solutions/src/bigint.rs

   1 use std::ops;
   2 use std::cmp;
   3 use std::fmt;
   4
   5 pub trait Minimum {
   6     /// Return the smaller of the two
   7     fn min<'a>(&'a self, other: &'a Self) -> &'a Self;
   8 }
   9
  10 /// Return a pointer to the minimal value of `v`.
  11 pub fn vec_min<T: Minimum>(v: &Vec<T>) -> Option<&T> {
  12     let mut min = None;
  13     for e in v {
  14         min = Some(match min {
  15             None => e,
  16             Some(n) => e.min(n)
  17         });
  18     }
  19     min
  20 }
  21
  22 pub struct BigInt {
  23     data: Vec<u64>, // least significant digits first. The last block will *not* be 0.
  24 }
  25
  26 // Add with carry, returning the sum and the carry
  27 fn overflowing_add(a: u64, b: u64, carry: bool) -> (u64, bool) {
  28     let sum = u64::wrapping_add(a, b);
  29     let carry_n = if carry { 1 } else { 0 };
  30     if sum >= a { // the first sum did not overflow
  31         let sum_total = u64::wrapping_add(sum, carry_n);
  32         let had_overflow = sum_total < sum;
  33         (sum_total, had_overflow)
  34     } else { // the first sum did overflow
  35         // it is impossible for this to overflow again, as we are just adding 0 or 1
  36         (sum + carry_n, true)
  37     }
  38 }
  39
  40 // Subtract with carry, returning the difference and the carry
  41 fn overflowing_sub(a: u64, b: u64, carry: bool) -> (u64, bool) {
  42     let diff = u64::wrapping_sub(a, b);
  43     let carry_n = if carry { 1 } else { 0 };
  44     if diff <= a { // the first diff did not wrap
  45         let diff_total = u64::wrapping_sub(diff, carry_n);
  46         let had_wrap = diff_total > diff;
  47         (diff_total, had_wrap)
  48     } else { // the first diff did wrap
  49         // it is impossible for this to wrap again, as we are just substracting 0 or 1
  50         (diff - carry_n, true)
  51     }
  52 }
  53
  54 impl BigInt {
  55     /// Construct a BigInt from a "small" one.
  56     pub fn new(x: u64) -> Self {
  57         if x == 0 { // take care of our invariant!
  58             BigInt { data: vec![] }
  59         } else {
  60             BigInt { data: vec![x] }
  61         }
  62     }
  63
  64     fn test_invariant(&self) -> bool {
  65         if self.data.len() == 0 {
  66             true
  67         } else {
  68             self.data[self.data.len() - 1] != 0
  69         }
  70     }
  71
  72     /// Construct a BigInt from a vector of 64-bit "digits", with the last significant digit being first. Solution to 05.1.
  73     pub fn from_vec(mut v: Vec<u64>) -> Self {
  74         // remove trailing zeros
  75         while v.len() > 0 && v[v.len()-1] == 0 {
  76             v.pop();
  77         }
  78         BigInt { data: v }
  79     }
  80
  81     /// Increments the number by 1.
  82     pub fn inc1(&mut self) {
  83         let mut idx = 0;
  84         // This loop adds "(1 << idx)". If there is no more carry, we leave.
  85         while idx < self.data.len() {
  86             let cur = self.data[idx];
  87             let sum = u64::wrapping_add(cur, 1);
  88             self.data[idx] = sum;
  89             if sum >= cur {
  90                 // No overflow, we are done.
  91                 return;
  92             } else {
  93                 // We need to go on.
  94                 idx += 1;
  95             }
  96         }
  97         // If we came here, there is a last carry to add
  98         self.data.push(1);
  99     }
 100
 101     /// Increments the number by "by".
 102     pub fn inc(&mut self, mut by: u64) {
 103         let mut idx = 0;
 104         // This loop adds "by * (1 << idx)". Think of "by" as the carry from incrementing the last digit.
 105         while idx < self.data.len() {
 106             let cur = self.data[idx];
 107             let sum = u64::wrapping_add(cur, by);
 108             self.data[idx] = sum;
 109             if sum >= cur {
 110                 // No overflow, we are done.
 111                 return;
 112             } else {
 113                 // We need to add a carry.
 114                 by = 1;
 115                 idx += 1;
 116             }
 117         }
 118         // If we came here, there is a last carry to add
 119         self.data.push(by);
 120     }
 121
 122     /// Return the nth power-of-2 as BigInt
 123     pub fn power_of_2(mut power: u64) -> BigInt {
 124         let mut v = Vec::new();
 125         while power >= 64 {
 126             v.push(0);
 127             power -= 64;
 128         }
 129         v.push(1 << power);
 130         BigInt::from_vec(v)
 131     }
 132 }
 133
 134 impl Clone for BigInt {
 135     fn clone(&self) -> Self {
 136         BigInt { data: self.data.clone() }
 137     }
 138 }
 139
 140 impl PartialEq for BigInt {
 141     fn eq(&self, other: &BigInt) -> bool {
 142         debug_assert!(self.test_invariant() && other.test_invariant());
 143         self.data == other.data
 144     }
 145 }
 146
 147 impl Minimum for BigInt {
 148     // This is essentially the solution to 06.1.
