]> git.lizzy.rs Git - rust.git/blob - src/librustc_apfloat/ieee.rs
Provide a better diagnostic if ninja isn't installed
[rust.git] / src / librustc_apfloat / ieee.rs
1 use crate::{Category, ExpInt, IEK_INF, IEK_NAN, IEK_ZERO};
2 use crate::{Float, FloatConvert, ParseError, Round, Status, StatusAnd};
3
4 use core::cmp::{self, Ordering};
5 use core::convert::TryFrom;
6 use core::fmt::{self, Write};
7 use core::marker::PhantomData;
8 use core::mem;
9 use core::ops::Neg;
10 use smallvec::{smallvec, SmallVec};
11
12 #[must_use]
13 pub struct IeeeFloat<S> {
14     /// Absolute significand value (including the integer bit).
15     sig: [Limb; 1],
16
17     /// The signed unbiased exponent of the value.
18     exp: ExpInt,
19
20     /// What kind of floating point number this is.
21     category: Category,
22
23     /// Sign bit of the number.
24     sign: bool,
25
26     marker: PhantomData<S>,
27 }
28
29 /// Fundamental unit of big integer arithmetic, but also
30 /// large to store the largest significands by itself.
31 type Limb = u128;
32 const LIMB_BITS: usize = 128;
33 fn limbs_for_bits(bits: usize) -> usize {
34     (bits + LIMB_BITS - 1) / LIMB_BITS
35 }
36
37 /// Enum that represents what fraction of the LSB truncated bits of an fp number
38 /// represent.
39 ///
40 /// This essentially combines the roles of guard and sticky bits.
41 #[must_use]
42 #[derive(Copy, Clone, PartialEq, Eq, Debug)]
43 enum Loss {
44     // Example of truncated bits:
45     ExactlyZero,  // 000000
46     LessThanHalf, // 0xxxxx  x's not all zero
47     ExactlyHalf,  // 100000
48     MoreThanHalf, // 1xxxxx  x's not all zero
49 }
50
51 /// Represents floating point arithmetic semantics.
52 pub trait Semantics: Sized {
53     /// Total number of bits in the in-memory format.
54     const BITS: usize;
55
56     /// Number of bits in the significand. This includes the integer bit.
57     const PRECISION: usize;
58
59     /// The largest E such that 2<sup>E</sup> is representable; this matches the
60     /// definition of IEEE 754.
61     const MAX_EXP: ExpInt;
62
63     /// The smallest E such that 2<sup>E</sup> is a normalized number; this
64     /// matches the definition of IEEE 754.
65     const MIN_EXP: ExpInt = -Self::MAX_EXP + 1;
66
67     /// The significand bit that marks NaN as quiet.
68     const QNAN_BIT: usize = Self::PRECISION - 2;
69
70     /// The significand bitpattern to mark a NaN as quiet.
71     /// NOTE: for X87DoubleExtended we need to set two bits instead of 2.
72     const QNAN_SIGNIFICAND: Limb = 1 << Self::QNAN_BIT;
73
74     fn from_bits(bits: u128) -> IeeeFloat<Self> {
75         assert!(Self::BITS > Self::PRECISION);
76
77         let sign = bits & (1 << (Self::BITS - 1));
78         let exponent = (bits & !sign) >> (Self::PRECISION - 1);
79         let mut r = IeeeFloat {
80             sig: [bits & ((1 << (Self::PRECISION - 1)) - 1)],
81             // Convert the exponent from its bias representation to a signed integer.
82             exp: (exponent as ExpInt) - Self::MAX_EXP,
83             category: Category::Zero,
84             sign: sign != 0,
85             marker: PhantomData,
86         };
87
88         if r.exp == Self::MIN_EXP - 1 && r.sig == [0] {
89             // Exponent, significand meaningless.
90             r.category = Category::Zero;
91         } else if r.exp == Self::MAX_EXP + 1 && r.sig == [0] {
92             // Exponent, significand meaningless.
93             r.category = Category::Infinity;
94         } else if r.exp == Self::MAX_EXP + 1 && r.sig != [0] {
95             // Sign, exponent, significand meaningless.
96             r.category = Category::NaN;
97         } else {
98             r.category = Category::Normal;
99             if r.exp == Self::MIN_EXP - 1 {
100                 // Denormal.
101                 r.exp = Self::MIN_EXP;
102             } else {
103                 // Set integer bit.
104                 sig::set_bit(&mut r.sig, Self::PRECISION - 1);
105             }
106         }
107
108         r
109     }
110
111     fn to_bits(x: IeeeFloat<Self>) -> u128 {
112         assert!(Self::BITS > Self::PRECISION);
113
114         // Split integer bit from significand.
115         let integer_bit = sig::get_bit(&x.sig, Self::PRECISION - 1);
116         let mut significand = x.sig[0] & ((1 << (Self::PRECISION - 1)) - 1);
117         let exponent = match x.category {
118             Category::Normal => {
119                 if x.exp == Self::MIN_EXP && !integer_bit {
120                     // Denormal.
121                     Self::MIN_EXP - 1
122                 } else {
123                     x.exp
124                 }
125             }
126             Category::Zero => {
127                 // FIXME(eddyb) Maybe we should guarantee an invariant instead?
128                 significand = 0;
129                 Self::MIN_EXP - 1
130             }
131             Category::Infinity => {
132                 // FIXME(eddyb) Maybe we should guarantee an invariant instead?
133                 significand = 0;
134                 Self::MAX_EXP + 1
135             }
136             Category::NaN => Self::MAX_EXP + 1,
137         };
138
139         // Convert the exponent from a signed integer to its bias representation.
140         let exponent = (exponent + Self::MAX_EXP) as u128;
141
142         ((x.sign as u128) << (Self::BITS - 1)) | (exponent << (Self::PRECISION - 1)) | significand
143     }
144 }
145
146 impl<S> Copy for IeeeFloat<S> {}
147 impl<S> Clone for IeeeFloat<S> {
148     fn clone(&self) -> Self {
149         *self
150     }
151 }
152
153 macro_rules! ieee_semantics {
154     ($($name:ident = $sem:ident($bits:tt : $exp_bits:tt)),*) => {
155         $(pub struct $sem;)*
156         $(pub type $name = IeeeFloat<$sem>;)*
157         $(impl Semantics for $sem {
158             const BITS: usize = $bits;
159             const PRECISION: usize = ($bits - 1 - $exp_bits) + 1;
160             const MAX_EXP: ExpInt = (1 << ($exp_bits - 1)) - 1;
161         })*
162     }
163 }
164
165 ieee_semantics! {
166     Half = HalfS(16:5),
167     Single = SingleS(32:8),
168     Double = DoubleS(64:11),
169     Quad = QuadS(128:15)
170 }
171
172 pub struct X87DoubleExtendedS;
173 pub type X87DoubleExtended = IeeeFloat<X87DoubleExtendedS>;
174 impl Semantics for X87DoubleExtendedS {
175     const BITS: usize = 80;
176     const PRECISION: usize = 64;
177     const MAX_EXP: ExpInt = (1 << (15 - 1)) - 1;
178
179     /// For x87 extended precision, we want to make a NaN, not a
180     /// pseudo-NaN. Maybe we should expose the ability to make
181     /// pseudo-NaNs?
182     const QNAN_SIGNIFICAND: Limb = 0b11 << Self::QNAN_BIT;
183
184     /// Integer bit is explicit in this format. Intel hardware (387 and later)
185     /// does not support these bit patterns:
186     ///  exponent = all 1's, integer bit 0, significand 0 ("pseudoinfinity")
187     ///  exponent = all 1's, integer bit 0, significand nonzero ("pseudoNaN")
188     ///  exponent = 0, integer bit 1 ("pseudodenormal")
189     ///  exponent != 0 nor all 1's, integer bit 0 ("unnormal")
190     /// At the moment, the first two are treated as NaNs, the second two as Normal.
191     fn from_bits(bits: u128) -> IeeeFloat<Self> {
192         let sign = bits & (1 << (Self::BITS - 1));
193         let exponent = (bits & !sign) >> Self::PRECISION;
194         let mut r = IeeeFloat {
195             sig: [bits & ((1 << (Self::PRECISION - 1)) - 1)],
196             // Convert the exponent from its bias representation to a signed integer.
197             exp: (exponent as ExpInt) - Self::MAX_EXP,
198             category: Category::Zero,
199             sign: sign != 0,
200             marker: PhantomData,
201         };
202
203         if r.exp == Self::MIN_EXP - 1 && r.sig == [0] {
204             // Exponent, significand meaningless.
205             r.category = Category::Zero;
206         } else if r.exp == Self::MAX_EXP + 1 && r.sig == [1 << (Self::PRECISION - 1)] {
207             // Exponent, significand meaningless.
208             r.category = Category::Infinity;
209         } else if r.exp == Self::MAX_EXP + 1 && r.sig != [1 << (Self::PRECISION - 1)] {
210             // Sign, exponent, significand meaningless.
211             r.category = Category::NaN;
212         } else {
213             r.category = Category::Normal;
214             if r.exp == Self::MIN_EXP - 1 {
215                 // Denormal.
216                 r.exp = Self::MIN_EXP;
217             }
218         }
219
220         r
221     }
222
223     fn to_bits(x: IeeeFloat<Self>) -> u128 {
224         // Get integer bit from significand.
225         let integer_bit = sig::get_bit(&x.sig, Self::PRECISION - 1);
226         let mut significand = x.sig[0] & ((1 << Self::PRECISION) - 1);
227         let exponent = match x.category {
228             Category::Normal => {
229                 if x.exp == Self::MIN_EXP && !integer_bit {
230                     // Denormal.
231                     Self::MIN_EXP - 1
232                 } else {
233                     x.exp
234                 }
235             }
236             Category::Zero => {
237                 // FIXME(eddyb) Maybe we should guarantee an invariant instead?
238                 significand = 0;
239                 Self::MIN_EXP - 1
240             }
241             Category::Infinity => {
242                 // FIXME(eddyb) Maybe we should guarantee an invariant instead?
243                 significand = 1 << (Self::PRECISION - 1);
244                 Self::MAX_EXP + 1
245             }
246             Category::NaN => Self::MAX_EXP + 1,
247         };
248
249         // Convert the exponent from a signed integer to its bias representation.
250         let exponent = (exponent + Self::MAX_EXP) as u128;
251
252         ((x.sign as u128) << (Self::BITS - 1)) | (exponent << Self::PRECISION) | significand
253     }
254 }
255
256 float_common_impls!(IeeeFloat<S>);
257
258 impl<S: Semantics> PartialEq for IeeeFloat<S> {
259     fn eq(&self, rhs: &Self) -> bool {
260         self.partial_cmp(rhs) == Some(Ordering::Equal)
261     }
262 }
263
264 impl<S: Semantics> PartialOrd for IeeeFloat<S> {
265     fn partial_cmp(&self, rhs: &Self) -> Option<Ordering> {
266         match (self.category, rhs.category) {
267             (Category::NaN, _) | (_, Category::NaN) => None,
268
269             (Category::Infinity, Category::Infinity) => Some((!self.sign).cmp(&(!rhs.sign))),
270
271             (Category::Zero, Category::Zero) => Some(Ordering::Equal),
272
273             (Category::Infinity, _) | (Category::Normal, Category::Zero) => {
274                 Some((!self.sign).cmp(&self.sign))
275             }
276
277             (_, Category::Infinity) | (Category::Zero, Category::Normal) => {
278                 Some(rhs.sign.cmp(&(!rhs.sign)))
279             }
280
281             (Category::Normal, Category::Normal) => {
282                 // Two normal numbers. Do they have the same sign?
283                 Some((!self.sign).cmp(&(!rhs.sign)).then_with(|| {
284                     // Compare absolute values; invert result if negative.
285                     let result = self.cmp_abs_normal(*rhs);
286
287                     if self.sign { result.reverse() } else { result }
288                 }))
289             }
290         }
291     }
292 }
293
294 impl<S> Neg for IeeeFloat<S> {
295     type Output = Self;
296     fn neg(mut self) -> Self {
297         self.sign = !self.sign;
298         self
299     }
300 }
301
302 /// Prints this value as a decimal string.
303 ///
304 /// \param precision The maximum number of digits of
305 ///   precision to output. If there are fewer digits available,
306 ///   zero padding will not be used unless the value is
307 ///   integral and small enough to be expressed in
308 ///   precision digits. 0 means to use the natural
309 ///   precision of the number.
310 /// \param width The maximum number of zeros to
311 ///   consider inserting before falling back to scientific
312 ///   notation. 0 means to always use scientific notation.
313 ///
314 /// \param alternate Indicate whether to remove the trailing zero in
315 ///   fraction part or not. Also setting this parameter to true forces
316 ///   producing of output more similar to default printf behavior.
317 ///   Specifically the lower e is used as exponent delimiter and exponent
318 ///   always contains no less than two digits.
