]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/librand/lib.rs
Auto merge of #29291 - petrochenkov:privacy, r=alexcrichton
[rust.git] / src / librand / lib.rs
1 // Copyright 2013-2014 The Rust Project Developers. See the COPYRIGHT
2 // file at the top-level directory of this distribution and at
3 // http://rust-lang.org/COPYRIGHT.
4 //
5 // Licensed under the Apache License, Version 2.0 <LICENSE-APACHE or
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 //! Interface to random number generators in Rust.
12 //!
13 //! This is an experimental library which lives underneath the standard library
14 //! in its dependency chain. This library is intended to define the interface
15 //! for random number generation and also provide utilities around doing so. It
16 //! is not recommended to use this library directly, but rather the official
17 //! interface through `std::rand`.
18
19 // Do not remove on snapshot creation. Needed for bootstrap. (Issue #22364)
20 #![cfg_attr(stage0, feature(custom_attribute))]
21 #![crate_name = "rand"]
22 #![crate_type = "rlib"]
23 #![doc(html_logo_url = "https://www.rust-lang.org/logos/rust-logo-128x128-blk.png",
24        html_favicon_url = "https://doc.rust-lang.org/favicon.ico",
25        html_root_url = "https://doc.rust-lang.org/nightly/",
26        html_playground_url = "https://play.rust-lang.org/")]
27 #![no_std]
28 #![staged_api]
29 #![unstable(feature = "rand",
30             reason = "use `rand` from crates.io",
31             issue = "27703")]
32 #![feature(core_float)]
33 #![feature(core_intrinsics)]
34 #![feature(core_slice_ext)]
35 #![feature(no_std)]
36 #![feature(num_bits_bytes)]
37 #![feature(staged_api)]
38 #![feature(step_by)]
39 #![feature(custom_attribute)]
40 #![allow(unused_attributes)]
41
42 #![cfg_attr(test, feature(test, rand, rustc_private, iter_order_deprecated))]
43
44 #![allow(deprecated)]
45
46 #[cfg(test)]
47 #[macro_use]
48 extern crate std;
49 #[cfg(test)]
50 #[macro_use]
51 extern crate log;
52
53 use core::f64;
54 use core::intrinsics;
55 use core::marker::PhantomData;
56
57 pub use isaac::{IsaacRng, Isaac64Rng};
58 pub use chacha::ChaChaRng;
59
60 use distributions::{Range, IndependentSample};
61 use distributions::range::SampleRange;
62
63 #[cfg(test)]
64 const RAND_BENCH_N: u64 = 100;
65
66 pub mod distributions;
67 pub mod isaac;
68 pub mod chacha;
69 pub mod reseeding;
70 mod rand_impls;
71
72 // Temporary trait to implement a few floating-point routines
73 // needed by librand; this is necessary because librand doesn't
74 // depend on libstd.  This will go away when librand is integrated
75 // into libstd.
76 trait FloatMath : Sized {
77     fn exp(self) -> Self;
78     fn ln(self) -> Self;
79     fn sqrt(self) -> Self;
80     fn powf(self, n: Self) -> Self;
81 }
82
83 impl FloatMath for f64 {
84     #[inline]
85     fn exp(self) -> f64 {
86         unsafe { intrinsics::expf64(self) }
87     }
88
89     #[inline]
90     fn ln(self) -> f64 {
91         unsafe { intrinsics::logf64(self) }
92     }
93
94     #[inline]
95     fn powf(self, n: f64) -> f64 {
96         unsafe { intrinsics::powf64(self, n) }
97     }
98
99     #[inline]
100     fn sqrt(self) -> f64 {
101         if self < 0.0 {
102             f64::NAN
103         } else {
104             unsafe { intrinsics::sqrtf64(self) }
105         }
106     }
107 }
108
109 /// A type that can be randomly generated using an `Rng`.
110 #[doc(hidden)]
111 pub trait Rand : Sized {
112     /// Generates a random instance of this type using the specified source of
113     /// randomness.
114     fn rand<R: Rng>(rng: &mut R) -> Self;
115 }
116
117 /// A random number generator.
118 pub trait Rng : Sized {
119     /// Return the next random u32.