 149     fn min<'a>(&'a self, other: &'a Self) -> &'a Self {
 150         debug_assert!(self.test_invariant() && other.test_invariant());
 151         if self.data.len() < other.data.len() {
 152             self
 153         } else if self.data.len() > other.data.len() {
 154             other
 155         } else {
 156             // compare back-to-front, i.e., most significant digit first
 157             let mut idx = self.data.len()-1;
 158             while idx > 0 {
 159                 if self.data[idx] < other.data[idx] {
 160                     return self;
 161                 } else if self.data[idx] > other.data[idx] {
 162                     return other;
 163                 }
 164                 else {
 165                     idx = idx-1;
 166                 }
 167             }
 168             // the two are equal
 169             return self;
 170         }
 171     }
 172 }
 173
 174 impl fmt::Debug for BigInt {
 175     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
 176         self.data.fmt(f)
 177     }
 178 }
 179
 180 impl<'a, 'b> ops::Add<&'a BigInt> for &'b BigInt {
 181     type Output = BigInt;
 182     fn add(self, rhs: &'a BigInt) -> Self::Output {
 183         let max_len = cmp::max(self.data.len(), rhs.data.len());
 184         let mut result_vec:Vec<u64> = Vec::with_capacity(max_len);
 185         let mut carry:bool = false; // the carry bit
 186         for i in 0..max_len {
 187             // compute next digit and carry
 188             let lhs_val = if i < self.data.len() { self.data[i] } else { 0 };
 189             let rhs_val = if i < rhs.data.len() { rhs.data[i] } else { 0 };
 190             let (sum, new_carry) = overflowing_add(lhs_val, rhs_val, carry);
 191             // store them
 192             result_vec.push(sum);
 193             carry = new_carry;
 194         }
 195         if carry {
 196             result_vec.push(1);
 197         }
 198         // We know that the invariant holds: overflowing_add would only return (0, false) if
 199         // the arguments are (0, 0, false), but we know that in the last iteration, one od the two digits
 200         // is the last of its number and hence not 0.
 201         BigInt { data: result_vec }
 202     }
 203 }
 204
 205 impl<'a> ops::Add<BigInt> for &'a BigInt {
 206     type Output = BigInt;
 207     #[inline]
 208     fn add(self, rhs: BigInt) -> Self::Output {
 209         self + &rhs
 210     }
 211 }
 212
 213 impl<'a> ops::Add<&'a BigInt> for BigInt {
 214     type Output = BigInt;
 215     #[inline]
 216     fn add(self, rhs: &'a BigInt) -> Self::Output {
 217         &self + rhs
 218     }
 219 }
 220
 221 impl ops::Add<BigInt> for BigInt {
 222     type Output = BigInt;
 223     #[inline]
 224     fn add(self, rhs: BigInt) -> Self::Output {
 225         &self + &rhs
 226     }
 227 }
 228
 229 impl<'a, 'b> ops::Sub<&'a BigInt> for &'b BigInt {
 230     type Output = BigInt;
 231     fn sub(self, rhs: &'a BigInt) -> Self::Output {
 232         let max_len = cmp::max(self.data.len(), rhs.data.len());
 233         let mut result_vec:Vec<u64> = Vec::with_capacity(max_len);
 234         let mut carry:bool = false; // the carry bit
 235         for i in 0..max_len {
 236             // compute next digit and carry
 237             let lhs_val = if i < self.data.len() { self.data[i] } else { 0 };
 238             let rhs_val = if i < rhs.data.len() { rhs.data[i] } else { 0 };
 239             let (sum, new_carry) = overflowing_sub(lhs_val, rhs_val, carry);
 240             // store them
 241             result_vec.push(sum);
 242             carry = new_carry;
 243         }
 244         if carry {
 245             panic!("Wrapping subtraction of BigInt");
 246         }
 247         // We may have trailing zeroes, so get rid of them
 248         BigInt::from_vec(result_vec)
 249     }
 250 }
 251
 252 impl<'a> ops::Sub<BigInt> for &'a BigInt {
 253     type Output = BigInt;
 254     #[inline]
 255     fn sub(self, rhs: BigInt) -> Self::Output {
 256         self - &rhs
 257     }
 258 }
 259
 260 impl<'a> ops::Sub<&'a BigInt> for BigInt {
 261     type Output = BigInt;
 262     #[inline]