319 ///
320 /// Number       precision    width      Result
321 /// ------       ---------    -----      ------
322 /// 1.01E+4              5        2       10100
323 /// 1.01E+4              4        2       1.01E+4
324 /// 1.01E+4              5        1       1.01E+4
325 /// 1.01E-2              5        2       0.0101
326 /// 1.01E-2              4        2       0.0101
327 /// 1.01E-2              4        1       1.01E-2
328 impl<S: Semantics> fmt::Display for IeeeFloat<S> {
329     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
330         let width = f.width().unwrap_or(3);
331         let alternate = f.alternate();
332
333         match self.category {
334             Category::Infinity => {
335                 if self.sign {
336                     return f.write_str("-Inf");
337                 } else {
338                     return f.write_str("+Inf");
339                 }
340             }
341
342             Category::NaN => return f.write_str("NaN"),
343
344             Category::Zero => {
345                 if self.sign {
346                     f.write_char('-')?;
347                 }
348
349                 if width == 0 {
350                     if alternate {
351                         f.write_str("0.0")?;
352                         if let Some(n) = f.precision() {
353                             for _ in 1..n {
354                                 f.write_char('0')?;
355                             }
356                         }
357                         f.write_str("e+00")?;
358                     } else {
359                         f.write_str("0.0E+0")?;
360                     }
361                 } else {
362                     f.write_char('0')?;
363                 }
364                 return Ok(());
365             }
366
367             Category::Normal => {}
368         }
369
370         if self.sign {
371             f.write_char('-')?;
372         }
373
374         // We use enough digits so the number can be round-tripped back to an
375         // APFloat. The formula comes from "How to Print Floating-Point Numbers
376         // Accurately" by Steele and White.
377         // FIXME: Using a formula based purely on the precision is conservative;
378         // we can print fewer digits depending on the actual value being printed.
379
380         // precision = 2 + floor(S::PRECISION / lg_2(10))
381         let precision = f.precision().unwrap_or(2 + S::PRECISION * 59 / 196);
382
383         // Decompose the number into an APInt and an exponent.
384         let mut exp = self.exp - (S::PRECISION as ExpInt - 1);
385         let mut sig = vec![self.sig[0]];
386
387         // Ignore trailing binary zeros.
388         let trailing_zeros = sig[0].trailing_zeros();
389         let _: Loss = sig::shift_right(&mut sig, &mut exp, trailing_zeros as usize);
390
391         // Change the exponent from 2^e to 10^e.
392         if exp == 0 {
393             // Nothing to do.
394         } else if exp > 0 {
395             // Just shift left.
396             let shift = exp as usize;
397             sig.resize(limbs_for_bits(S::PRECISION + shift), 0);
398             sig::shift_left(&mut sig, &mut exp, shift);
399         } else {
400             // exp < 0
401             let mut texp = -exp as usize;
402
403             // We transform this using the identity:
404             //   (N)(2^-e) == (N)(5^e)(10^-e)
405
406             // Multiply significand by 5^e.
407             //   N * 5^0101 == N * 5^(1*1) * 5^(0*2) * 5^(1*4) * 5^(0*8)
408             let mut sig_scratch = vec![];
409             let mut p5 = vec![];
410             let mut p5_scratch = vec![];
411             while texp != 0 {
412                 if p5.is_empty() {
413                     p5.push(5);
414                 } else {
415                     p5_scratch.resize(p5.len() * 2, 0);
416                     let _: Loss =
417                         sig::mul(&mut p5_scratch, &mut 0, &p5, &p5, p5.len() * 2 * LIMB_BITS);
418                     while p5_scratch.last() == Some(&0) {
419                         p5_scratch.pop();
420                     }
421                     mem::swap(&mut p5, &mut p5_scratch);
422                 }
423                 if texp & 1 != 0 {
424                     sig_scratch.resize(sig.len() + p5.len(), 0);
425                     let _: Loss = sig::mul(
426                         &mut sig_scratch,
427                         &mut 0,
428                         &sig,
429                         &p5,
430                         (sig.len() + p5.len()) * LIMB_BITS,
431                     );
432                     while sig_scratch.last() == Some(&0) {
433                         sig_scratch.pop();
434                     }
435                     mem::swap(&mut sig, &mut sig_scratch);
436                 }
437                 texp >>= 1;
438             }
439         }
440
441         // Fill the buffer.
442         let mut buffer = vec![];
443
444         // Ignore digits from the significand until it is no more
445         // precise than is required for the desired precision.
446         // 196/59 is a very slight overestimate of lg_2(10).
447         let required = (precision * 196 + 58) / 59;
448         let mut discard_digits = sig::omsb(&sig).saturating_sub(required) * 59 / 196;
449         let mut in_trail = true;
450         while !sig.is_empty() {
451             // Perform short division by 10 to extract the rightmost digit.
452             // rem <- sig % 10
453             // sig <- sig / 10
454             let mut rem = 0;
455
456             // Use 64-bit division and remainder, with 32-bit chunks from sig.
457             sig::each_chunk(&mut sig, 32, |chunk| {
458                 let chunk = chunk as u32;
459                 let combined = ((rem as u64) << 32) | (chunk as u64);
460                 rem = (combined % 10) as u8;
461                 (combined / 10) as u32 as Limb
462             });
463
464             // Reduce the sigificand to avoid wasting time dividing 0's.
465             while sig.last() == Some(&0) {
466                 sig.pop();
467             }
468
469             let digit = rem;
470
471             // Ignore digits we don't need.
472             if discard_digits > 0 {
473                 discard_digits -= 1;
474                 exp += 1;
475                 continue;
476             }
477
478             // Drop trailing zeros.
479             if in_trail && digit == 0 {
480                 exp += 1;
481             } else {
482                 in_trail = false;
483                 buffer.push(b'0' + digit);
484             }
485         }
486
487         assert!(!buffer.is_empty(), "no characters in buffer!");
488
489         // Drop down to precision.
490         // FIXME: don't do more precise calculations above than are required.
491         if buffer.len() > precision {
492             // The most significant figures are the last ones in the buffer.
493             let mut first_sig = buffer.len() - precision;
494
495             // Round.
496             // FIXME: this probably shouldn't use 'round half up'.
497
498             // Rounding down is just a truncation, except we also want to drop
499             // trailing zeros from the new result.
500             if buffer[first_sig - 1] < b'5' {
501                 while first_sig < buffer.len() && buffer[first_sig] == b'0' {
502                     first_sig += 1;
503                 }
504             } else {
505                 // Rounding up requires a decimal add-with-carry. If we continue
506                 // the carry, the newly-introduced zeros will just be truncated.
507                 for x in &mut buffer[first_sig..] {
508                     if *x == b'9' {
509                         first_sig += 1;
510                     } else {
511                         *x += 1;
512                         break;
513                     }
514                 }
515             }
516
517             exp += first_sig as ExpInt;
518             buffer.drain(..first_sig);
519
520             // If we carried through, we have exactly one digit of precision.
521             if buffer.is_empty() {
522                 buffer.push(b'1');
523             }
524         }
525
526         let digits = buffer.len();
527
528         // Check whether we should use scientific notation.
529         let scientific = if width == 0 {
530             true
531         } else if exp >= 0 {
532             // 765e3 --> 765000
533             //              ^^^
534             // But we shouldn't make the number look more precise than it is.
535             exp as usize > width || digits + exp as usize > precision
536         } else {
537             // Power of the most significant digit.
538             let msd = exp + (digits - 1) as ExpInt;
539             if msd >= 0 {
540                 // 765e-2 == 7.65
541                 false
542             } else {
543                 // 765e-5 == 0.00765
544                 //           ^ ^^
545                 -msd as usize > width
546             }
547         };
548
549         // Scientific formatting is pretty straightforward.
550         if scientific {
551             exp += digits as ExpInt - 1;
552
553             f.write_char(buffer[digits - 1] as char)?;
554             f.write_char('.')?;
555             let truncate_zero = !alternate;
556             if digits == 1 && truncate_zero {
557                 f.write_char('0')?;
558             } else {
559                 for &d in buffer[..digits - 1].iter().rev() {
560                     f.write_char(d as char)?;
561                 }
562             }
563             // Fill with zeros up to precision.
564             if !truncate_zero && precision > digits - 1 {
565                 for _ in 0..=precision - digits {
566                     f.write_char('0')?;
567                 }
568             }
569             // For alternate we use lower 'e'.
570             f.write_char(if alternate { 'e' } else { 'E' })?;
571
572             // Exponent always at least two digits if we do not truncate zeros.
573             if truncate_zero {
574                 write!(f, "{:+}", exp)?;
575             } else {
576                 write!(f, "{:+03}", exp)?;
577             }
578
579             return Ok(());
580         }
581
582         // Non-scientific, positive exponents.
583         if exp >= 0 {
584             for &d in buffer.iter().rev() {
585                 f.write_char(d as char)?;
586             }
587             for _ in 0..exp {
588                 f.write_char('0')?;
589             }
590             return Ok(());
591         }
592
593         // Non-scientific, negative exponents.
594         let unit_place = -exp as usize;
595         if unit_place < digits {
596             for &d in buffer[unit_place..].iter().rev() {
597                 f.write_char(d as char)?;
598             }
599             f.write_char('.')?;
600             for &d in buffer[..unit_place].iter().rev() {
601                 f.write_char(d as char)?;
602             }
603         } else {
604             f.write_str("0.")?;
605             for _ in digits..unit_place {
606                 f.write_char('0')?;
607             }
608             for &d in buffer.iter().rev() {
609                 f.write_char(d as char)?;
610             }
611         }
612
613         Ok(())
614     }
615 }
616
617 impl<S: Semantics> fmt::Debug for IeeeFloat<S> {
618     fn fmt(&self, f: &mut fmt::Formatter<'_>) -> fmt::Result {
619         write!(
620             f,
621             "{}({:?} | {}{:?} * 2^{})",
622             self,
623             self.category,
624             if self.sign { "-" } else { "+" },
625             self.sig,
626             self.exp
627         )
628     }
629 }
630
631 impl<S: Semantics> Float for IeeeFloat<S> {
632     const BITS: usize = S::BITS;
633     const PRECISION: usize = S::PRECISION;
634     const MAX_EXP: ExpInt = S::MAX_EXP;
635     const MIN_EXP: ExpInt = S::MIN_EXP;
636
637     const ZERO: Self = IeeeFloat {
638         sig: [0],
639         exp: S::MIN_EXP - 1,
640         category: Category::Zero,
641         sign: false,
642         marker: PhantomData,
643     };
644
645     const INFINITY: Self = IeeeFloat {
646         sig: [0],
647         exp: S::MAX_EXP + 1,
648         category: Category::Infinity,
649         sign: false,
650         marker: PhantomData,
651     };
652
653     // FIXME(eddyb) remove when qnan becomes const fn.
654     const NAN: Self = IeeeFloat {
655         sig: [S::QNAN_SIGNIFICAND],
656         exp: S::MAX_EXP + 1,
657         category: Category::NaN,
658         sign: false,
659         marker: PhantomData,
660     };
661
662     fn qnan(payload: Option<u128>) -> Self {
663         IeeeFloat {
664             sig: [S::QNAN_SIGNIFICAND
665                 | payload.map_or(0, |payload| {
666                     // Zero out the excess bits of the significand.
667                     payload & ((1 << S::QNAN_BIT) - 1)
668                 })],
669             exp: S::MAX_EXP + 1,
670             category: Category::NaN,
671             sign: false,
672             marker: PhantomData,
673         }
674     }
675
676     fn snan(payload: Option<u128>) -> Self {
677         let mut snan = Self::qnan(payload);
678
679         // We always have to clear the QNaN bit to make it an SNaN.
680         sig::clear_bit(&mut snan.sig, S::QNAN_BIT);
681
682         // If there are no bits set in the payload, we have to set
683         // *something* to make it a NaN instead of an infinity;
684         // conventionally, this is the next bit down from the QNaN bit.
685         if snan.sig[0] & !S::QNAN_SIGNIFICAND == 0 {
686             sig::set_bit(&mut snan.sig, S::QNAN_BIT - 1);
687         }
688
689         snan
690     }
691
692     fn largest() -> Self {
693         // We want (in interchange format):
694         //   exponent = 1..10
695         //   significand = 1..1
696         IeeeFloat {
697             sig: [(1 << S::PRECISION) - 1],
698             exp: S::MAX_EXP,
699             category: Category::Normal,
700             sign: false,
701             marker: PhantomData,
702         }
703     }
704
705     // We want (in interchange format):
706     //   exponent = 0..0
707     //   significand = 0..01
708     const SMALLEST: Self = IeeeFloat {
709         sig: [1],
710         exp: S::MIN_EXP,
711         category: Category::Normal,
712         sign: false,
713         marker: PhantomData,
714     };
715
716     fn smallest_normalized() -> Self {
717         // We want (in interchange format):
718         //   exponent = 0..0
719         //   significand = 10..0
720         IeeeFloat {
721             sig: [1 << (S::PRECISION - 1)],
722             exp: S::MIN_EXP,
723             category: Category::Normal,
724             sign: false,
725             marker: PhantomData,
726         }
727     }
728
729     fn add_r(mut self, rhs: Self, round: Round) -> StatusAnd<Self> {
730         let status = match (self.category, rhs.category) {
731             (Category::Infinity, Category::Infinity) => {
732                 // Differently signed infinities can only be validly
733                 // subtracted.
