]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/libcore/num/dec2flt/mod.rs
Auto merge of #57714 - matthewjasper:wellformed-unreachable, r=pnkfelix
[rust.git] / src / libcore / num / dec2flt / mod.rs
1 //! Converting decimal strings into IEEE 754 binary floating point numbers.
2 //!
3 //! # Problem statement
4 //!
5 //! We are given a decimal string such as `12.34e56`. This string consists of integral (`12`),
6 //! fractional (`45`), and exponent (`56`) parts. All parts are optional and interpreted as zero
7 //! when missing.
8 //!
9 //! We seek the IEEE 754 floating point number that is closest to the exact value of the decimal
10 //! string. It is well-known that many decimal strings do not have terminating representations in
11 //! base two, so we round to 0.5 units in the last place (in other words, as well as possible).
12 //! Ties, decimal values exactly half-way between two consecutive floats, are resolved with the
13 //! half-to-even strategy, also known as banker's rounding.
14 //!
15 //! Needless to say, this is quite hard, both in terms of implementation complexity and in terms
16 //! of CPU cycles taken.
17 //!
18 //! # Implementation
19 //!
20 //! First, we ignore signs. Or rather, we remove it at the very beginning of the conversion
21 //! process and re-apply it at the very end. This is correct in all edge cases since IEEE
22 //! floats are symmetric around zero, negating one simply flips the first bit.
23 //!
24 //! Then we remove the decimal point by adjusting the exponent: Conceptually, `12.34e56` turns
25 //! into `1234e54`, which we describe with a positive integer `f = 1234` and an integer `e = 54`.
26 //! The `(f, e)` representation is used by almost all code past the parsing stage.
27 //!
28 //! We then try a long chain of progressively more general and expensive special cases using
29 //! machine-sized integers and small, fixed-sized floating point numbers (first `f32`/`f64`, then
30 //! a type with 64 bit significand, `Fp`). When all these fail, we bite the bullet and resort to a
31 //! simple but very slow algorithm that involved computing `f * 10^e` fully and doing an iterative
32 //! search for the best approximation.
33 //!
34 //! Primarily, this module and its children implement the algorithms described in:
35 //! "How to Read Floating Point Numbers Accurately" by William D. Clinger,
36 //! available online: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.45.4152
37 //!
38 //! In addition, there are numerous helper functions that are used in the paper but not available
39 //! in Rust (or at least in core). Our version is additionally complicated by the need to handle
40 //! overflow and underflow and the desire to handle subnormal numbers.  Bellerophon and
41 //! Algorithm R have trouble with overflow, subnormals, and underflow. We conservatively switch to
42 //! Algorithm M (with the modifications described in section 8 of the paper) well before the
43 //! inputs get into the critical region.
44 //!
45 //! Another aspect that needs attention is the ``RawFloat`` trait by which almost all functions
46 //! are parametrized. One might think that it's enough to parse to `f64` and cast the result to
47 //! `f32`. Unfortunately this is not the world we live in, and this has nothing to do with using
48 //! base two or half-to-even rounding.
49 //!
50 //! Consider for example two types `d2` and `d4` representing a decimal type with two decimal
51 //! digits and four decimal digits each and take "0.01499" as input. Let's use half-up rounding.
52 //! Going directly to two decimal digits gives `0.01`, but if we round to four digits first,
53 //! we get `0.0150`, which is then rounded up to `0.02`. The same principle applies to other
54 //! operations as well, if you want 0.5 ULP accuracy you need to do *everything* in full precision
55 //! and round *exactly once, at the end*, by considering all truncated bits at once.
56 //!
57 //! FIXME Although some code duplication is necessary, perhaps parts of the code could be shuffled
58 //! around such that less code is duplicated. Large parts of the algorithms are independent of the
59 //! float type to output, or only needs access to a few constants, which could be passed in as
60 //! parameters.
61 //!
62 //! # Other
63 //!
64 //! The conversion should *never* panic. There are assertions and explicit panics in the code,
65 //! but they should never be triggered and only serve as internal sanity checks. Any panics should
66 //! be considered a bug.