120     ///
121     /// This rarely needs to be called directly, prefer `r.gen()` to
122     /// `r.next_u32()`.
123     // FIXME #7771: Should be implemented in terms of next_u64
124     fn next_u32(&mut self) -> u32;
125
126     /// Return the next random u64.
127     ///
128     /// By default this is implemented in terms of `next_u32`. An
129     /// implementation of this trait must provide at least one of
130     /// these two methods. Similarly to `next_u32`, this rarely needs
131     /// to be called directly, prefer `r.gen()` to `r.next_u64()`.
132     fn next_u64(&mut self) -> u64 {
133         ((self.next_u32() as u64) << 32) | (self.next_u32() as u64)
134     }
135
136     /// Return the next random f32 selected from the half-open
137     /// interval `[0, 1)`.
138     ///
139     /// By default this is implemented in terms of `next_u32`, but a
140     /// random number generator which can generate numbers satisfying
141     /// the requirements directly can overload this for performance.
142     /// It is required that the return value lies in `[0, 1)`.
143     ///
144     /// See `Closed01` for the closed interval `[0,1]`, and
145     /// `Open01` for the open interval `(0,1)`.
146     fn next_f32(&mut self) -> f32 {
147         const MANTISSA_BITS: usize = 24;
148         const IGNORED_BITS: usize = 8;
149         const SCALE: f32 = (1u64 << MANTISSA_BITS) as f32;
150
151         // using any more than `MANTISSA_BITS` bits will
152         // cause (e.g.) 0xffff_ffff to correspond to 1
153         // exactly, so we need to drop some (8 for f32, 11
154         // for f64) to guarantee the open end.
155         (self.next_u32() >> IGNORED_BITS) as f32 / SCALE
156     }
157
158     /// Return the next random f64 selected from the half-open
159     /// interval `[0, 1)`.
160     ///
161     /// By default this is implemented in terms of `next_u64`, but a
162     /// random number generator which can generate numbers satisfying
163     /// the requirements directly can overload this for performance.
164     /// It is required that the return value lies in `[0, 1)`.
165     ///
166     /// See `Closed01` for the closed interval `[0,1]`, and
167     /// `Open01` for the open interval `(0,1)`.
168     fn next_f64(&mut self) -> f64 {
169         const MANTISSA_BITS: usize = 53;
170         const IGNORED_BITS: usize = 11;
171         const SCALE: f64 = (1u64 << MANTISSA_BITS) as f64;
172
173         (self.next_u64() >> IGNORED_BITS) as f64 / SCALE
174     }
175
176     /// Fill `dest` with random data.
177     ///
178     /// This has a default implementation in terms of `next_u64` and
179     /// `next_u32`, but should be overridden by implementations that
180     /// offer a more efficient solution than just calling those
181     /// methods repeatedly.
182     ///
183     /// This method does *not* have a requirement to bear any fixed
184     /// relationship to the other methods, for example, it does *not*
185     /// have to result in the same output as progressively filling
186     /// `dest` with `self.gen::<u8>()`, and any such behaviour should
187     /// not be relied upon.
188     ///
189     /// This method should guarantee that `dest` is entirely filled
190     /// with new data, and may panic if this is impossible
191     /// (e.g. reading past the end of a file that is being used as the
192     /// source of randomness).
193     fn fill_bytes(&mut self, dest: &mut [u8]) {
194         // this could, in theory, be done by transmuting dest to a
195         // [u64], but this is (1) likely to be undefined behaviour for
196         // LLVM, (2) has to be very careful about alignment concerns,
197         // (3) adds more `unsafe` that needs to be checked, (4)
198         // probably doesn't give much performance gain if
199         // optimisations are on.
200         let mut count = 0;
201         let mut num = 0;
202         for byte in dest {
203             if count == 0 {
204                 // we could micro-optimise here by generating a u32 if
205                 // we only need a few more bytes to fill the vector
206                 // (i.e. at most 4).
207                 num = self.next_u64();
208                 count = 8;
209             }
210
211             *byte = (num & 0xff) as u8;
212             num >>= 8;
213             count -= 1;
214         }
215     }
216
217     /// Return a random value of a `Rand` type.