734                 if self.sign != rhs.sign {
735                     self = Self::NAN;
736                     Status::INVALID_OP
737                 } else {
738                     Status::OK
739                 }
740             }
741
742             // Sign may depend on rounding mode; handled below.
743             (_, Category::Zero) | (Category::NaN, _) | (Category::Infinity, Category::Normal) => {
744                 Status::OK
745             }
746
747             (Category::Zero, _) | (_, Category::NaN | Category::Infinity) => {
748                 self = rhs;
749                 Status::OK
750             }
751
752             // This return code means it was not a simple case.
753             (Category::Normal, Category::Normal) => {
754                 let loss = sig::add_or_sub(
755                     &mut self.sig,
756                     &mut self.exp,
757                     &mut self.sign,
758                     &mut [rhs.sig[0]],
759                     rhs.exp,
760                     rhs.sign,
761                 );
762                 let status;
763                 self = unpack!(status=, self.normalize(round, loss));
764
765                 // Can only be zero if we lost no fraction.
766                 assert!(self.category != Category::Zero || loss == Loss::ExactlyZero);
767
768                 status
769             }
770         };
771
772         // If two numbers add (exactly) to zero, IEEE 754 decrees it is a
773         // positive zero unless rounding to minus infinity, except that
774         // adding two like-signed zeroes gives that zero.
775         if self.category == Category::Zero
776             && (rhs.category != Category::Zero || self.sign != rhs.sign)
777         {
778             self.sign = round == Round::TowardNegative;
779         }
780
781         status.and(self)
782     }
783
784     fn mul_r(mut self, rhs: Self, round: Round) -> StatusAnd<Self> {
785         self.sign ^= rhs.sign;
786
787         match (self.category, rhs.category) {
788             (Category::NaN, _) => {
789                 self.sign = false;
790                 Status::OK.and(self)
791             }
792
793             (_, Category::NaN) => {
794                 self.sign = false;
795                 self.category = Category::NaN;
796                 self.sig = rhs.sig;
797                 Status::OK.and(self)
798             }
799
800             (Category::Zero, Category::Infinity) | (Category::Infinity, Category::Zero) => {
801                 Status::INVALID_OP.and(Self::NAN)
802             }
803
804             (_, Category::Infinity) | (Category::Infinity, _) => {
805                 self.category = Category::Infinity;
806                 Status::OK.and(self)
807             }
808
809             (Category::Zero, _) | (_, Category::Zero) => {
810                 self.category = Category::Zero;
811                 Status::OK.and(self)
812             }
813
814             (Category::Normal, Category::Normal) => {
815                 self.exp += rhs.exp;
816                 let mut wide_sig = [0; 2];
817                 let loss =
818                     sig::mul(&mut wide_sig, &mut self.exp, &self.sig, &rhs.sig, S::PRECISION);
819                 self.sig = [wide_sig[0]];
820                 let mut status;
821                 self = unpack!(status=, self.normalize(round, loss));
822                 if loss != Loss::ExactlyZero {
823                     status |= Status::INEXACT;
824                 }
825                 status.and(self)
826             }
827         }
828     }
829
830     fn mul_add_r(mut self, multiplicand: Self, addend: Self, round: Round) -> StatusAnd<Self> {
831         // If and only if all arguments are normal do we need to do an
832         // extended-precision calculation.
833         if !self.is_finite_non_zero() || !multiplicand.is_finite_non_zero() || !addend.is_finite() {
834             let mut status;
835             self = unpack!(status=, self.mul_r(multiplicand, round));
836
837             // FS can only be Status::OK or Status::INVALID_OP. There is no more work
838             // to do in the latter case. The IEEE-754R standard says it is
839             // implementation-defined in this case whether, if ADDEND is a
840             // quiet NaN, we raise invalid op; this implementation does so.
841             //
842             // If we need to do the addition we can do so with normal
843             // precision.
844             if status == Status::OK {
845                 self = unpack!(status=, self.add_r(addend, round));
846             }
847             return status.and(self);
848         }
849
850         // Post-multiplication sign, before addition.
851         self.sign ^= multiplicand.sign;
852
853         // Allocate space for twice as many bits as the original significand, plus one
854         // extra bit for the addition to overflow into.
855         assert!(limbs_for_bits(S::PRECISION * 2 + 1) <= 2);
856         let mut wide_sig = sig::widening_mul(self.sig[0], multiplicand.sig[0]);
857
858         let mut loss = Loss::ExactlyZero;
859         let mut omsb = sig::omsb(&wide_sig);
860         self.exp += multiplicand.exp;
861
862         // Assume the operands involved in the multiplication are single-precision
863         // FP, and the two multiplicants are:
864         //     lhs = a23 . a22 ... a0 * 2^e1
865         //     rhs = b23 . b22 ... b0 * 2^e2
866         // the result of multiplication is:
867         //     lhs = c48 c47 c46 . c45 ... c0 * 2^(e1+e2)
868         // Note that there are three significant bits at the left-hand side of the
869         // radix point: two for the multiplication, and an overflow bit for the
870         // addition (that will always be zero at this point). Move the radix point
871         // toward left by two bits, and adjust exponent accordingly.
872         self.exp += 2;
873
874         if addend.is_non_zero() {
875             // Normalize our MSB to one below the top bit to allow for overflow.
876             let ext_precision = 2 * S::PRECISION + 1;
877             if omsb != ext_precision - 1 {
878                 assert!(ext_precision > omsb);
879                 sig::shift_left(&mut wide_sig, &mut self.exp, (ext_precision - 1) - omsb);
880             }
881
882             // The intermediate result of the multiplication has "2 * S::PRECISION"
883             // significant bit; adjust the addend to be consistent with mul result.
884             let mut ext_addend_sig = [addend.sig[0], 0];
885
886             // Extend the addend significand to ext_precision - 1. This guarantees
887             // that the high bit of the significand is zero (same as wide_sig),
888             // so the addition will overflow (if it does overflow at all) into the top bit.
889             sig::shift_left(&mut ext_addend_sig, &mut 0, ext_precision - 1 - S::PRECISION);
890             loss = sig::add_or_sub(
891                 &mut wide_sig,
892                 &mut self.exp,
893                 &mut self.sign,
894                 &mut ext_addend_sig,
895                 addend.exp + 1,
896                 addend.sign,
897             );
898
899             omsb = sig::omsb(&wide_sig);
900         }
901
902         // Convert the result having "2 * S::PRECISION" significant-bits back to the one
903         // having "S::PRECISION" significant-bits. First, move the radix point from
904         // position "2*S::PRECISION - 1" to "S::PRECISION - 1". The exponent need to be
905         // adjusted by "2*S::PRECISION - 1" - "S::PRECISION - 1" = "S::PRECISION".
906         self.exp -= S::PRECISION as ExpInt + 1;
907
908         // In case MSB resides at the left-hand side of radix point, shift the
909         // mantissa right by some amount to make sure the MSB reside right before
910         // the radix point (i.e., "MSB . rest-significant-bits").
911         if omsb > S::PRECISION {
912             let bits = omsb - S::PRECISION;
913             loss = sig::shift_right(&mut wide_sig, &mut self.exp, bits).combine(loss);
914         }
915
916         self.sig[0] = wide_sig[0];
917
918         let mut status;
919         self = unpack!(status=, self.normalize(round, loss));
920         if loss != Loss::ExactlyZero {
921             status |= Status::INEXACT;
922         }
923
924         // If two numbers add (exactly) to zero, IEEE 754 decrees it is a
925         // positive zero unless rounding to minus infinity, except that
926         // adding two like-signed zeroes gives that zero.
927         if self.category == Category::Zero
928             && !status.intersects(Status::UNDERFLOW)
929             && self.sign != addend.sign
930         {
931             self.sign = round == Round::TowardNegative;
932         }
933
934         status.and(self)
935     }
936
937     fn div_r(mut self, rhs: Self, round: Round) -> StatusAnd<Self> {
938         self.sign ^= rhs.sign;
939
940         match (self.category, rhs.category) {
941             (Category::NaN, _) => {
942                 self.sign = false;
943                 Status::OK.and(self)
944             }
945
946             (_, Category::NaN) => {
947                 self.category = Category::NaN;
948                 self.sig = rhs.sig;
949                 self.sign = false;
950                 Status::OK.and(self)
951             }
952
953             (Category::Infinity, Category::Infinity) | (Category::Zero, Category::Zero) => {
954                 Status::INVALID_OP.and(Self::NAN)
955             }
956
957             (Category::Infinity | Category::Zero, _) => Status::OK.and(self),
958
959             (Category::Normal, Category::Infinity) => {
960                 self.category = Category::Zero;
961                 Status::OK.and(self)
962             }
963
964             (Category::Normal, Category::Zero) => {
965                 self.category = Category::Infinity;
966                 Status::DIV_BY_ZERO.and(self)
967             }
968
969             (Category::Normal, Category::Normal) => {
970                 self.exp -= rhs.exp;
971                 let dividend = self.sig[0];
972                 let loss = sig::div(
973                     &mut self.sig,
974                     &mut self.exp,
975                     &mut [dividend],
976                     &mut [rhs.sig[0]],
977                     S::PRECISION,
978                 );
979                 let mut status;
980                 self = unpack!(status=, self.normalize(round, loss));
981                 if loss != Loss::ExactlyZero {
982                     status |= Status::INEXACT;
983                 }
984                 status.and(self)
985             }
986         }
987     }
988
989     fn c_fmod(mut self, rhs: Self) -> StatusAnd<Self> {
990         match (self.category, rhs.category) {
991             (Category::NaN, _)
992             | (Category::Zero, Category::Infinity | Category::Normal)
993             | (Category::Normal, Category::Infinity) => Status::OK.and(self),
994
995             (_, Category::NaN) => {
996                 self.sign = false;
997                 self.category = Category::NaN;
998                 self.sig = rhs.sig;
999                 Status::OK.and(self)
1000             }
1001
1002             (Category::Infinity, _) | (_, Category::Zero) => Status::INVALID_OP.and(Self::NAN),
1003
1004             (Category::Normal, Category::Normal) => {
1005                 while self.is_finite_non_zero()
1006                     && rhs.is_finite_non_zero()
1007                     && self.cmp_abs_normal(rhs) != Ordering::Less
1008                 {
1009                     let mut v = rhs.scalbn(self.ilogb() - rhs.ilogb());
1010                     if self.cmp_abs_normal(v) == Ordering::Less {
1011                         v = v.scalbn(-1);
1012                     }
1013                     v.sign = self.sign;
1014
1015                     let status;
1016                     self = unpack!(status=, self - v);
1017                     assert_eq!(status, Status::OK);
1018                 }
1019                 Status::OK.and(self)
1020             }
1021         }
1022     }
1023
1024     fn round_to_integral(self, round: Round) -> StatusAnd<Self> {
1025         // If the exponent is large enough, we know that this value is already
1026         // integral, and the arithmetic below would potentially cause it to saturate
1027         // to +/-Inf. Bail out early instead.
1028         if self.is_finite_non_zero() && self.exp + 1 >= S::PRECISION as ExpInt {
1029             return Status::OK.and(self);
1030         }
1031
1032         // The algorithm here is quite simple: we add 2^(p-1), where p is the
1033         // precision of our format, and then subtract it back off again. The choice
1034         // of rounding modes for the addition/subtraction determines the rounding mode
1035         // for our integral rounding as well.
1036         // NOTE: When the input value is negative, we do subtraction followed by
1037         // addition instead.
1038         assert!(S::PRECISION <= 128);
1039         let mut status;
1040         let magic_const = unpack!(status=, Self::from_u128(1 << (S::PRECISION - 1)));
1041         let magic_const = magic_const.copy_sign(self);
1042
1043         if status != Status::OK {
1044             return status.and(self);
1045         }
1046
1047         let mut r = self;
1048         r = unpack!(status=, r.add_r(magic_const, round));
1049         if status != Status::OK && status != Status::INEXACT {
1050             return status.and(self);
1051         }
1052
1053         // Restore the input sign to handle 0.0/-0.0 cases correctly.
1054         r.sub_r(magic_const, round).map(|r| r.copy_sign(self))
1055     }
1056
1057     fn next_up(mut self) -> StatusAnd<Self> {
1058         // Compute nextUp(x), handling each float category separately.
1059         match self.category {
1060             Category::Infinity => {
1061                 if self.sign {
1062                     // nextUp(-inf) = -largest
1063                     Status::OK.and(-Self::largest())
1064                 } else {
1065                     // nextUp(+inf) = +inf
1066                     Status::OK.and(self)
1067                 }
1068             }
1069             Category::NaN => {
1070                 // IEEE-754R 2008 6.2 Par 2: nextUp(sNaN) = qNaN. Set Invalid flag.
1071                 // IEEE-754R 2008 6.2: nextUp(qNaN) = qNaN. Must be identity so we do not
1072                 //                     change the payload.
1073                 if self.is_signaling() {
1074                     // For consistency, propagate the sign of the sNaN to the qNaN.
