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Rollup merge of #27934 - MatejLach:spacing_fix, r=steveklabnik
[rust.git] / src / libcore / num / dec2flt / mod.rs
1 // Copyright 2015 The Rust Project Developers. See the COPYRIGHT
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6 // http://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0> or the MIT license
7 // <LICENSE-MIT or http://opensource.org/licenses/MIT>, at your
8 // option. This file may not be copied, modified, or distributed
9 // except according to those terms.
10
11 //! Converting decimal strings into IEEE 754 binary floating point numbers.
12 //!
13 //! # Problem statement
14 //!
15 //! We are given a decimal string such as `12.34e56`. This string consists of integral (`12`),
16 //! fractional (`45`), and exponent (`56`) parts. All parts are optional and interpreted as zero
17 //! when missing.
18 //!
19 //! We seek the IEEE 754 floating point number that is closest to the exact value of the decimal
20 //! string. It is well-known that many decimal strings do not have terminating representations in
21 //! base two, so we round to 0.5 units in the last place (in other words, as well as possible).
22 //! Ties, decimal values exactly half-way between two consecutive floats, are resolved with the
23 //! half-to-even strategy, also known as banker's rounding.
24 //!
25 //! Needless to say, this is quite hard, both in terms of implementation complexity and in terms
26 //! of CPU cycles taken.
27 //!
28 //! # Implementation
29 //!
30 //! First, we ignore signs. Or rather, we remove it at the very beginning of the conversion
31 //! process and re-apply it at the very end. This is correct in all edge cases since IEEE
32 //! floats are symmetric around zero, negating one simply flips the first bit.
33 //!
34 //! Then we remove the decimal point by adjusting the exponent: Conceptually, `12.34e56` turns
35 //! into `1234e54`, which we describe with a positive integer `f = 1234` and an integer `e = 54`.
36 //! The `(f, e)` representation is used by almost all code past the parsing stage.
37 //!
38 //! We then try a long chain of progressively more general and expensive special cases using
39 //! machine-sized integers and small, fixed-sized floating point numbers (first `f32`/`f64`, then
40 //! a type with 64 bit significand, `Fp`). When all these fail, we bite the bullet and resort to a
41 //! simple but very slow algorithm that involved computing `f * 10^e` fully and doing an iterative
42 //! search for the best approximation.
43 //!
44 //! Primarily, this module and its children implement the algorithms described in:
45 //! "How to Read Floating Point Numbers Accurately" by William D. Clinger,
46 //! available online: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/summary?doi=10.1.1.45.4152
47 //!
48 //! In addition, there are numerous helper functions that are used in the paper but not available
49 //! in Rust (or at least in core). Our version is additionally complicated by the need to handle
50 //! overflow and underflow and the desire to handle subnormal numbers.  Bellerophon and
51 //! Algorithm R have trouble with overflow, subnormals, and underflow. We conservatively switch to
52 //! Algorithm M (with the modifications described in section 8 of the paper) well before the
53 //! inputs get into the critical region.
54 //!
55 //! Another aspect that needs attention is the ``RawFloat`` trait by which almost all functions
56 //! are parametrized. One might think that it's enough to parse to `f64` and cast the result to
57 //! `f32`. Unfortunately this is not the world we live in, and this has nothing to do with using
58 //! base two or half-to-even rounding.
59 //!
60 //! Consider for example two types `d2` and `d4` representing a decimal type with two decimal
61 //! digits and four decimal digits each and take "0.01499" as input. Let's use half-up rounding.
62 //! Going directly to two decimal digits gives `0.01`, but if we round to four digits first,
63 //! we get `0.0150`, which is then rounded up to `0.02`. The same principle applies to other
64 //! operations as well, if you want 0.5 ULP accuracy you need to do *everything* in full precision
65 //! and round *exactly once, at the end*, by considering all truncated bits at once.
66 //!
67 //! FIXME Although some code duplication is necessary, perhaps parts of the code could be shuffled
68 //! around such that less code is duplicated. Large parts of the algorithms are independent of the
69 //! float type to output, or only needs access to a few constants, which could be passed in as
70 //! parameters.
71 //!
72 //! # Other
73 //!
74 //! The conversion should *never* panic. There are assertions and explicit panics in the code,
75 //! but they should never be triggered and only serve as internal sanity checks. Any panics should
76 //! be considered a bug.
77 //!
78 //! There are unit tests but they are woefully inadequate at ensuring correctness, they only cover
79 //! a small percentage of possible errors. Far more extensive tests are located in the directory
80 //! `src/etc/test-float-parse` as a Python script.
81 //!
