 extern const numeric *_num_4_p;
-extern const numeric &_num_4;
 extern const ex _ex_4;
 extern const numeric *_num_3_p;
-extern const numeric &_num_3;
 extern const ex _ex_3;
 extern const numeric *_num_2_p;
-extern const numeric &_num_2;
 extern const ex _ex_2;
 extern const numeric *_num_1_p;
-extern const numeric &_num_1;
 extern const ex _ex_1;
 extern const numeric *_num_1_2_p;
-extern const numeric &_num_1_2;
 extern const ex _ex_1_2;
 extern const numeric *_num_1_3_p;
-extern const numeric &_num_1_3;
 extern const ex _ex_1_3;
 extern const numeric *_num_1_4_p;
-extern const numeric &_num_1_4;
 extern const ex _ex_1_4;
 extern const numeric *_num0_p;
-extern const numeric &_num0;
+extern const basic *_num0_bp;
 extern const ex _ex0;
 extern const numeric *_num1_4_p;
-extern const numeric &_num1_4;
 extern const ex _ex1_4;
 extern const numeric *_num1_3_p;
-extern const numeric &_num1_3;
 extern const ex _ex1_3;
 extern const numeric *_num1_2_p;
-extern const numeric &_num1_2;
 extern const ex _ex1_2;
 extern const numeric *_num1_p;
-extern const numeric &_num1;
 extern const ex _ex1;
 extern const numeric *_num2_p;
-extern const numeric &_num2;
 extern const ex _ex2;
 extern const numeric *_num3_p;
-extern const numeric &_num3;
 extern const ex _ex3;
 extern const numeric *_num4_p;
-extern const numeric &_num4;
 extern const ex _ex4;
 extern const numeric *_num5_p;
-extern const numeric &_num5;
 extern const ex _ex5;
 extern const numeric *_num6_p;
-extern const numeric &_num6;
 extern const ex _ex6;
 extern const numeric *_num7_p;
-extern const numeric &_num7;
 extern const ex _ex7;
 extern const numeric *_num8_p;
-extern const numeric &_num8;
 extern const ex _ex8;
 extern const numeric *_num9_p;
-extern const numeric &_num9;
 extern const ex _ex9;
 extern const numeric *_num10_p;
-extern const numeric &_num10;
 extern const ex _ex10;
 extern const numeric *_num11_p;
-extern const numeric &_num11;
 extern const ex _ex11;
 extern const numeric *_num12_p;
-extern const numeric &_num12;
 extern const ex _ex12;
 extern const numeric *_num15_p;
-extern const numeric &_num15;
 extern const ex _ex15;
 extern const numeric *_num18_p;
-extern const numeric &_num18;
 extern const ex _ex18;
 extern const numeric *_num20_p;
-extern const numeric &_num20;
 extern const ex _ex20;
 extern const numeric *_num24_p;
-extern const numeric &_num24;
 extern const ex _ex24;
 extern const numeric *_num25_p;
-extern const numeric &_num25;
 extern const ex _ex25;
 extern const numeric *_num30_p;
-extern const numeric &_num30;
 extern const ex _ex30;
 extern const numeric *_num48_p;
-extern const numeric &_num48;
 extern const ex _ex48;
 extern const numeric *_num60_p;
-extern const numeric &_num60;
 extern const ex _ex60;
 extern const numeric *_num120_p;
-extern const numeric &_num120;
 extern const ex _ex120;
 
 
 // Helper macros for class implementations (mostly useful for trivial classes)
 
-#define DEFAULT_COPY(classname) \
-void classname::copy(const classname & other) \
-{ \
-       inherited::copy(other); \
-}
-
-#define DEFAULT_DESTROY(classname) \
-void classname::destroy(bool call_parent) \
-{ \
-       if (call_parent) \
-               inherited::destroy(call_parent); \
-}
-
-#define DEFAULT_CTORS(classname) \
-classname::classname() : inherited(TINFO_##classname) {} \
-DEFAULT_COPY(classname) \
-DEFAULT_DESTROY(classname)
-
-#define DEFAULT_UNARCHIVE(classname) \
-ex classname::unarchive(const archive_node &n, const lst &sym_lst) \
-{ \
-       return (new classname(n, sym_lst))->setflag(status_flags::dynallocated); \
-}
-
-#define DEFAULT_ARCHIVING(classname) \
-classname::classname(const archive_node &n, const lst &sym_lst) : inherited(n, sym_lst) {} \
-DEFAULT_UNARCHIVE(classname) \
-void classname::archive(archive_node &n) const \
-{ \
-       inherited::archive(n); \
-}
+#define DEFAULT_CTOR(classname) \
+classname::classname() { setflag(status_flags::evaluated | status_flags::expanded); }
 
 #define DEFAULT_COMPARE(classname) \
 int classname::compare_same_type(const basic & other) const \
@@ -498,41 +564,18 @@ int classname::compare_same_type(const basic & other) const \
 }
 
 #define DEFAULT_PRINT(classname, text) \
-void classname::print(const print_context & c, unsigned level) const \
+void classname::do_print(const print_context & c, unsigned level) const \
 { \
-       if (is_a<print_tree>(c)) \
-               inherited::print(c, level); \
-       else \
-               c.s << text; \
+       c.s << text; \
 }
 
 #define DEFAULT_PRINT_LATEX(classname, text, latex) \
-void classname::print(const print_context & c, unsigned level) const \
+DEFAULT_PRINT(classname, text) \
+void classname::do_print_latex(const print_latex & c, unsigned level) const \
 { \
-       if (is_a<print_tree>(c)) \
-               inherited::print(c, level); \
-       else if (is_a<print_latex>(c)) \
-               c.s << latex; \
-       else \
-               c.s << text; \
+       c.s << latex; \
 }
 
-// Obsolete convenience macros.  TO BE PHASED OUT SOON!
-// Use the inlined template functions in basic.h instead.  (FIXME: remove them)
-
-#define is_of_type(OBJ,TYPE) \
-       (dynamic_cast<const TYPE *>(&OBJ)!=0)
-
-#define is_exactly_of_type(OBJ,TYPE) \
-       ((OBJ).tinfo()==GiNaC::TINFO_##TYPE)
-
-#define is_ex_of_type(OBJ,TYPE) \
-       (dynamic_cast<const TYPE *>((OBJ).bp)!=0)
-
-#define is_ex_exactly_of_type(OBJ,TYPE) \
-       ((*(OBJ).bp).tinfo()==GiNaC::TINFO_##TYPE)
-
 } // namespace GiNaC
 
-
-#endif // ndef __GINAC_UTILS_H__
+#endif // ndef GINAC_UTILS_H