1075                     Status::INVALID_OP.and(Self::NAN.copy_sign(self))
1076                 } else {
1077                     Status::OK.and(self)
1078                 }
1079             }
1080             Category::Zero => {
1081                 // nextUp(pm 0) = +smallest
1082                 Status::OK.and(Self::SMALLEST)
1083             }
1084             Category::Normal => {
1085                 // nextUp(-smallest) = -0
1086                 if self.is_smallest() && self.sign {
1087                     return Status::OK.and(-Self::ZERO);
1088                 }
1089
1090                 // nextUp(largest) == INFINITY
1091                 if self.is_largest() && !self.sign {
1092                     return Status::OK.and(Self::INFINITY);
1093                 }
1094
1095                 // Excluding the integral bit. This allows us to test for binade boundaries.
1096                 let sig_mask = (1 << (S::PRECISION - 1)) - 1;
1097
1098                 // nextUp(normal) == normal + inc.
1099                 if self.sign {
1100                     // If we are negative, we need to decrement the significand.
1101
1102                     // We only cross a binade boundary that requires adjusting the exponent
1103                     // if:
1104                     //   1. exponent != S::MIN_EXP. This implies we are not in the
1105                     //   smallest binade or are dealing with denormals.
1106                     //   2. Our significand excluding the integral bit is all zeros.
1107                     let crossing_binade_boundary =
1108                         self.exp != S::MIN_EXP && self.sig[0] & sig_mask == 0;
1109
1110                     // Decrement the significand.
1111                     //
1112                     // We always do this since:
1113                     //   1. If we are dealing with a non-binade decrement, by definition we
1114                     //   just decrement the significand.
1115                     //   2. If we are dealing with a normal -> normal binade decrement, since
1116                     //   we have an explicit integral bit the fact that all bits but the
1117                     //   integral bit are zero implies that subtracting one will yield a
1118                     //   significand with 0 integral bit and 1 in all other spots. Thus we
1119                     //   must just adjust the exponent and set the integral bit to 1.
1120                     //   3. If we are dealing with a normal -> denormal binade decrement,
1121                     //   since we set the integral bit to 0 when we represent denormals, we
1122                     //   just decrement the significand.
1123                     sig::decrement(&mut self.sig);
1124
1125                     if crossing_binade_boundary {
1126                         // Our result is a normal number. Do the following:
1127                         // 1. Set the integral bit to 1.
1128                         // 2. Decrement the exponent.
1129                         sig::set_bit(&mut self.sig, S::PRECISION - 1);
1130                         self.exp -= 1;
1131                     }
1132                 } else {
1133                     // If we are positive, we need to increment the significand.
1134
1135                     // We only cross a binade boundary that requires adjusting the exponent if
1136                     // the input is not a denormal and all of said input's significand bits
1137                     // are set. If all of said conditions are true: clear the significand, set
1138                     // the integral bit to 1, and increment the exponent. If we have a
1139                     // denormal always increment since moving denormals and the numbers in the
1140                     // smallest normal binade have the same exponent in our representation.
1141                     let crossing_binade_boundary =
1142                         !self.is_denormal() && self.sig[0] & sig_mask == sig_mask;
1143
1144                     if crossing_binade_boundary {
1145                         self.sig = [0];
1146                         sig::set_bit(&mut self.sig, S::PRECISION - 1);
1147                         assert_ne!(
1148                             self.exp,
1149                             S::MAX_EXP,
1150                             "We can not increment an exponent beyond the MAX_EXP \
1151                              allowed by the given floating point semantics."
1152                         );
1153                         self.exp += 1;
1154                     } else {
1155                         sig::increment(&mut self.sig);
1156                     }
1157                 }
1158                 Status::OK.and(self)
1159             }
1160         }
1161     }
1162
1163     fn from_bits(input: u128) -> Self {
1164         // Dispatch to semantics.
1165         S::from_bits(input)
1166     }
1167
1168     fn from_u128_r(input: u128, round: Round) -> StatusAnd<Self> {
1169         IeeeFloat {
1170             sig: [input],
1171             exp: S::PRECISION as ExpInt - 1,
1172             category: Category::Normal,
1173             sign: false,
1174             marker: PhantomData,
1175         }
1176         .normalize(round, Loss::ExactlyZero)
1177     }
1178
1179     fn from_str_r(mut s: &str, mut round: Round) -> Result<StatusAnd<Self>, ParseError> {
1180         if s.is_empty() {
1181             return Err(ParseError("Invalid string length"));
1182         }
1183
1184         // Handle special cases.
1185         match s {
1186             "inf" | "INFINITY" => return Ok(Status::OK.and(Self::INFINITY)),
1187             "-inf" | "-INFINITY" => return Ok(Status::OK.and(-Self::INFINITY)),
1188             "nan" | "NaN" => return Ok(Status::OK.and(Self::NAN)),
1189             "-nan" | "-NaN" => return Ok(Status::OK.and(-Self::NAN)),
1190             _ => {}
1191         }
1192
1193         // Handle a leading minus sign.
1194         let minus = s.starts_with('-');
1195         if minus || s.starts_with('+') {
1196             s = &s[1..];
1197             if s.is_empty() {
1198                 return Err(ParseError("String has no digits"));
1199             }
1200         }
1201
1202         // Adjust the rounding mode for the absolute value below.
1203         if minus {
1204             round = -round;
1205         }
1206
1207         let r = if s.starts_with("0x") || s.starts_with("0X") {
1208             s = &s[2..];
1209             if s.is_empty() {
1210                 return Err(ParseError("Invalid string"));
1211             }
1212             Self::from_hexadecimal_string(s, round)?
1213         } else {
1214             Self::from_decimal_string(s, round)?
1215         };
1216
1217         Ok(r.map(|r| if minus { -r } else { r }))
1218     }
1219
1220     fn to_bits(self) -> u128 {
1221         // Dispatch to semantics.
1222         S::to_bits(self)
1223     }
1224
1225     fn to_u128_r(self, width: usize, round: Round, is_exact: &mut bool) -> StatusAnd<u128> {
1226         // The result of trying to convert a number too large.
1227         let overflow = if self.sign {
1228             // Negative numbers cannot be represented as unsigned.
1229             0
1230         } else {
1231             // Largest unsigned integer of the given width.
1232             !0 >> (128 - width)
1233         };
1234
1235         *is_exact = false;
1236
1237         match self.category {
1238             Category::NaN => Status::INVALID_OP.and(0),
1239
1240             Category::Infinity => Status::INVALID_OP.and(overflow),
1241
1242             Category::Zero => {
1243                 // Negative zero can't be represented as an int.
1244                 *is_exact = !self.sign;
1245                 Status::OK.and(0)
1246             }
1247
1248             Category::Normal => {
1249                 let mut r = 0;
1250
1251                 // Step 1: place our absolute value, with any fraction truncated, in
1252                 // the destination.
1253                 let truncated_bits = if self.exp < 0 {
1254                     // Our absolute value is less than one; truncate everything.
1255                     // For exponent -1 the integer bit represents .5, look at that.
1256                     // For smaller exponents leftmost truncated bit is 0.
1257                     S::PRECISION - 1 + (-self.exp) as usize
1258                 } else {
1259                     // We want the most significant (exponent + 1) bits; the rest are
1260                     // truncated.
1261                     let bits = self.exp as usize + 1;
1262
1263                     // Hopelessly large in magnitude?
1264                     if bits > width {
1265                         return Status::INVALID_OP.and(overflow);
1266                     }
1267
1268                     if bits < S::PRECISION {
1269                         // We truncate (S::PRECISION - bits) bits.
1270                         r = self.sig[0] >> (S::PRECISION - bits);
1271                         S::PRECISION - bits
1272                     } else {
1273                         // We want at least as many bits as are available.
1274                         r = self.sig[0] << (bits - S::PRECISION);
1275                         0
1276                     }
1277                 };
1278
1279                 // Step 2: work out any lost fraction, and increment the absolute
1280                 // value if we would round away from zero.
1281                 let mut loss = Loss::ExactlyZero;
1282                 if truncated_bits > 0 {
1283                     loss = Loss::through_truncation(&self.sig, truncated_bits);
1284                     if loss != Loss::ExactlyZero
1285                         && self.round_away_from_zero(round, loss, truncated_bits)
1286                     {
1287                         r = r.wrapping_add(1);
1288                         if r == 0 {
1289                             return Status::INVALID_OP.and(overflow); // Overflow.
1290                         }
1291                     }
1292                 }
1293
1294                 // Step 3: check if we fit in the destination.
1295                 if r > overflow {
1296                     return Status::INVALID_OP.and(overflow);
1297                 }
1298
1299                 if loss == Loss::ExactlyZero {
1300                     *is_exact = true;
1301                     Status::OK.and(r)
1302                 } else {
1303                     Status::INEXACT.and(r)
1304                 }
1305             }
1306         }
1307     }
1308
1309     fn cmp_abs_normal(self, rhs: Self) -> Ordering {
1310         assert!(self.is_finite_non_zero());
1311         assert!(rhs.is_finite_non_zero());
1312
1313         // If exponents are equal, do an unsigned comparison of the significands.
1314         self.exp.cmp(&rhs.exp).then_with(|| sig::cmp(&self.sig, &rhs.sig))
1315     }
1316
1317     fn bitwise_eq(self, rhs: Self) -> bool {
1318         if self.category != rhs.category || self.sign != rhs.sign {
1319             return false;
1320         }
1321
1322         if self.category == Category::Zero || self.category == Category::Infinity {
1323             return true;
1324         }
1325
1326         if self.is_finite_non_zero() && self.exp != rhs.exp {
1327             return false;
1328         }
1329
1330         self.sig == rhs.sig
1331     }
1332
1333     fn is_negative(self) -> bool {
1334         self.sign
1335     }
1336
1337     fn is_denormal(self) -> bool {
1338         self.is_finite_non_zero()
1339             && self.exp == S::MIN_EXP
1340             && !sig::get_bit(&self.sig, S::PRECISION - 1)
1341     }
1342
1343     fn is_signaling(self) -> bool {
1344         // IEEE-754R 2008 6.2.1: A signaling NaN bit string should be encoded with the
1345         // first bit of the trailing significand being 0.
1346         self.is_nan() && !sig::get_bit(&self.sig, S::QNAN_BIT)
1347     }
1348
1349     fn category(self) -> Category {
1350         self.category
1351     }
1352
1353     fn get_exact_inverse(self) -> Option<Self> {
1354         // Special floats and denormals have no exact inverse.
1355         if !self.is_finite_non_zero() {
1356             return None;
1357         }
1358
1359         // Check that the number is a power of two by making sure that only the
1360         // integer bit is set in the significand.
1361         if self.sig != [1 << (S::PRECISION - 1)] {
1362             return None;
1363         }
1364
1365         // Get the inverse.
1366         let mut reciprocal = Self::from_u128(1).value;
1367         let status;
1368         reciprocal = unpack!(status=, reciprocal / self);
1369         if status != Status::OK {
1370             return None;
1371         }
1372
1373         // Avoid multiplication with a denormal, it is not safe on all platforms and
1374         // may be slower than a normal division.
1375         if reciprocal.is_denormal() {
1376             return None;
1377         }
1378
1379         assert!(reciprocal.is_finite_non_zero());
1380         assert_eq!(reciprocal.sig, [1 << (S::PRECISION - 1)]);
1381
1382         Some(reciprocal)
1383     }
1384
1385     fn ilogb(mut self) -> ExpInt {
1386         if self.is_nan() {
1387             return IEK_NAN;
1388         }
1389         if self.is_zero() {
1390             return IEK_ZERO;
1391         }
1392         if self.is_infinite() {
1393             return IEK_INF;
1394         }
1395         if !self.is_denormal() {
1396             return self.exp;
1397         }
1398
1399         let sig_bits = (S::PRECISION - 1) as ExpInt;
1400         self.exp += sig_bits;
1401         self = self.normalize(Round::NearestTiesToEven, Loss::ExactlyZero).value;
1402         self.exp - sig_bits
1403     }
1404
1405     fn scalbn_r(mut self, exp: ExpInt, round: Round) -> Self {
1406         // If exp is wildly out-of-scale, simply adding it to self.exp will
1407         // overflow; clamp it to a safe range before adding, but ensure that the range
1408         // is large enough that the clamp does not change the result. The range we
1409         // need to support is the difference between the largest possible exponent and
1410         // the normalized exponent of half the smallest denormal.
1411
1412         let sig_bits = (S::PRECISION - 1) as i32;
1413         let max_change = S::MAX_EXP as i32 - (S::MIN_EXP as i32 - sig_bits) + 1;
1414
1415         // Clamp to one past the range ends to let normalize handle overflow.
1416         let exp_change = cmp::min(cmp::max(exp as i32, -max_change - 1), max_change);
1417         self.exp = self.exp.saturating_add(exp_change as ExpInt);
1418         self = self.normalize(round, Loss::ExactlyZero).value;
1419         if self.is_nan() {
1420             sig::set_bit(&mut self.sig, S::QNAN_BIT);
1421         }
1422         self
1423     }
1424
1425     fn frexp_r(mut self, exp: &mut ExpInt, round: Round) -> Self {
1426         *exp = self.ilogb();
1427
1428         // Quiet signalling nans.
1429         if *exp == IEK_NAN {
1430             sig::set_bit(&mut self.sig, S::QNAN_BIT);
1431             return self;
1432         }
1433
1434         if *exp == IEK_INF {
1435             return self;
1436         }
1437
1438         // 1 is added because frexp is defined to return a normalized fraction in
1439         // +/-[0.5, 1.0), rather than the usual +/-[1.0, 2.0).