 263     fn sub(self, rhs: &'a BigInt) -> Self::Output {
 264         &self - rhs
 265     }
 266 }
 267
 268 impl ops::Sub<BigInt> for BigInt {
 269     type Output = BigInt;
 270     #[inline]
 271     fn sub(self, rhs: BigInt) -> Self::Output {
 272         &self - &rhs
 273     }
 274 }
 275
 276 #[cfg(test)]
 277 mod tests {
 278     use std::u64;
 279     use super::{overflowing_add,overflowing_sub,BigInt};
 280
 281     #[test]
 282     fn test_overflowing_add() {
 283         assert_eq!(overflowing_add(10, 100, false), (110, false));
 284         assert_eq!(overflowing_add(10, 100, true), (111, false));
 285         assert_eq!(overflowing_add(1 << 63, 1 << 63, false), (0, true));
 286         assert_eq!(overflowing_add(1 << 63, 1 << 63, true), (1, true));
 287         assert_eq!(overflowing_add(1 << 63, (1 << 63) -1 , true), (0, true));
 288     }
 289
 290     #[test]
 291     fn test_overflowing_sub() {
 292         assert_eq!(overflowing_sub(100, 10, false), (90, false));
 293         assert_eq!(overflowing_sub(100, 10, true), (89, false));
 294         assert_eq!(overflowing_sub(10, 1 << 63, false), ((1 << 63) + 10, true));
 295         assert_eq!(overflowing_sub(10, 1 << 63, true), ((1 << 63) + 9, true));
 296         assert_eq!(overflowing_sub(42, 42 , true), (u64::max_value(), true));
 297     }
 298
 299     #[test]
 300     fn test_add() {
 301         let b1 = BigInt::new(1 << 32);
 302         let b2 = BigInt::from_vec(vec![0, 1]);
 303         let b3 = BigInt::from_vec(vec![0, 0, 1]);
 304         let b4 = BigInt::new(1 << 63);
 305
 306         assert_eq!(&b1 + &b2, BigInt::from_vec(vec![1 << 32, 1]));
 307         assert_eq!(&b2 + &b1, BigInt::from_vec(vec![1 << 32, 1]));
 308         assert_eq!(&b2 + &b3, BigInt::from_vec(vec![0, 1, 1]));
 309         assert_eq!(&b2 + &b3 + &b4 + &b4, BigInt::from_vec(vec![0, 2, 1]));
 310         assert_eq!(&b2 + &b4 + &b3 + &b4, BigInt::from_vec(vec![0, 2, 1]));
 311         assert_eq!(&b4 + &b2 + &b3 + &b4, BigInt::from_vec(vec![0, 2, 1]));
 312     }
 313
 314     #[test]
 315     fn test_sub() {
 316         let b1 = BigInt::new(1 << 32);
 317         let b2 = BigInt::from_vec(vec![0, 1]);
 318         let b3 = BigInt::from_vec(vec![0, 0, 1]);
 319         let b4 = BigInt::new(1 << 63);
 320
 321         assert_eq!(&b2 - &b1, BigInt::from_vec(vec![u64::max_value() - (1 << 32) + 1]));
 322         assert_eq!(&b3 - &b2, BigInt::from_vec(vec![0, u64::max_value(), 0]));
 323         assert_eq!(&b2 - &b4 - &b4, BigInt::new(0));
 324         assert_eq!(&b3 - &b2 - &b4 - &b4, BigInt::from_vec(vec![0, u64::max_value() - 1]));
 325         assert_eq!(&b3 - &b4 - &b2 - &b4, BigInt::from_vec(vec![0, u64::max_value() - 1]));
 326         assert_eq!(&b3 - &b4 - &b4 - &b2, BigInt::from_vec(vec![0, u64::max_value() - 1]));
 327     }
 328
 329     #[test]
 330     #[should_panic(expected = "Wrapping subtraction of BigInt")]
 331     fn test_sub_panic1() {
 332         let _ = BigInt::new(1) - BigInt::new(5);
 333     }
 334
 335     #[test]
 336     #[should_panic(expected = "Wrapping subtraction of BigInt")]
 337     fn test_sub_panic2() {
 338         let _ = BigInt::from_vec(vec![5,8,3,33,1<<13,46,1<<49, 1, 583,1<<60,2533]) - BigInt::from_vec(vec![5,8,3,33,1<<13,46,1<<49, 5, 583,1<<60,2533]);
 339     }
 340
 341     #[test]
 342     fn test_inc1() {
 343         let mut b = BigInt::new(0);
 344         b.inc1();
 345         assert_eq!(b, BigInt::new(1));
 346         b.inc1();
 347         assert_eq!(b, BigInt::new(2));
 348
 349         b = BigInt::new(u64::MAX);
 350         b.inc1();
 351         assert_eq!(b, BigInt::from_vec(vec![0, 1]));
 352         b.inc1();
 353         assert_eq!(b, BigInt::from_vec(vec![1, 1]));
 354     }
 355
 356     #[test]
 357     fn test_power_of_2() {
 358         assert_eq!(BigInt::power_of_2(0), BigInt::new(1));
 359         assert_eq!(BigInt::power_of_2(13), BigInt::new(1 << 13));
 360         assert_eq!(BigInt::power_of_2(64), BigInt::from_vec(vec![0, 1]));
 361         assert_eq!(BigInt::power_of_2(96), BigInt::from_vec(vec![0, 1 << 32]));
 362         assert_eq!(BigInt::power_of_2(128), BigInt::from_vec(vec![0, 0, 1]));
 363     }
 364 }
 365
 366