67 //!
68 //! There are unit tests but they are woefully inadequate at ensuring correctness, they only cover
69 //! a small percentage of possible errors. Far more extensive tests are located in the directory
70 //! `src/etc/test-float-parse` as a Python script.
71 //!
72 //! A note on integer overflow: Many parts of this file perform arithmetic with the decimal
73 //! exponent `e`. Primarily, we shift the decimal point around: Before the first decimal digit,
74 //! after the last decimal digit, and so on. This could overflow if done carelessly. We rely on
75 //! the parsing submodule to only hand out sufficiently small exponents, where "sufficient" means
76 //! "such that the exponent +/- the number of decimal digits fits into a 64 bit integer".
77 //! Larger exponents are accepted, but we don't do arithmetic with them, they are immediately
78 //! turned into {positive,negative} {zero,infinity}.
79
80 #![doc(hidden)]
81 #![unstable(feature = "dec2flt",
82             reason = "internal routines only exposed for testing",
83             issue = "0")]
84
85 use fmt;
86 use str::FromStr;
87
88 use self::parse::{parse_decimal, Decimal, Sign, ParseResult};
89 use self::num::digits_to_big;
90 use self::rawfp::RawFloat;
91
92 mod algorithm;
93 mod table;
94 mod num;
95 // These two have their own tests.
96 pub mod rawfp;
97 pub mod parse;
98
99 macro_rules! from_str_float_impl {
100     ($t:ty) => {
101         #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
102         impl FromStr for $t {
103             type Err = ParseFloatError;
104
105             /// Converts a string in base 10 to a float.
106             /// Accepts an optional decimal exponent.
107             ///
108             /// This function accepts strings such as
109             ///
110             /// * '3.14'
111             /// * '-3.14'
112             /// * '2.5E10', or equivalently, '2.5e10'
113             /// * '2.5E-10'
114             /// * '5.'
115             /// * '.5', or, equivalently, '0.5'
116             /// * 'inf', '-inf', 'NaN'
117             ///
118             /// Leading and trailing whitespace represent an error.
119             ///
120             /// # Grammar
121             ///
122             /// All strings that adhere to the following [EBNF] grammar
123             /// will result in an [`Ok`] being returned:
124             ///
125             /// ```txt
126             /// Float  ::= Sign? ( 'inf' | 'NaN' | Number )
127             /// Number ::= ( Digit+ |
128             ///              Digit+ '.' Digit* |
129             ///              Digit* '.' Digit+ ) Exp?
130             /// Exp    ::= [eE] Sign? Digit+
131             /// Sign   ::= [+-]
132             /// Digit  ::= [0-9]
133             /// ```
134             ///
135             /// [EBNF]: https://www.w3.org/TR/REC-xml/#sec-notation
136             ///
137             /// # Known bugs
138             ///
139             /// In some situations, some strings that should create a valid float
140             /// instead return an error. See [issue #31407] for details.
141             ///
142             /// [issue #31407]: https://github.com/rust-lang/rust/issues/31407
143             ///
144             /// # Arguments
145             ///
146             /// * src - A string
147             ///
148             /// # Return value
149             ///
150             /// `Err(ParseFloatError)` if the string did not represent a valid
151             /// number.  Otherwise, `Ok(n)` where `n` is the floating-point
152             /// number represented by `src`.
153             #[inline]
154             fn from_str(src: &str) -> Result<Self, ParseFloatError> {
155                 dec2flt(src)
156             }
157         }
158     }
159 }
160 from_str_float_impl!(f32);
161 from_str_float_impl!(f64);
162
163 /// An error which can be returned when parsing a float.
164 ///
165 /// This error is used as the error type for the [`FromStr`] implementation
166 /// for [`f32`] and [`f64`].