82 //! A note on integer overflow: Many parts of this file perform arithmetic with the decimal
83 //! exponent `e`. Primarily, we shift the decimal point around: Before the first decimal digit,
84 //! after the last decimal digit, and so on. This could overflow if done carelessly. We rely on
85 //! the parsing submodule to only hand out sufficiently small exponents, where "sufficient" means
86 //! "such that the exponent +/- the number of decimal digits fits into a 64 bit integer".
87 //! Larger exponents are accepted, but we don't do arithmetic with them, they are immediately
88 //! turned into {positive,negative} {zero,infinity}.
89 //!
90 //! FIXME: this uses several things from core::num::flt2dec, which is nonsense. Those things
91 //! should be moved into core::num::<something else>.
92
93 #![doc(hidden)]
94 #![unstable(feature = "dec2flt",
95             reason = "internal routines only exposed for testing",
96             issue = "0")]
97
98 use prelude::v1::*;
99 use fmt;
100 use str::FromStr;
101
102 use self::parse::{parse_decimal, Decimal, Sign};
103 use self::parse::ParseResult::{self, Valid, ShortcutToInf, ShortcutToZero};
104 use self::num::digits_to_big;
105 use self::rawfp::RawFloat;
106
107 mod algorithm;
108 mod table;
109 mod num;
110 // These two have their own tests.
111 pub mod rawfp;
112 pub mod parse;
113
114 macro_rules! from_str_float_impl {
115     ($t:ty, $func:ident) => {
116         #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
117         impl FromStr for $t {
118             type Err = ParseFloatError;
119
120             /// Converts a string in base 10 to a float.
121             /// Accepts an optional decimal exponent.
122             ///
123             /// This function accepts strings such as
124             ///
125             /// * '3.14'
126             /// * '-3.14'
127             /// * '2.5E10', or equivalently, '2.5e10'
128             /// * '2.5E-10'
129             /// * '.' (understood as 0)
130             /// * '5.'
131             /// * '.5', or, equivalently,  '0.5'
132             /// * 'inf', '-inf', 'NaN'
133             ///
134             /// Leading and trailing whitespace represent an error.
135             ///
136             /// # Arguments
137             ///
138             /// * src - A string
139             ///
140             /// # Return value
141             ///
142             /// `Err(ParseFloatError)` if the string did not represent a valid
143             /// number.  Otherwise, `Ok(n)` where `n` is the floating-point
144             /// number represented by `src`.
145             #[inline]
146             fn from_str(src: &str) -> Result<Self, ParseFloatError> {
147                 dec2flt(src)
148             }
149         }
150     }
151 }
152 from_str_float_impl!(f32, to_f32);
153 from_str_float_impl!(f64, to_f64);
154
155 /// An error which can be returned when parsing a float.
156 #[derive(Debug, Clone, PartialEq)]
157 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
158 pub struct ParseFloatError {
159     kind: FloatErrorKind
160 }
161
162 #[derive(Debug, Clone, PartialEq)]
163 enum FloatErrorKind {
164     Empty,
165     Invalid,
166 }
167
168 impl ParseFloatError {
169     #[unstable(feature = "int_error_internals",
170                reason = "available through Error trait and this method should \
171                          not be exposed publicly",
172                issue = "0")]
173     #[doc(hidden)]
174     pub fn __description(&self) -> &str {
175         match self.kind {
176             FloatErrorKind::Empty => "cannot parse float from empty string",
177             FloatErrorKind::Invalid => "invalid float literal",
178         }
179     }
180 }
181
182 #[stable(feature = "rust1", since = "1.0.0")]
183 impl fmt::Display for ParseFloatError {
184     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter) -> fmt::Result {
185         self.__description().fmt(f)
186     }
187 }
188
189 pub fn pfe_empty() -> ParseFloatError {
190     ParseFloatError { kind: FloatErrorKind::Empty }
191 }
192
193 pub fn pfe_invalid() -> ParseFloatError {
194     ParseFloatError { kind: FloatErrorKind::Invalid }
195 }
196
197 /// Split decimal string into sign and the rest, without inspecting or validating the rest.
198 fn extract_sign(s: &str) -> (Sign, &str) {
199     match s.as_bytes()[0] {
200         b'+' => (Sign::Positive, &s[1..]),
201         b'-' => (Sign::Negative, &s[1..]),
202         // If the string is invalid, we never use the sign, so we don't need to validate here.
203         _ => (Sign::Positive, s),
204     }
205 }
206
207 /// Convert a decimal string into a floating point number.