218     #[inline(always)]
219     fn gen<T: Rand>(&mut self) -> T {
220         Rand::rand(self)
221     }
222
223     /// Return an iterator that will yield an infinite number of randomly
224     /// generated items.
225     fn gen_iter<'a, T: Rand>(&'a mut self) -> Generator<'a, T, Self> {
226         Generator {
227             rng: self,
228             _marker: PhantomData,
229         }
230     }
231
232     /// Generate a random value in the range [`low`, `high`).
233     ///
234     /// This is a convenience wrapper around
235     /// `distributions::Range`. If this function will be called
236     /// repeatedly with the same arguments, one should use `Range`, as
237     /// that will amortize the computations that allow for perfect
238     /// uniformity, as they only happen on initialization.
239     ///
240     /// # Panics
241     ///
242     /// Panics if `low >= high`.
243     fn gen_range<T: PartialOrd + SampleRange>(&mut self, low: T, high: T) -> T {
244         assert!(low < high, "Rng.gen_range called with low >= high");
245         Range::new(low, high).ind_sample(self)
246     }
247
248     /// Return a bool with a 1 in n chance of true
249     fn gen_weighted_bool(&mut self, n: usize) -> bool {
250         n <= 1 || self.gen_range(0, n) == 0
251     }
252
253     /// Return an iterator of random characters from the set A-Z,a-z,0-9.
254     fn gen_ascii_chars<'a>(&'a mut self) -> AsciiGenerator<'a, Self> {
255         AsciiGenerator { rng: self }
256     }
257
258     /// Return a random element from `values`.
259     ///
260     /// Return `None` if `values` is empty.
261     fn choose<'a, T>(&mut self, values: &'a [T]) -> Option<&'a T> {
262         if values.is_empty() {
263             None
264         } else {
265             Some(&values[self.gen_range(0, values.len())])
266         }
267     }
268
269     /// Shuffle a mutable slice in place.
270     fn shuffle<T>(&mut self, values: &mut [T]) {
271         let mut i = values.len();
272         while i >= 2 {
273             // invariant: elements with index >= i have been locked in place.
274             i -= 1;
275             // lock element i in place.
276             values.swap(i, self.gen_range(0, i + 1));
277         }
278     }
279 }
280
281 /// Iterator which will generate a stream of random items.
282 ///
283 /// This iterator is created via the `gen_iter` method on `Rng`.
284 pub struct Generator<'a, T, R: 'a> {
285     rng: &'a mut R,
286     _marker: PhantomData<T>,
287 }
288
289 impl<'a, T: Rand, R: Rng> Iterator for Generator<'a, T, R> {
290     type Item = T;
291
292     fn next(&mut self) -> Option<T> {
293         Some(self.rng.gen())
294     }
295 }
296
297 /// Iterator which will continuously generate random ascii characters.
298 ///
299 /// This iterator is created via the `gen_ascii_chars` method on `Rng`.
300 pub struct AsciiGenerator<'a, R: 'a> {
301     rng: &'a mut R,
302 }
303
304 impl<'a, R: Rng> Iterator for AsciiGenerator<'a, R> {
305     type Item = char;
306
307     fn next(&mut self) -> Option<char> {
308         const GEN_ASCII_STR_CHARSET: &'static [u8] =
309             b"ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ\
310               abcdefghijklmnopqrstuvwxyz\
311               0123456789";
312         Some(*self.rng.choose(GEN_ASCII_STR_CHARSET).unwrap() as char)
313     }
314 }
315
316 /// A random number generator that can be explicitly seeded to produce
317 /// the same stream of randomness multiple times.
318 pub trait SeedableRng<Seed>: Rng {
319     /// Reseed an RNG with the given seed.
320     fn reseed(&mut self, Seed);
321
322     /// Create a new RNG with the given seed.
323     fn from_seed(seed: Seed) -> Self;
324 }
325
326 /// An Xorshift[1] random number
327 /// generator.
328 ///
329 /// The Xorshift algorithm is not suitable for cryptographic purposes
330 /// but is very fast. If you do not know for sure that it fits your
331 /// requirements, use a more secure one such as `IsaacRng` or `OsRng`.