167 ///
168 /// [`FromStr`]: ../str/trait.FromStr.html
169 /// [`f32`]: ../../std/primitive.f32.html
170 /// [`f64`]: ../../std/primitive.f64.html
171 #[derive(Debug, Clone, PartialEq, Eq)]
172 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
173 pub struct ParseFloatError {
174     kind: FloatErrorKind
175 }
176
177 #[derive(Debug, Clone, PartialEq, Eq)]
178 enum FloatErrorKind {
179     Empty,
180     Invalid,
181 }
182
183 impl ParseFloatError {
184     #[unstable(feature = "int_error_internals",
185                reason = "available through Error trait and this method should \
186                          not be exposed publicly",
187                issue = "0")]
188     #[doc(hidden)]
189     pub fn __description(&self) -> &str {
190         match self.kind {
191             FloatErrorKind::Empty => "cannot parse float from empty string",
192             FloatErrorKind::Invalid => "invalid float literal",
193         }
194     }
195 }
196
197 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
198 impl fmt::Display for ParseFloatError {
199     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
200         self.__description().fmt(f)
201     }
202 }
203
204 fn pfe_empty() -> ParseFloatError {
205     ParseFloatError { kind: FloatErrorKind::Empty }
206 }
207
208 fn pfe_invalid() -> ParseFloatError {
209     ParseFloatError { kind: FloatErrorKind::Invalid }
210 }
211
212 /// Split decimal string into sign and the rest, without inspecting or validating the rest.
213 fn extract_sign(s: &str) -> (Sign, &str) {
214     match s.as_bytes()[0] {
215         b'+' => (Sign::Positive, &s[1..]),
216         b'-' => (Sign::Negative, &s[1..]),
217         // If the string is invalid, we never use the sign, so we don't need to validate here.
218         _ => (Sign::Positive, s),
219     }
220 }
221
222 /// Convert a decimal string into a floating point number.
223 fn dec2flt<T: RawFloat>(s: &str) -> Result<T, ParseFloatError> {
224     if s.is_empty() {
225         return Err(pfe_empty())
226     }
227     let (sign, s) = extract_sign(s);
228     let flt = match parse_decimal(s) {
229         ParseResult::Valid(decimal) => convert(decimal)?,
230         ParseResult::ShortcutToInf => T::INFINITY,
231         ParseResult::ShortcutToZero => T::ZERO,
232         ParseResult::Invalid => match s {
233             "inf" => T::INFINITY,
234             "NaN" => T::NAN,
235             _ => { return Err(pfe_invalid()); }
236         }
237     };
238
239     match sign {
240         Sign::Positive => Ok(flt),
241         Sign::Negative => Ok(-flt),
242     }
243 }
244
245 /// The main workhorse for the decimal-to-float conversion: Orchestrate all the preprocessing
246 /// and figure out which algorithm should do the actual conversion.
247 fn convert<T: RawFloat>(mut decimal: Decimal) -> Result<T, ParseFloatError> {
248     simplify(&mut decimal);
249     if let Some(x) = trivial_cases(&decimal) {
250         return Ok(x);
251     }
252     // Remove/shift out the decimal point.
253     let e = decimal.exp - decimal.fractional.len() as i64;
254     if let Some(x) = algorithm::fast_path(decimal.integral, decimal.fractional, e) {
255         return Ok(x);
256     }
257     // Big32x40 is limited to 1280 bits, which translates to about 385 decimal digits.
258     // If we exceed this, we'll crash, so we error out before getting too close (within 10^10).
259     let upper_bound = bound_intermediate_digits(&decimal, e);
260     if upper_bound > 375 {
261         return Err(pfe_invalid());
262     }
263     let f = digits_to_big(decimal.integral, decimal.fractional);
264
265     // Now the exponent certainly fits in 16 bit, which is used throughout the main algorithms.
266     let e = e as i16;
267     // FIXME These bounds are rather conservative. A more careful analysis of the failure modes
268     // of Bellerophon could allow using it in more cases for a massive speed up.