208 fn dec2flt<T: RawFloat>(s: &str) -> Result<T, ParseFloatError> {
209     if s.is_empty() {
210         return Err(pfe_empty())
211     }
212     let (sign, s) = extract_sign(s);
213     let flt = match parse_decimal(s) {
214         Valid(decimal) => try!(convert(decimal)),
215         ShortcutToInf => T::infinity(),
216         ShortcutToZero => T::zero(),
217         ParseResult::Invalid => match s {
218             "inf" => T::infinity(),
219             "NaN" => T::nan(),
220             _ => { return Err(pfe_invalid()); }
221         }
222     };
223
224     match sign {
225         Sign::Positive => Ok(flt),
226         Sign::Negative => Ok(-flt),
227     }
228 }
229
230 /// The main workhorse for the decimal-to-float conversion: Orchestrate all the preprocessing
231 /// and figure out which algorithm should do the actual conversion.
232 fn convert<T: RawFloat>(mut decimal: Decimal) -> Result<T, ParseFloatError> {
233     simplify(&mut decimal);
234     if let Some(x) = trivial_cases(&decimal) {
235         return Ok(x);
236     }
237     // AlgorithmM and AlgorithmR both compute approximately `f * 10^e`.
238     let max_digits = decimal.integral.len() + decimal.fractional.len() +
239                      decimal.exp.abs() as usize;
240     // Remove/shift out the decimal point.
241     let e = decimal.exp - decimal.fractional.len() as i64;
242     if let Some(x) = algorithm::fast_path(decimal.integral, decimal.fractional, e) {
243         return Ok(x);
244     }
245     // Big32x40 is limited to 1280 bits, which translates to about 385 decimal digits.
246     // If we exceed this, perhaps while calculating `f * 10^e` in Algorithm R or Algorithm M,
247     // we'll crash. So we error out before getting too close, with a generous safety margin.
248     if max_digits > 375 {
249         return Err(pfe_invalid());
250     }
251     let f = digits_to_big(decimal.integral, decimal.fractional);
252
253     // Now the exponent certainly fits in 16 bit, which is used throughout the main algorithms.
254     let e = e as i16;
255     // FIXME These bounds are rather conservative. A more careful analysis of the failure modes
256     // of Bellerophon could allow using it in more cases for a massive speed up.
257     let exponent_in_range = table::MIN_E <= e && e <= table::MAX_E;
258     let value_in_range = max_digits <= T::max_normal_digits();
259     if exponent_in_range && value_in_range {
260         Ok(algorithm::bellerophon(&f, e))
261     } else {
262         Ok(algorithm::algorithm_m(&f, e))
263     }
264 }
265
266 // As written, this optimizes badly (see #27130, though it refers to an old version of the code).
267 // `inline(always)` is a workaround for that. There are only two call sites overall and it doesn't
268 // make code size worse.
269
270 /// Strip zeros where possible, even when this requires changing the exponent
271 #[inline(always)]
272 fn simplify(decimal: &mut Decimal) {
273     let is_zero = &|&&d: &&u8| -> bool { d == b'0' };
274     // Trimming these zeros does not change anything but may enable the fast path (< 15 digits).
275     let leading_zeros = decimal.integral.iter().take_while(is_zero).count();
276     decimal.integral = &decimal.integral[leading_zeros..];
277     let trailing_zeros = decimal.fractional.iter().rev().take_while(is_zero).count();
278     let end = decimal.fractional.len() - trailing_zeros;
279     decimal.fractional = &decimal.fractional[..end];
280     // Simplify numbers of the form 0.0...x and x...0.0, adjusting the exponent accordingly.
281     // This may not always be a win (possibly pushes some numbers out of the fast path), but it
282     // simplifies other parts significantly (notably, approximating the magnitude of the value).
283     if decimal.integral.is_empty() {
284         let leading_zeros = decimal.fractional.iter().take_while(is_zero).count();
285         decimal.fractional = &decimal.fractional[leading_zeros..];
286         decimal.exp -= leading_zeros as i64;
287     } else if decimal.fractional.is_empty() {
288         let trailing_zeros = decimal.integral.iter().rev().take_while(is_zero).count();
289         let end = decimal.integral.len() - trailing_zeros;
290         decimal.integral = &decimal.integral[..end];
291         decimal.exp += trailing_zeros as i64;
292     }
293 }
294
295 /// Detect obvious overflows and underflows without even looking at the decimal digits.
296 fn trivial_cases<T: RawFloat>(decimal: &Decimal) -> Option<T> {
297     // There were zeros but they were stripped by simplify()
298     if decimal.integral.is_empty() && decimal.fractional.is_empty() {
299         return Some(T::zero());
300     }
301     // This is a crude approximation of ceil(log10(the real value)).
302     let max_place = decimal.exp + decimal.integral.len() as i64;
303     if max_place > T::inf_cutoff() {
304         return Some(T::infinity());
305     } else if max_place < T::zero_cutoff() {
306         return Some(T::zero());
307     }
308     None
309 }