1440         if *exp == IEK_ZERO {
1441             *exp = 0;
1442         } else {
1443             *exp += 1;
1444         }
1445         self.scalbn_r(-*exp, round)
1446     }
1447 }
1448
1449 impl<S: Semantics, T: Semantics> FloatConvert<IeeeFloat<T>> for IeeeFloat<S> {
1450     fn convert_r(self, round: Round, loses_info: &mut bool) -> StatusAnd<IeeeFloat<T>> {
1451         let mut r = IeeeFloat {
1452             sig: self.sig,
1453             exp: self.exp,
1454             category: self.category,
1455             sign: self.sign,
1456             marker: PhantomData,
1457         };
1458
1459         // x86 has some unusual NaNs which cannot be represented in any other
1460         // format; note them here.
1461         fn is_x87_double_extended<S: Semantics>() -> bool {
1462             S::QNAN_SIGNIFICAND == X87DoubleExtendedS::QNAN_SIGNIFICAND
1463         }
1464         let x87_special_nan = is_x87_double_extended::<S>()
1465             && !is_x87_double_extended::<T>()
1466             && r.category == Category::NaN
1467             && (r.sig[0] & S::QNAN_SIGNIFICAND) != S::QNAN_SIGNIFICAND;
1468
1469         // If this is a truncation of a denormal number, and the target semantics
1470         // has larger exponent range than the source semantics (this can happen
1471         // when truncating from PowerPC double-double to double format), the
1472         // right shift could lose result mantissa bits. Adjust exponent instead
1473         // of performing excessive shift.
1474         let mut shift = T::PRECISION as ExpInt - S::PRECISION as ExpInt;
1475         if shift < 0 && r.is_finite_non_zero() {
1476             let mut exp_change = sig::omsb(&r.sig) as ExpInt - S::PRECISION as ExpInt;
1477             if r.exp + exp_change < T::MIN_EXP {
1478                 exp_change = T::MIN_EXP - r.exp;
1479             }
1480             if exp_change < shift {
1481                 exp_change = shift;
1482             }
1483             if exp_change < 0 {
1484                 shift -= exp_change;
1485                 r.exp += exp_change;
1486             }
1487         }
1488
1489         // If this is a truncation, perform the shift.
1490         let loss = if shift < 0 && (r.is_finite_non_zero() || r.category == Category::NaN) {
1491             sig::shift_right(&mut r.sig, &mut 0, -shift as usize)
1492         } else {
1493             Loss::ExactlyZero
1494         };
1495
1496         // If this is an extension, perform the shift.
1497         if shift > 0 && (r.is_finite_non_zero() || r.category == Category::NaN) {
1498             sig::shift_left(&mut r.sig, &mut 0, shift as usize);
1499         }
1500
1501         let status;
1502         if r.is_finite_non_zero() {
1503             r = unpack!(status=, r.normalize(round, loss));
1504             *loses_info = status != Status::OK;
1505         } else if r.category == Category::NaN {
1506             *loses_info = loss != Loss::ExactlyZero || x87_special_nan;
1507
1508             // For x87 extended precision, we want to make a NaN, not a special NaN if
1509             // the input wasn't special either.
1510             if !x87_special_nan && is_x87_double_extended::<T>() {
1511                 sig::set_bit(&mut r.sig, T::PRECISION - 1);
1512             }
1513
1514             // gcc forces the Quiet bit on, which means (float)(double)(float_sNan)
1515             // does not give you back the same bits. This is dubious, and we
1516             // don't currently do it. You're really supposed to get
1517             // an invalid operation signal at runtime, but nobody does that.
1518             status = Status::OK;
1519         } else {
1520             *loses_info = false;
1521             status = Status::OK;
1522         }
1523
1524         status.and(r)
1525     }
1526 }
1527
1528 impl<S: Semantics> IeeeFloat<S> {
1529     /// Handle positive overflow. We either return infinity or
1530     /// the largest finite number. For negative overflow,
1531     /// negate the `round` argument before calling.
1532     fn overflow_result(round: Round) -> StatusAnd<Self> {
1533         match round {
1534             // Infinity?
1535             Round::NearestTiesToEven | Round::NearestTiesToAway | Round::TowardPositive => {
1536                 (Status::OVERFLOW | Status::INEXACT).and(Self::INFINITY)
1537             }
1538             // Otherwise we become the largest finite number.
1539             Round::TowardNegative | Round::TowardZero => Status::INEXACT.and(Self::largest()),
1540         }
1541     }
1542
1543     /// Returns `true` if, when truncating the current number, with `bit` the
1544     /// new LSB, with the given lost fraction and rounding mode, the result
1545     /// would need to be rounded away from zero (i.e., by increasing the
1546     /// signficand). This routine must work for `Category::Zero` of both signs, and
1547     /// `Category::Normal` numbers.
1548     fn round_away_from_zero(&self, round: Round, loss: Loss, bit: usize) -> bool {
1549         // NaNs and infinities should not have lost fractions.
1550         assert!(self.is_finite_non_zero() || self.is_zero());
1551
1552         // Current callers never pass this so we don't handle it.
1553         assert_ne!(loss, Loss::ExactlyZero);
1554
1555         match round {
1556             Round::NearestTiesToAway => loss == Loss::ExactlyHalf || loss == Loss::MoreThanHalf,
1557             Round::NearestTiesToEven => {
1558                 if loss == Loss::MoreThanHalf {
1559                     return true;
1560                 }
1561
1562                 // Our zeros don't have a significand to test.
1563                 if loss == Loss::ExactlyHalf && self.category != Category::Zero {
1564                     return sig::get_bit(&self.sig, bit);
1565                 }
1566
1567                 false
1568             }
1569             Round::TowardZero => false,
1570             Round::TowardPositive => !self.sign,
1571             Round::TowardNegative => self.sign,
1572         }
1573     }
1574
1575     fn normalize(mut self, round: Round, mut loss: Loss) -> StatusAnd<Self> {
1576         if !self.is_finite_non_zero() {
1577             return Status::OK.and(self);
1578         }
1579
1580         // Before rounding normalize the exponent of Category::Normal numbers.
1581         let mut omsb = sig::omsb(&self.sig);
1582
1583         if omsb > 0 {
1584             // OMSB is numbered from 1. We want to place it in the integer
1585             // bit numbered PRECISION if possible, with a compensating change in
1586             // the exponent.
1587             let mut final_exp = self.exp.saturating_add(omsb as ExpInt - S::PRECISION as ExpInt);
1588
1589             // If the resulting exponent is too high, overflow according to
1590             // the rounding mode.
1591             if final_exp > S::MAX_EXP {
1592                 let round = if self.sign { -round } else { round };
1593                 return Self::overflow_result(round).map(|r| r.copy_sign(self));
1594             }
1595
1596             // Subnormal numbers have exponent MIN_EXP, and their MSB
1597             // is forced based on that.
1598             if final_exp < S::MIN_EXP {
1599                 final_exp = S::MIN_EXP;
1600             }
1601
1602             // Shifting left is easy as we don't lose precision.
1603             if final_exp < self.exp {
1604                 assert_eq!(loss, Loss::ExactlyZero);
1605
1606                 let exp_change = (self.exp - final_exp) as usize;
1607                 sig::shift_left(&mut self.sig, &mut self.exp, exp_change);
1608
1609                 return Status::OK.and(self);
1610             }
1611
1612             // Shift right and capture any new lost fraction.
1613             if final_exp > self.exp {
1614                 let exp_change = (final_exp - self.exp) as usize;
1615                 loss = sig::shift_right(&mut self.sig, &mut self.exp, exp_change).combine(loss);
1616
1617                 // Keep OMSB up-to-date.
1618                 omsb = omsb.saturating_sub(exp_change);
1619             }
1620         }
1621
1622         // Now round the number according to round given the lost
1623         // fraction.
1624
1625         // As specified in IEEE 754, since we do not trap we do not report
1626         // underflow for exact results.
1627         if loss == Loss::ExactlyZero {
1628             // Canonicalize zeros.
1629             if omsb == 0 {
1630                 self.category = Category::Zero;
1631             }
1632
1633             return Status::OK.and(self);
1634         }
1635
1636         // Increment the significand if we're rounding away from zero.
1637         if self.round_away_from_zero(round, loss, 0) {
1638             if omsb == 0 {
1639                 self.exp = S::MIN_EXP;
1640             }
1641
1642             // We should never overflow.
1643             assert_eq!(sig::increment(&mut self.sig), 0);
1644             omsb = sig::omsb(&self.sig);
1645
1646             // Did the significand increment overflow?
1647             if omsb == S::PRECISION + 1 {
1648                 // Renormalize by incrementing the exponent and shifting our
1649                 // significand right one. However if we already have the
1650                 // maximum exponent we overflow to infinity.
1651                 if self.exp == S::MAX_EXP {
1652                     self.category = Category::Infinity;
1653
1654                     return (Status::OVERFLOW | Status::INEXACT).and(self);
1655                 }
1656
1657                 let _: Loss = sig::shift_right(&mut self.sig, &mut self.exp, 1);
1658
1659                 return Status::INEXACT.and(self);
1660             }
1661         }
1662
1663         // The normal case - we were and are not denormal, and any
1664         // significand increment above didn't overflow.
1665         if omsb == S::PRECISION {
1666             return Status::INEXACT.and(self);
1667         }
1668
1669         // We have a non-zero denormal.
1670         assert!(omsb < S::PRECISION);
1671
1672         // Canonicalize zeros.
1673         if omsb == 0 {
1674             self.category = Category::Zero;
1675         }
1676
1677         // The Category::Zero case is a denormal that underflowed to zero.
1678         (Status::UNDERFLOW | Status::INEXACT).and(self)
1679     }
1680
1681     fn from_hexadecimal_string(s: &str, round: Round) -> Result<StatusAnd<Self>, ParseError> {
1682         let mut r = IeeeFloat {
1683             sig: [0],
1684             exp: 0,
1685             category: Category::Normal,
1686             sign: false,
1687             marker: PhantomData,
1688         };
1689
1690         let mut any_digits = false;
1691         let mut has_exp = false;
1692         let mut bit_pos = LIMB_BITS as isize;
1693         let mut loss = None;
1694
1695         // Without leading or trailing zeros, irrespective of the dot.
1696         let mut first_sig_digit = None;
1697         let mut dot = s.len();
1698
1699         for (p, c) in s.char_indices() {
1700             // Skip leading zeros and any (hexa)decimal point.
1701             if c == '.' {
1702                 if dot != s.len() {
1703                     return Err(ParseError("String contains multiple dots"));
1704                 }
1705                 dot = p;
1706             } else if let Some(hex_value) = c.to_digit(16) {
1707                 any_digits = true;
1708
1709                 if first_sig_digit.is_none() {
1710                     if hex_value == 0 {
1711                         continue;
1712                     }
1713                     first_sig_digit = Some(p);
1714                 }
1715
1716                 // Store the number while we have space.
1717                 bit_pos -= 4;
1718                 if bit_pos >= 0 {
1719                     r.sig[0] |= (hex_value as Limb) << bit_pos;
1720                 // If zero or one-half (the hexadecimal digit 8) are followed
1721                 // by non-zero, they're a little more than zero or one-half.
1722                 } else if let Some(ref mut loss) = loss {
1723                     if hex_value != 0 {
1724                         if *loss == Loss::ExactlyZero {
1725                             *loss = Loss::LessThanHalf;
1726                         }
1727                         if *loss == Loss::ExactlyHalf {
1728                             *loss = Loss::MoreThanHalf;
1729                         }
1730                     }
1731                 } else {
1732                     loss = Some(match hex_value {
1733                         0 => Loss::ExactlyZero,
1734                         1..=7 => Loss::LessThanHalf,
1735                         8 => Loss::ExactlyHalf,
1736                         9..=15 => Loss::MoreThanHalf,
1737                         _ => unreachable!(),
1738                     });
1739                 }
1740             } else if c == 'p' || c == 'P' {
1741                 if !any_digits {
1742                     return Err(ParseError("Significand has no digits"));
1743                 }
1744
1745                 if dot == s.len() {
1746                     dot = p;
1747                 }
1748
1749                 let mut chars = s[p + 1..].chars().peekable();
1750
1751                 // Adjust for the given exponent.
1752                 let exp_minus = chars.peek() == Some(&'-');
1753                 if exp_minus || chars.peek() == Some(&'+') {
1754                     chars.next();
1755                 }
1756
1757                 for c in chars {
1758                     if let Some(value) = c.to_digit(10) {
1759                         has_exp = true;
1760                         r.exp = r.exp.saturating_mul(10).saturating_add(value as ExpInt);
1761                     } else {
1762                         return Err(ParseError("Invalid character in exponent"));
1763                     }
1764                 }
1765                 if !has_exp {
1766                     return Err(ParseError("Exponent has no digits"));
1767                 }
1768
1769                 if exp_minus {
1770                     r.exp = -r.exp;
1771                 }
1772
1773                 break;
1774             } else {
1775                 return Err(ParseError("Invalid character in significand"));
1776             }
1777         }
1778         if !any_digits {
1779             return Err(ParseError("Significand has no digits"));
1780         }
1781
1782         // Hex floats require an exponent but not a hexadecimal point.