269     let exponent_in_range = table::MIN_E <= e && e <= table::MAX_E;
270     let value_in_range = upper_bound <= T::MAX_NORMAL_DIGITS as u64;
271     if exponent_in_range && value_in_range {
272         Ok(algorithm::bellerophon(&f, e))
273     } else {
274         Ok(algorithm::algorithm_m(&f, e))
275     }
276 }
277
278 // As written, this optimizes badly (see #27130, though it refers to an old version of the code).
279 // `inline(always)` is a workaround for that. There are only two call sites overall and it doesn't
280 // make code size worse.
281
282 /// Strip zeros where possible, even when this requires changing the exponent
283 #[inline(always)]
284 fn simplify(decimal: &mut Decimal) {
285     let is_zero = &|&&d: &&u8| -> bool { d == b'0' };
286     // Trimming these zeros does not change anything but may enable the fast path (< 15 digits).
287     let leading_zeros = decimal.integral.iter().take_while(is_zero).count();
288     decimal.integral = &decimal.integral[leading_zeros..];
289     let trailing_zeros = decimal.fractional.iter().rev().take_while(is_zero).count();
290     let end = decimal.fractional.len() - trailing_zeros;
291     decimal.fractional = &decimal.fractional[..end];
292     // Simplify numbers of the form 0.0...x and x...0.0, adjusting the exponent accordingly.
293     // This may not always be a win (possibly pushes some numbers out of the fast path), but it
294     // simplifies other parts significantly (notably, approximating the magnitude of the value).
295     if decimal.integral.is_empty() {
296         let leading_zeros = decimal.fractional.iter().take_while(is_zero).count();
297         decimal.fractional = &decimal.fractional[leading_zeros..];
298         decimal.exp -= leading_zeros as i64;
299     } else if decimal.fractional.is_empty() {
300         let trailing_zeros = decimal.integral.iter().rev().take_while(is_zero).count();
301         let end = decimal.integral.len() - trailing_zeros;
302         decimal.integral = &decimal.integral[..end];
303         decimal.exp += trailing_zeros as i64;
304     }
305 }
306
307 /// Quick and dirty upper bound on the size (log10) of the largest value that Algorithm R and
308 /// Algorithm M will compute while working on the given decimal.
309 fn bound_intermediate_digits(decimal: &Decimal, e: i64) -> u64 {
310     // We don't need to worry too much about overflow here thanks to trivial_cases() and the
311     // parser, which filter out the most extreme inputs for us.
312     let f_len: u64 = decimal.integral.len() as u64 + decimal.fractional.len() as u64;
313     if e >= 0 {
314         // In the case e >= 0, both algorithms compute about `f * 10^e`. Algorithm R proceeds to
315         // do some complicated calculations with this but we can ignore that for the upper bound
316         // because it also reduces the fraction beforehand, so we have plenty of buffer there.
317         f_len + (e as u64)
318     } else {
319         // If e < 0, Algorithm R does roughly the same thing, but Algorithm M differs:
320         // It tries to find a positive number k such that `f << k / 10^e` is an in-range
321         // significand. This will result in about `2^53 * f * 10^e` < `10^17 * f * 10^e`.
322         // One input that triggers this is 0.33...33 (375 x 3).
323         f_len + (e.abs() as u64) + 17
324     }
325 }
326
327 /// Detect obvious overflows and underflows without even looking at the decimal digits.
328 fn trivial_cases<T: RawFloat>(decimal: &Decimal) -> Option<T> {
329     // There were zeros but they were stripped by simplify()
330     if decimal.integral.is_empty() && decimal.fractional.is_empty() {
331         return Some(T::ZERO);
332     }
333     // This is a crude approximation of ceil(log10(the real value)). We don't need to worry too
334     // much about overflow here because the input length is tiny (at least compared to 2^64) and
335     // the parser already handles exponents whose absolute value is greater than 10^18
336     // (which is still 10^19 short of 2^64).
337     let max_place = decimal.exp + decimal.integral.len() as i64;
338     if max_place > T::INF_CUTOFF {
339         return Some(T::INFINITY);
340     } else if max_place < T::ZERO_CUTOFF {
341         return Some(T::ZERO);
342     }
343     None
344 }