332 ///
333 /// [1]: Marsaglia, George (July 2003). ["Xorshift
334 /// RNGs"](http://www.jstatsoft.org/v08/i14/paper). *Journal of
335 /// Statistical Software*. Vol. 8 (Issue 14).
336 #[derive(Clone)]
337 pub struct XorShiftRng {
338     x: u32,
339     y: u32,
340     z: u32,
341     w: u32,
342 }
343
344 impl XorShiftRng {
345     /// Creates a new XorShiftRng instance which is not seeded.
346     ///
347     /// The initial values of this RNG are constants, so all generators created
348     /// by this function will yield the same stream of random numbers. It is
349     /// highly recommended that this is created through `SeedableRng` instead of
350     /// this function
351     pub fn new_unseeded() -> XorShiftRng {
352         XorShiftRng {
353             x: 0x193a6754,
354             y: 0xa8a7d469,
355             z: 0x97830e05,
356             w: 0x113ba7bb,
357         }
358     }
359 }
360
361 impl Rng for XorShiftRng {
362     #[inline]
363     fn next_u32(&mut self) -> u32 {
364         let x = self.x;
365         let t = x ^ (x << 11);
366         self.x = self.y;
367         self.y = self.z;
368         self.z = self.w;
369         let w = self.w;
370         self.w = w ^ (w >> 19) ^ (t ^ (t >> 8));
371         self.w
372     }
373 }
374
375 impl SeedableRng<[u32; 4]> for XorShiftRng {
376     /// Reseed an XorShiftRng. This will panic if `seed` is entirely 0.
377     fn reseed(&mut self, seed: [u32; 4]) {
378         assert!(!seed.iter().all(|&x| x == 0),
379                 "XorShiftRng.reseed called with an all zero seed.");
380
381         self.x = seed[0];
382         self.y = seed[1];
383         self.z = seed[2];
384         self.w = seed[3];
385     }
386
387     /// Create a new XorShiftRng. This will panic if `seed` is entirely 0.
388     fn from_seed(seed: [u32; 4]) -> XorShiftRng {
389         assert!(!seed.iter().all(|&x| x == 0),
390                 "XorShiftRng::from_seed called with an all zero seed.");
391
392         XorShiftRng {
393             x: seed[0],
394             y: seed[1],
395             z: seed[2],
396             w: seed[3],
397         }
398     }
399 }
400
401 impl Rand for XorShiftRng {
402     fn rand<R: Rng>(rng: &mut R) -> XorShiftRng {
403         let mut tuple: (u32, u32, u32, u32) = rng.gen();
404         while tuple == (0, 0, 0, 0) {
405             tuple = rng.gen();
406         }
407         let (x, y, z, w) = tuple;
408         XorShiftRng {
409             x: x,
410             y: y,
411             z: z,
412             w: w,
413         }
414     }
415 }
416
417 /// A wrapper for generating floating point numbers uniformly in the
418 /// open interval `(0,1)` (not including either endpoint).
419 ///
420 /// Use `Closed01` for the closed interval `[0,1]`, and the default
421 /// `Rand` implementation for `f32` and `f64` for the half-open
422 /// `[0,1)`.
423 pub struct Open01<F>(pub F);
424
425 /// A wrapper for generating floating point numbers uniformly in the
426 /// closed interval `[0,1]` (including both endpoints).
427 ///
428 /// Use `Open01` for the closed interval `(0,1)`, and the default
429 /// `Rand` implementation of `f32` and `f64` for the half-open
430 /// `[0,1)`.
431 pub struct Closed01<F>(pub F);
432
433 #[cfg(test)]
434 mod test {
435     use std::__rand as rand;
436
437     pub struct MyRng<R> {
438         inner: R,
439     }
440
441     impl<R: rand::Rng> ::Rng for MyRng<R> {
442         fn next_u32(&mut self) -> u32 {
443             rand::Rng::next_u32(&mut self.inner)
444         }
445     }
446
447     pub fn rng() -> MyRng<rand::ThreadRng> {
448         MyRng { inner: rand::thread_rng() }
449     }
450
451     pub fn weak_rng() -> MyRng<rand::ThreadRng> {
452         MyRng { inner: rand::thread_rng() }
453     }
454 }