1783         if !has_exp {
1784             return Err(ParseError("Hex strings require an exponent"));
1785         }
1786
1787         // Ignore the exponent if we are zero.
1788         let first_sig_digit = match first_sig_digit {
1789             Some(p) => p,
1790             None => return Ok(Status::OK.and(Self::ZERO)),
1791         };
1792
1793         // Calculate the exponent adjustment implicit in the number of
1794         // significant digits and adjust for writing the significand starting
1795         // at the most significant nibble.
1796         let exp_adjustment = if dot > first_sig_digit {
1797             ExpInt::try_from(dot - first_sig_digit).unwrap()
1798         } else {
1799             -ExpInt::try_from(first_sig_digit - dot - 1).unwrap()
1800         };
1801         let exp_adjustment = exp_adjustment
1802             .saturating_mul(4)
1803             .saturating_sub(1)
1804             .saturating_add(S::PRECISION as ExpInt)
1805             .saturating_sub(LIMB_BITS as ExpInt);
1806         r.exp = r.exp.saturating_add(exp_adjustment);
1807
1808         Ok(r.normalize(round, loss.unwrap_or(Loss::ExactlyZero)))
1809     }
1810
1811     fn from_decimal_string(s: &str, round: Round) -> Result<StatusAnd<Self>, ParseError> {
1812         // Given a normal decimal floating point number of the form
1813         //
1814         //   dddd.dddd[eE][+-]ddd
1815         //
1816         // where the decimal point and exponent are optional, fill out the
1817         // variables below. Exponent is appropriate if the significand is
1818         // treated as an integer, and normalized_exp if the significand
1819         // is taken to have the decimal point after a single leading
1820         // non-zero digit.
1821         //
1822         // If the value is zero, first_sig_digit is None.
1823
1824         let mut any_digits = false;
1825         let mut dec_exp = 0i32;
1826
1827         // Without leading or trailing zeros, irrespective of the dot.
1828         let mut first_sig_digit = None;
1829         let mut last_sig_digit = 0;
1830         let mut dot = s.len();
1831
1832         for (p, c) in s.char_indices() {
1833             if c == '.' {
1834                 if dot != s.len() {
1835                     return Err(ParseError("String contains multiple dots"));
1836                 }
1837                 dot = p;
1838             } else if let Some(dec_value) = c.to_digit(10) {
1839                 any_digits = true;
1840
1841                 if dec_value != 0 {
1842                     if first_sig_digit.is_none() {
1843                         first_sig_digit = Some(p);
1844                     }
1845                     last_sig_digit = p;
1846                 }
1847             } else if c == 'e' || c == 'E' {
1848                 if !any_digits {
1849                     return Err(ParseError("Significand has no digits"));
1850                 }
1851
1852                 if dot == s.len() {
1853                     dot = p;
1854                 }
1855
1856                 let mut chars = s[p + 1..].chars().peekable();
1857
1858                 // Adjust for the given exponent.
1859                 let exp_minus = chars.peek() == Some(&'-');
1860                 if exp_minus || chars.peek() == Some(&'+') {
1861                     chars.next();
1862                 }
1863
1864                 any_digits = false;
1865                 for c in chars {
1866                     if let Some(value) = c.to_digit(10) {
1867                         any_digits = true;
1868                         dec_exp = dec_exp.saturating_mul(10).saturating_add(value as i32);
1869                     } else {
1870                         return Err(ParseError("Invalid character in exponent"));
1871                     }
1872                 }
1873                 if !any_digits {
1874                     return Err(ParseError("Exponent has no digits"));
1875                 }
1876
1877                 if exp_minus {
1878                     dec_exp = -dec_exp;
1879                 }
1880
1881                 break;
1882             } else {
1883                 return Err(ParseError("Invalid character in significand"));
1884             }
1885         }
1886         if !any_digits {
1887             return Err(ParseError("Significand has no digits"));
1888         }
1889
1890         // Test if we have a zero number allowing for non-zero exponents.
1891         let first_sig_digit = match first_sig_digit {
1892             Some(p) => p,
1893             None => return Ok(Status::OK.and(Self::ZERO)),
1894         };
1895
1896         // Adjust the exponents for any decimal point.
1897         if dot > last_sig_digit {
1898             dec_exp = dec_exp.saturating_add((dot - last_sig_digit - 1) as i32);
1899         } else {
1900             dec_exp = dec_exp.saturating_sub((last_sig_digit - dot) as i32);
1901         }
1902         let significand_digits = last_sig_digit - first_sig_digit + 1
1903             - (dot > first_sig_digit && dot < last_sig_digit) as usize;
1904         let normalized_exp = dec_exp.saturating_add(significand_digits as i32 - 1);
1905
1906         // Handle the cases where exponents are obviously too large or too
1907         // small. Writing L for log 10 / log 2, a number d.ddddd*10^dec_exp
1908         // definitely overflows if
1909         //
1910         //       (dec_exp - 1) * L >= MAX_EXP
1911         //
1912         // and definitely underflows to zero where
1913         //
1914         //       (dec_exp + 1) * L <= MIN_EXP - PRECISION
1915         //
1916         // With integer arithmetic the tightest bounds for L are
1917         //
1918         //       93/28 < L < 196/59            [ numerator <= 256 ]
1919         //       42039/12655 < L < 28738/8651  [ numerator <= 65536 ]
1920
1921         // Check for MAX_EXP.
1922         if normalized_exp.saturating_sub(1).saturating_mul(42039) >= 12655 * S::MAX_EXP as i32 {
1923             // Overflow and round.
1924             return Ok(Self::overflow_result(round));
1925         }
1926
1927         // Check for MIN_EXP.
1928         if normalized_exp.saturating_add(1).saturating_mul(28738)
1929             <= 8651 * (S::MIN_EXP as i32 - S::PRECISION as i32)
1930         {
1931             // Underflow to zero and round.
1932             let r =
1933                 if round == Round::TowardPositive { IeeeFloat::SMALLEST } else { IeeeFloat::ZERO };
1934             return Ok((Status::UNDERFLOW | Status::INEXACT).and(r));
1935         }
1936
1937         // A tight upper bound on number of bits required to hold an
1938         // N-digit decimal integer is N * 196 / 59. Allocate enough space
1939         // to hold the full significand, and an extra limb required by
1940         // tcMultiplyPart.
1941         let max_limbs = limbs_for_bits(1 + 196 * significand_digits / 59);
1942         let mut dec_sig: SmallVec<[Limb; 1]> = SmallVec::with_capacity(max_limbs);
1943
1944         // Convert to binary efficiently - we do almost all multiplication
1945         // in a Limb. When this would overflow do we do a single
1946         // bignum multiplication, and then revert again to multiplication
1947         // in a Limb.
1948         let mut chars = s[first_sig_digit..=last_sig_digit].chars();
1949         loop {
1950             let mut val = 0;
1951             let mut multiplier = 1;
1952
1953             loop {
1954                 let dec_value = match chars.next() {
1955                     Some('.') => continue,
1956                     Some(c) => c.to_digit(10).unwrap(),
1957                     None => break,
1958                 };
1959
1960                 multiplier *= 10;
1961                 val = val * 10 + dec_value as Limb;
1962
1963                 // The maximum number that can be multiplied by ten with any
1964                 // digit added without overflowing a Limb.
1965                 if multiplier > (!0 - 9) / 10 {
1966                     break;
1967                 }
1968             }
1969
1970             // If we've consumed no digits, we're done.
1971             if multiplier == 1 {
1972                 break;
1973             }
1974
1975             // Multiply out the current limb.
1976             let mut carry = val;
1977             for x in &mut dec_sig {
1978                 let [low, mut high] = sig::widening_mul(*x, multiplier);
1979
1980                 // Now add carry.
1981                 let (low, overflow) = low.overflowing_add(carry);
1982                 high += overflow as Limb;
1983
1984                 *x = low;
1985                 carry = high;
1986             }
1987
1988             // If we had carry, we need another limb (likely but not guaranteed).
1989             if carry > 0 {
1990                 dec_sig.push(carry);
1991             }
1992         }
1993
1994         // Calculate pow(5, abs(dec_exp)) into `pow5_full`.
1995         // The *_calc Vec's are reused scratch space, as an optimization.
1996         let (pow5_full, mut pow5_calc, mut sig_calc, mut sig_scratch_calc) = {
1997             let mut power = dec_exp.abs() as usize;
1998
1999             const FIRST_EIGHT_POWERS: [Limb; 8] = [1, 5, 25, 125, 625, 3125, 15625, 78125];
2000
2001             let mut p5_scratch = smallvec![];
2002             let mut p5: SmallVec<[Limb; 1]> = smallvec![FIRST_EIGHT_POWERS[4]];
2003
2004             let mut r_scratch = smallvec![];
2005             let mut r: SmallVec<[Limb; 1]> = smallvec![FIRST_EIGHT_POWERS[power & 7]];
2006             power >>= 3;
2007
2008             while power > 0 {
2009                 // Calculate pow(5,pow(2,n+3)).
2010                 p5_scratch.resize(p5.len() * 2, 0);
2011                 let _: Loss = sig::mul(&mut p5_scratch, &mut 0, &p5, &p5, p5.len() * 2 * LIMB_BITS);
2012                 while p5_scratch.last() == Some(&0) {
2013                     p5_scratch.pop();
2014                 }
2015                 mem::swap(&mut p5, &mut p5_scratch);
2016
2017                 if power & 1 != 0 {
2018                     r_scratch.resize(r.len() + p5.len(), 0);
2019                     let _: Loss =
2020                         sig::mul(&mut r_scratch, &mut 0, &r, &p5, (r.len() + p5.len()) * LIMB_BITS);
2021                     while r_scratch.last() == Some(&0) {
2022                         r_scratch.pop();
2023                     }
2024                     mem::swap(&mut r, &mut r_scratch);
2025                 }
2026
2027                 power >>= 1;
2028             }
2029
2030             (r, r_scratch, p5, p5_scratch)
2031         };
2032
2033         // Attempt dec_sig * 10^dec_exp with increasing precision.
2034         let mut attempt = 0;
2035         loop {
2036             let calc_precision = (LIMB_BITS << attempt) - 1;
2037             attempt += 1;
2038
2039             let calc_normal_from_limbs = |sig: &mut SmallVec<[Limb; 1]>,
2040                                           limbs: &[Limb]|
2041              -> StatusAnd<ExpInt> {
2042                 sig.resize(limbs_for_bits(calc_precision), 0);
2043                 let (mut loss, mut exp) = sig::from_limbs(sig, limbs, calc_precision);
2044
2045                 // Before rounding normalize the exponent of Category::Normal numbers.
2046                 let mut omsb = sig::omsb(sig);
2047
2048                 assert_ne!(omsb, 0);
2049
2050                 // OMSB is numbered from 1. We want to place it in the integer
2051                 // bit numbered PRECISION if possible, with a compensating change in
2052                 // the exponent.
2053                 let final_exp = exp.saturating_add(omsb as ExpInt - calc_precision as ExpInt);
2054
2055                 // Shifting left is easy as we don't lose precision.
2056                 if final_exp < exp {
2057                     assert_eq!(loss, Loss::ExactlyZero);
2058
2059                     let exp_change = (exp - final_exp) as usize;
2060                     sig::shift_left(sig, &mut exp, exp_change);
2061
2062                     return Status::OK.and(exp);
2063                 }
2064
2065                 // Shift right and capture any new lost fraction.
2066                 if final_exp > exp {
2067                     let exp_change = (final_exp - exp) as usize;
2068                     loss = sig::shift_right(sig, &mut exp, exp_change).combine(loss);
2069
2070                     // Keep OMSB up-to-date.
2071                     omsb = omsb.saturating_sub(exp_change);
2072                 }
2073
2074                 assert_eq!(omsb, calc_precision);
2075
2076                 // Now round the number according to round given the lost
2077                 // fraction.
2078
2079                 // As specified in IEEE 754, since we do not trap we do not report
2080                 // underflow for exact results.
2081                 if loss == Loss::ExactlyZero {
2082                     return Status::OK.and(exp);
2083                 }
2084
2085                 // Increment the significand if we're rounding away from zero.
2086                 if loss == Loss::MoreThanHalf || loss == Loss::ExactlyHalf && sig::get_bit(sig, 0) {
2087                     // We should never overflow.
2088                     assert_eq!(sig::increment(sig), 0);
2089                     omsb = sig::omsb(sig);
2090
2091                     // Did the significand increment overflow?
2092                     if omsb == calc_precision + 1 {
2093                         let _: Loss = sig::shift_right(sig, &mut exp, 1);
2094
2095                         return Status::INEXACT.and(exp);
2096                     }
2097                 }
2098
2099                 // The normal case - we were and are not denormal, and any
2100                 // significand increment above didn't overflow.
2101                 Status::INEXACT.and(exp)
2102             };
2103
2104             let status;
2105             let mut exp = unpack!(status=,
2106                 calc_normal_from_limbs(&mut sig_calc, &dec_sig));
2107             let pow5_status;
2108             let pow5_exp = unpack!(pow5_status=,
2109                 calc_normal_from_limbs(&mut pow5_calc, &pow5_full));
2110
2111             // Add dec_exp, as 10^n = 5^n * 2^n.
2112             exp += dec_exp as ExpInt;
2113
2114             let mut used_bits = S::PRECISION;
2115             let mut truncated_bits = calc_precision - used_bits;
2116
2117             let half_ulp_err1 = (status != Status::OK) as Limb;
2118             let (calc_loss, half_ulp_err2);
2119             if dec_exp >= 0 {
2120                 exp += pow5_exp;
2121
2122                 sig_scratch_calc.resize(sig_calc.len() + pow5_calc.len(), 0);
2123                 calc_loss = sig::mul(
2124                     &mut sig_scratch_calc,
2125                     &mut exp,
2126                     &sig_calc,
2127                     &pow5_calc,
2128                     calc_precision,
2129                 );
2130                 mem::swap(&mut sig_calc, &mut sig_scratch_calc);
2131
2132                 half_ulp_err2 = (pow5_status != Status::OK) as Limb;
2133             } else {
2134                 exp -= pow5_exp;
2135
2136                 sig_scratch_calc.resize(sig_calc.len(), 0);
2137                 calc_loss = sig::div(
2138                     &mut sig_scratch_calc,
2139                     &mut exp,
2140                     &mut sig_calc,
2141                     &mut pow5_calc,
2142                     calc_precision,
2143                 );
2144                 mem::swap(&mut sig_calc, &mut sig_scratch_calc);
2145
2146                 // Denormal numbers have less precision.
2147                 if exp < S::MIN_EXP {
2148                     truncated_bits += (S::MIN_EXP - exp) as usize;
2149                     used_bits = calc_precision.saturating_sub(truncated_bits);
2150                 }
2151                 // Extra half-ulp lost in reciprocal of exponent.
2152                 half_ulp_err2 =
2153                     2 * (pow5_status != Status::OK || calc_loss != Loss::ExactlyZero) as Limb;
2154             }
2155
2156             // Both sig::mul and sig::div return the
2157             // result with the integer bit set.
2158             assert!(sig::get_bit(&sig_calc, calc_precision - 1));
2159
2160             // The error from the true value, in half-ulps, on multiplying two
2161             // floating point numbers, which differ from the value they
2162             // approximate by at most half_ulp_err1 and half_ulp_err2 half-ulps, is strictly less
2163             // than the returned value.
2164             //
2165             // See "How to Read Floating Point Numbers Accurately" by William D Clinger.
2166             assert!(half_ulp_err1 < 2 || half_ulp_err2 < 2 || (half_ulp_err1 + half_ulp_err2 < 8));
2167
2168             let inexact = (calc_loss != Loss::ExactlyZero) as Limb;
2169             let half_ulp_err = if half_ulp_err1 + half_ulp_err2 == 0 {
2170                 inexact * 2 // <= inexact half-ulps.
2171             } else {
2172                 inexact + 2 * (half_ulp_err1 + half_ulp_err2)
2173             };
2174
2175             let ulps_from_boundary = {
2176                 let bits = calc_precision - used_bits - 1;
2177
2178                 let i = bits / LIMB_BITS;
2179                 let limb = sig_calc[i] & (!0 >> (LIMB_BITS - 1 - bits % LIMB_BITS));
2180                 let boundary = match round {
2181                     Round::NearestTiesToEven | Round::NearestTiesToAway => 1 << (bits % LIMB_BITS),
2182                     _ => 0,
2183                 };
2184                 if i == 0 {
2185                     let delta = limb.wrapping_sub(boundary);
2186                     cmp::min(delta, delta.wrapping_neg())
2187                 } else if limb == boundary {
2188                     if !sig::is_all_zeros(&sig_calc[1..i]) {
2189                         !0 // A lot.
2190                     } else {
2191                         sig_calc[0]
2192                     }
2193                 } else if limb == boundary.wrapping_sub(1) {
2194                     if sig_calc[1..i].iter().any(|&x| x.wrapping_neg() != 1) {
2195                         !0 // A lot.
2196                     } else {
2197                         sig_calc[0].wrapping_neg()
2198                     }
2199                 } else {
2200                     !0 // A lot.
2201                 }
2202             };
2203
2204             // Are we guaranteed to round correctly if we truncate?
2205             if ulps_from_boundary.saturating_mul(2) >= half_ulp_err {
2206                 let mut r = IeeeFloat {
2207                     sig: [0],
2208                     exp,
2209                     category: Category::Normal,
2210                     sign: false,
2211                     marker: PhantomData,
2212                 };
2213                 sig::extract(&mut r.sig, &sig_calc, used_bits, calc_precision - used_bits);
2214                 // If we extracted less bits above we must adjust our exponent
2215                 // to compensate for the implicit right shift.
2216                 r.exp += (S::PRECISION - used_bits) as ExpInt;
2217                 let loss = Loss::through_truncation(&sig_calc, truncated_bits);
2218                 return Ok(r.normalize(round, loss));
2219             }
2220         }
2221     }
2222 }
2223
2224 impl Loss {
2225     /// Combine the effect of two lost fractions.
2226     fn combine(self, less_significant: Loss) -> Loss {
2227         let mut more_significant = self;
2228         if less_significant != Loss::ExactlyZero {
2229             if more_significant == Loss::ExactlyZero {
2230                 more_significant = Loss::LessThanHalf;
2231             } else if more_significant == Loss::ExactlyHalf {
2232                 more_significant = Loss::MoreThanHalf;
2233             }
2234         }
2235
2236         more_significant
2237     }
2238
2239     /// Returns the fraction lost were a bignum truncated losing the least
2240     /// significant `bits` bits.
2241     fn through_truncation(limbs: &[Limb], bits: usize) -> Loss {
2242         if bits == 0 {
2243             return Loss::ExactlyZero;
2244         }
2245
2246         let half_bit = bits - 1;
2247         let half_limb = half_bit / LIMB_BITS;
2248         let (half_limb, rest) = if half_limb < limbs.len() {
2249             (limbs[half_limb], &limbs[..half_limb])
2250         } else {
2251             (0, limbs)
2252         };
2253         let half = 1 << (half_bit % LIMB_BITS);
2254         let has_half = half_limb & half != 0;
2255         let has_rest = half_limb & (half - 1) != 0 || !sig::is_all_zeros(rest);
2256
2257         match (has_half, has_rest) {
2258             (false, false) => Loss::ExactlyZero,
2259             (false, true) => Loss::LessThanHalf,
2260             (true, false) => Loss::ExactlyHalf,
2261             (true, true) => Loss::MoreThanHalf,
2262         }
2263     }
2264 }
2265
2266 /// Implementation details of IeeeFloat significands, such as big integer arithmetic.
2267 /// As a rule of thumb, no functions in this module should dynamically allocate.
2268 mod sig {
2269     use super::{limbs_for_bits, ExpInt, Limb, Loss, LIMB_BITS};
2270     use core::cmp::Ordering;
2271     use core::mem;
2272
2273     pub(super) fn is_all_zeros(limbs: &[Limb]) -> bool {
2274         limbs.iter().all(|&l| l == 0)
2275     }
2276
2277     /// One, not zero, based LSB. That is, returns 0 for a zeroed significand.
2278     pub(super) fn olsb(limbs: &[Limb]) -> usize {
2279         limbs
2280             .iter()
2281             .enumerate()
2282             .find(|(_, &limb)| limb != 0)
2283             .map_or(0, |(i, limb)| i * LIMB_BITS + limb.trailing_zeros() as usize + 1)
2284     }
2285
2286     /// One, not zero, based MSB. That is, returns 0 for a zeroed significand.
2287     pub(super) fn omsb(limbs: &[Limb]) -> usize {
2288         limbs
2289             .iter()
2290             .enumerate()
2291             .rfind(|(_, &limb)| limb != 0)
2292             .map_or(0, |(i, limb)| (i + 1) * LIMB_BITS - limb.leading_zeros() as usize)
2293     }
2294
2295     /// Comparison (unsigned) of two significands.
2296     pub(super) fn cmp(a: &[Limb], b: &[Limb]) -> Ordering {
2297         assert_eq!(a.len(), b.len());
2298         for (a, b) in a.iter().zip(b).rev() {
2299             match a.cmp(b) {
2300                 Ordering::Equal => {}
2301                 o => return o,
2302             }
2303         }
2304
2305         Ordering::Equal
2306     }
2307
2308     /// Extracts the given bit.
2309     pub(super) fn get_bit(limbs: &[Limb], bit: usize) -> bool {
2310         limbs[bit / LIMB_BITS] & (1 << (bit % LIMB_BITS)) != 0
2311     }
2312
2313     /// Sets the given bit.
2314     pub(super) fn set_bit(limbs: &mut [Limb], bit: usize) {
2315         limbs[bit / LIMB_BITS] |= 1 << (bit % LIMB_BITS);
2316     }
2317
2318     /// Clear the given bit.
2319     pub(super) fn clear_bit(limbs: &mut [Limb], bit: usize) {
2320         limbs[bit / LIMB_BITS] &= !(1 << (bit % LIMB_BITS));
2321     }
2322
2323     /// Shifts `dst` left `bits` bits, subtract `bits` from its exponent.
2324     pub(super) fn shift_left(dst: &mut [Limb], exp: &mut ExpInt, bits: usize) {
2325         if bits > 0 {
2326             // Our exponent should not underflow.
2327             *exp = exp.checked_sub(bits as ExpInt).unwrap();
2328
2329             // Jump is the inter-limb jump; shift is the intra-limb shift.
2330             let jump = bits / LIMB_BITS;
2331             let shift = bits % LIMB_BITS;
2332
2333             for i in (0..dst.len()).rev() {
2334                 let mut limb;
2335
2336                 if i < jump {
2337                     limb = 0;
2338                 } else {
2339                     // dst[i] comes from the two limbs src[i - jump] and, if we have
2340                     // an intra-limb shift, src[i - jump - 1].
2341                     limb = dst[i - jump];
2342                     if shift > 0 {
2343                         limb <<= shift;
2344                         if i > jump {
2345                             limb |= dst[i - jump - 1] >> (LIMB_BITS - shift);
2346                         }
2347                     }
2348                 }
2349
2350                 dst[i] = limb;
2351             }
2352         }
2353     }
2354
2355     /// Shifts `dst` right `bits` bits noting lost fraction.
2356     pub(super) fn shift_right(dst: &mut [Limb], exp: &mut ExpInt, bits: usize) -> Loss {
2357         let loss = Loss::through_truncation(dst, bits);
2358
2359         if bits > 0 {
2360             // Our exponent should not overflow.
2361             *exp = exp.checked_add(bits as ExpInt).unwrap();
2362
2363             // Jump is the inter-limb jump; shift is the intra-limb shift.
2364             let jump = bits / LIMB_BITS;
2365             let shift = bits % LIMB_BITS;
2366
2367             // Perform the shift. This leaves the most significant `bits` bits
2368             // of the result at zero.
2369             for i in 0..dst.len() {
2370                 let mut limb;
2371
2372                 if i + jump >= dst.len() {
2373                     limb = 0;
2374                 } else {
2375                     limb = dst[i + jump];
2376                     if shift > 0 {
2377                         limb >>= shift;
2378                         if i + jump + 1 < dst.len() {
2379                             limb |= dst[i + jump + 1] << (LIMB_BITS - shift);
2380                         }
2381                     }
2382                 }
2383
2384                 dst[i] = limb;
2385             }
2386         }
2387
2388         loss
2389     }
2390
2391     /// Copies the bit vector of width `src_bits` from `src`, starting at bit SRC_LSB,
2392     /// to `dst`, such that the bit SRC_LSB becomes the least significant bit of `dst`.
2393     /// All high bits above `src_bits` in `dst` are zero-filled.
2394     pub(super) fn extract(dst: &mut [Limb], src: &[Limb], src_bits: usize, src_lsb: usize) {
2395         if src_bits == 0 {
2396             return;
2397         }
2398
2399         let dst_limbs = limbs_for_bits(src_bits);
2400         assert!(dst_limbs <= dst.len());
2401
2402         let src = &src[src_lsb / LIMB_BITS..];
2403         dst[..dst_limbs].copy_from_slice(&src[..dst_limbs]);
2404
2405         let shift = src_lsb % LIMB_BITS;
2406         let _: Loss = shift_right(&mut dst[..dst_limbs], &mut 0, shift);
2407
2408         // We now have (dst_limbs * LIMB_BITS - shift) bits from `src`
2409         // in `dst`.  If this is less that src_bits, append the rest, else
2410         // clear the high bits.
2411         let n = dst_limbs * LIMB_BITS - shift;
2412         if n < src_bits {
2413             let mask = (1 << (src_bits - n)) - 1;
2414             dst[dst_limbs - 1] |= (src[dst_limbs] & mask) << (n % LIMB_BITS);
2415         } else if n > src_bits && src_bits % LIMB_BITS > 0 {
2416             dst[dst_limbs - 1] &= (1 << (src_bits % LIMB_BITS)) - 1;
2417         }
2418
2419         // Clear high limbs.
2420         for x in &mut dst[dst_limbs..] {
2421             *x = 0;
2422         }
2423     }
2424
2425     /// We want the most significant PRECISION bits of `src`. There may not
2426     /// be that many; extract what we can.
2427     pub(super) fn from_limbs(dst: &mut [Limb], src: &[Limb], precision: usize) -> (Loss, ExpInt) {
2428         let omsb = omsb(src);
2429
2430         if precision <= omsb {
2431             extract(dst, src, precision, omsb - precision);
2432             (Loss::through_truncation(src, omsb - precision), omsb as ExpInt - 1)
2433         } else {
2434             extract(dst, src, omsb, 0);
2435             (Loss::ExactlyZero, precision as ExpInt - 1)
2436         }
2437     }
2438
2439     /// For every consecutive chunk of `bits` bits from `limbs`,
2440     /// going from most significant to the least significant bits,
2441     /// call `f` to transform those bits and store the result back.
2442     pub(super) fn each_chunk<F: FnMut(Limb) -> Limb>(limbs: &mut [Limb], bits: usize, mut f: F) {
2443         assert_eq!(LIMB_BITS % bits, 0);
2444         for limb in limbs.iter_mut().rev() {
2445             let mut r = 0;
2446             for i in (0..LIMB_BITS / bits).rev() {
2447                 r |= f((*limb >> (i * bits)) & ((1 << bits) - 1)) << (i * bits);
2448             }
2449             *limb = r;
2450         }
2451     }
2452
2453     /// Increment in-place, return the carry flag.
2454     pub(super) fn increment(dst: &mut [Limb]) -> Limb {
2455         for x in dst {
2456             *x = x.wrapping_add(1);
2457             if *x != 0 {
2458                 return 0;
2459             }
2460         }
2461
2462         1
2463     }
2464
2465     /// Decrement in-place, return the borrow flag.
2466     pub(super) fn decrement(dst: &mut [Limb]) -> Limb {
2467         for x in dst {
2468             *x = x.wrapping_sub(1);
2469             if *x != !0 {
2470                 return 0;
2471             }
2472         }
2473
2474         1
2475     }
2476
2477     /// `a += b + c` where `c` is zero or one. Returns the carry flag.
2478     pub(super) fn add(a: &mut [Limb], b: &[Limb], mut c: Limb) -> Limb {
2479         assert!(c <= 1);
2480
2481         for (a, &b) in a.iter_mut().zip(b) {
2482             let (r, overflow) = a.overflowing_add(b);
2483             let (r, overflow2) = r.overflowing_add(c);
2484             *a = r;
2485             c = (overflow | overflow2) as Limb;
2486         }
2487
2488         c
2489     }
2490
2491     /// `a -= b + c` where `c` is zero or one. Returns the borrow flag.
2492     pub(super) fn sub(a: &mut [Limb], b: &[Limb], mut c: Limb) -> Limb {
2493         assert!(c <= 1);
2494
2495         for (a, &b) in a.iter_mut().zip(b) {
2496             let (r, overflow) = a.overflowing_sub(b);
2497             let (r, overflow2) = r.overflowing_sub(c);
2498             *a = r;
2499             c = (overflow | overflow2) as Limb;
2500         }
2501
2502         c
2503     }
2504
2505     /// `a += b` or `a -= b`. Does not preserve `b`.
2506     pub(super) fn add_or_sub(
2507         a_sig: &mut [Limb],
2508         a_exp: &mut ExpInt,
2509         a_sign: &mut bool,
2510         b_sig: &mut [Limb],
2511         b_exp: ExpInt,
2512         b_sign: bool,
2513     ) -> Loss {
2514         // Are we bigger exponent-wise than the RHS?
2515         let bits = *a_exp - b_exp;
2516
2517         // Determine if the operation on the absolute values is effectively
2518         // an addition or subtraction.
2519         // Subtraction is more subtle than one might naively expect.
2520         if *a_sign ^ b_sign {
2521             let (reverse, loss);
2522
2523             if bits == 0 {
2524                 reverse = cmp(a_sig, b_sig) == Ordering::Less;
2525                 loss = Loss::ExactlyZero;
2526             } else if bits > 0 {
2527                 loss = shift_right(b_sig, &mut 0, (bits - 1) as usize);
2528                 shift_left(a_sig, a_exp, 1);
2529                 reverse = false;
2530             } else {
2531                 loss = shift_right(a_sig, a_exp, (-bits - 1) as usize);
2532                 shift_left(b_sig, &mut 0, 1);
2533                 reverse = true;
2534             }
2535
2536             let borrow = (loss != Loss::ExactlyZero) as Limb;
2537             if reverse {
2538                 // The code above is intended to ensure that no borrow is necessary.
2539                 assert_eq!(sub(b_sig, a_sig, borrow), 0);
2540                 a_sig.copy_from_slice(b_sig);
2541                 *a_sign = !*a_sign;
2542             } else {
2543                 // The code above is intended to ensure that no borrow is necessary.
2544                 assert_eq!(sub(a_sig, b_sig, borrow), 0);
2545             }
2546
2547             // Invert the lost fraction - it was on the RHS and subtracted.
2548             match loss {
2549                 Loss::LessThanHalf => Loss::MoreThanHalf,
2550                 Loss::MoreThanHalf => Loss::LessThanHalf,
2551                 _ => loss,
2552             }
2553         } else {
2554             let loss = if bits > 0 {
2555                 shift_right(b_sig, &mut 0, bits as usize)
2556             } else {
2557                 shift_right(a_sig, a_exp, -bits as usize)
2558             };
2559             // We have a guard bit; generating a carry cannot happen.
2560             assert_eq!(add(a_sig, b_sig, 0), 0);
2561             loss
2562         }
2563     }
2564
2565     /// `[low, high] = a * b`.
2566     ///
2567     /// This cannot overflow, because
2568     ///
2569     /// `(n - 1) * (n - 1) + 2 * (n - 1) == (n - 1) * (n + 1)`
2570     ///
2571     /// which is less than n<sup>2</sup>.
2572     pub(super) fn widening_mul(a: Limb, b: Limb) -> [Limb; 2] {
2573         let mut wide = [0, 0];
2574
2575         if a == 0 || b == 0 {
2576             return wide;
2577         }
2578
2579         const HALF_BITS: usize = LIMB_BITS / 2;
2580
2581         let select = |limb, i| (limb >> (i * HALF_BITS)) & ((1 << HALF_BITS) - 1);
2582         for i in 0..2 {
2583             for j in 0..2 {
2584                 let mut x = [select(a, i) * select(b, j), 0];
2585                 shift_left(&mut x, &mut 0, (i + j) * HALF_BITS);
2586                 assert_eq!(add(&mut wide, &x, 0), 0);
2587             }
2588         }
2589
2590         wide
2591     }
2592
2593     /// `dst = a * b` (for normal `a` and `b`). Returns the lost fraction.
2594     pub(super) fn mul<'a>(
2595         dst: &mut [Limb],
2596         exp: &mut ExpInt,
2597         mut a: &'a [Limb],
2598         mut b: &'a [Limb],
2599         precision: usize,
2600     ) -> Loss {
2601         // Put the narrower number on the `a` for less loops below.
2602         if a.len() > b.len() {
2603             mem::swap(&mut a, &mut b);
2604         }
2605
2606         for x in &mut dst[..b.len()] {
2607             *x = 0;
2608         }
2609
2610         for i in 0..a.len() {
2611             let mut carry = 0;
2612             for j in 0..b.len() {
2613                 let [low, mut high] = widening_mul(a[i], b[j]);
2614
2615                 // Now add carry.
2616                 let (low, overflow) = low.overflowing_add(carry);
2617                 high += overflow as Limb;
2618
2619                 // And now `dst[i + j]`, and store the new low part there.
2620                 let (low, overflow) = low.overflowing_add(dst[i + j]);
2621                 high += overflow as Limb;
2622
2623                 dst[i + j] = low;
2624                 carry = high;
2625             }
2626             dst[i + b.len()] = carry;
2627         }
2628
2629         // Assume the operands involved in the multiplication are single-precision
2630         // FP, and the two multiplicants are:
2631         //     a = a23 . a22 ... a0 * 2^e1
2632         //     b = b23 . b22 ... b0 * 2^e2
2633         // the result of multiplication is:
2634         //     dst = c48 c47 c46 . c45 ... c0 * 2^(e1+e2)
2635         // Note that there are three significant bits at the left-hand side of the
2636         // radix point: two for the multiplication, and an overflow bit for the
2637         // addition (that will always be zero at this point). Move the radix point
2638         // toward left by two bits, and adjust exponent accordingly.
2639         *exp += 2;
2640
2641         // Convert the result having "2 * precision" significant-bits back to the one
2642         // having "precision" significant-bits. First, move the radix point from
2643         // poision "2*precision - 1" to "precision - 1". The exponent need to be
2644         // adjusted by "2*precision - 1" - "precision - 1" = "precision".
2645         *exp -= precision as ExpInt + 1;
2646
2647         // In case MSB resides at the left-hand side of radix point, shift the
2648         // mantissa right by some amount to make sure the MSB reside right before
2649         // the radix point (i.e., "MSB . rest-significant-bits").
2650         //
2651         // Note that the result is not normalized when "omsb < precision". So, the
2652         // caller needs to call IeeeFloat::normalize() if normalized value is
2653         // expected.
2654         let omsb = omsb(dst);
2655         if omsb <= precision { Loss::ExactlyZero } else { shift_right(dst, exp, omsb - precision) }
2656     }
2657
2658     /// `quotient = dividend / divisor`. Returns the lost fraction.
2659     /// Does not preserve `dividend` or `divisor`.
2660     pub(super) fn div(
2661         quotient: &mut [Limb],
2662         exp: &mut ExpInt,
2663         dividend: &mut [Limb],
2664         divisor: &mut [Limb],
2665         precision: usize,
2666     ) -> Loss {
2667         // Normalize the divisor.
2668         let bits = precision - omsb(divisor);
2669         shift_left(divisor, &mut 0, bits);
2670         *exp += bits as ExpInt;
2671
2672         // Normalize the dividend.
2673         let bits = precision - omsb(dividend);
2674         shift_left(dividend, exp, bits);
2675
2676         // Division by 1.
2677         let olsb_divisor = olsb(divisor);
2678         if olsb_divisor == precision {
2679             quotient.copy_from_slice(dividend);
2680             return Loss::ExactlyZero;
2681         }
2682
2683         // Ensure the dividend >= divisor initially for the loop below.
2684         // Incidentally, this means that the division loop below is
2685         // guaranteed to set the integer bit to one.
2686         if cmp(dividend, divisor) == Ordering::Less {
2687             shift_left(dividend, exp, 1);
2688             assert_ne!(cmp(dividend, divisor), Ordering::Less)
2689         }
2690
2691         // Helper for figuring out the lost fraction.
2692         let lost_fraction = |dividend: &[Limb], divisor: &[Limb]| match cmp(dividend, divisor) {
2693             Ordering::Greater => Loss::MoreThanHalf,
2694             Ordering::Equal => Loss::ExactlyHalf,
2695             Ordering::Less => {
2696                 if is_all_zeros(dividend) {
2697                     Loss::ExactlyZero
2698                 } else {
2699                     Loss::LessThanHalf
2700                 }
2701             }
2702         };
2703
2704         // Try to perform a (much faster) short division for small divisors.
2705         let divisor_bits = precision - (olsb_divisor - 1);
2706         macro_rules! try_short_div {
2707             ($W:ty, $H:ty, $half:expr) => {
2708                 if divisor_bits * 2 <= $half {
2709                     // Extract the small divisor.
2710                     let _: Loss = shift_right(divisor, &mut 0, olsb_divisor - 1);
2711                     let divisor = divisor[0] as $H as $W;
2712
2713                     // Shift the dividend to produce a quotient with the unit bit set.
2714                     let top_limb = *dividend.last().unwrap();
2715                     let mut rem = (top_limb >> (LIMB_BITS - (divisor_bits - 1))) as $H;
2716                     shift_left(dividend, &mut 0, divisor_bits - 1);
2717
2718                     // Apply short division in place on $H (of $half bits) chunks.
2719                     each_chunk(dividend, $half, |chunk| {
2720                         let chunk = chunk as $H;
2721                         let combined = ((rem as $W) << $half) | (chunk as $W);
2722                         rem = (combined % divisor) as $H;
2723                         (combined / divisor) as $H as Limb
2724                     });
2725                     quotient.copy_from_slice(dividend);
2726
2727                     return lost_fraction(&[(rem as Limb) << 1], &[divisor as Limb]);
2728                 }
2729             };
2730         }
2731
2732         try_short_div!(u32, u16, 16);
2733         try_short_div!(u64, u32, 32);
2734         try_short_div!(u128, u64, 64);
2735
2736         // Zero the quotient before setting bits in it.
2737         for x in &mut quotient[..limbs_for_bits(precision)] {
2738             *x = 0;
2739         }
2740
2741         // Long division.
2742         for bit in (0..precision).rev() {
2743             if cmp(dividend, divisor) != Ordering::Less {
2744                 sub(dividend, divisor, 0);
2745                 set_bit(quotient, bit);
2746             }
2747             shift_left(dividend, &mut 0, 1);
2748         }
2749
2750         lost_fraction(dividend, divisor)
2751     }
2752 }