d0_bignum-gmp.c

   1 /*
   2  * FILE:        d0_bignum-gmp.c
   3  * AUTHOR:      Rudolf Polzer - divVerent@xonotic.org
   4  *
   5  * Copyright (c) 2010, Rudolf Polzer
   6  * All rights reserved.
   7  *
   8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   9  * modification, are permitted provided that the following conditions
  10  * are met:
  11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  13  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  15  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  16  * 3. Neither the name of the copyright holder nor the names of contributors
  17  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  18  *    without specific prior written permission.
  19  *
  20  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE AUTHOR AND CONTRIBUTOR(S) ``AS IS'' AND
  21  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  22  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  23  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE AUTHOR OR CONTRIBUTOR(S) BE LIABLE
  24  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  25  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  26  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  27  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  28  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  29  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  30  * SUCH DAMAGE.
  31  *
  32  * $Format:commit %H$
  33  * $Id$
  34  */
  35
  36 /* NOTE: this file links against libgmp (http://gmplib.org), which is under the
  37  * Lesser General Public License 2.1 or later. You may have to abide to its
  38  * terms too if you use this file.
  39  * To alternatively link to OpenSSL, provide the option --with-openssl to
  40  * ./configure.
  41  */
  42
  43 #ifdef WIN32
  44 #include <windows.h>
  45 #include <wincrypt.h>
  46 #endif
  47
  48 #include "d0_bignum.h"
  49
  50 #include <gmp.h>
  51 #include <string.h>
  52 #include <stdlib.h>
  53
  54 struct d0_bignum_s
  55 {
  56         mpz_t z;
  57 };
  58
  59 static gmp_randstate_t RANDSTATE;
  60 static d0_bignum_t temp;
  61
  62 #include <time.h>
  63 #include <stdio.h>
  64
  65 D0_WARN_UNUSED_RESULT D0_BOOL d0_bignum_INITIALIZE(void)
  66 {
  67         FILE *f;
  68         D0_BOOL ret = 1;
  69         unsigned char buf[256];
  70         d0_bignum_init(&temp);
  71         gmp_randinit_mt(RANDSTATE);
  72         gmp_randseed_ui(RANDSTATE, time(NULL));
  73         * (time_t *) (&buf[0]) = time(0); // if everything else fails, we use the current time + uninitialized data
  74 #ifdef WIN32
  75         {
  76                 HCRYPTPROV hCryptProv;
  77                 if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT))
  78                 {
  79                         if(!CryptGenRandom(hCryptProv, sizeof(buf), (PBYTE) &buf[0]))
  80                         {
  81                                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptGenRandom failed)\n");
  82                                 ret = 0;
  83                         }
  84                         CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
  85                 }
  86                 else if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT | CRYPT_NEWKEYSET))
  87                 {
  88                         if(!CryptGenRandom(hCryptProv, sizeof(buf), (PBYTE) &buf[0]))
  89                         {
  90                                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptGenRandom failed)\n");
  91                                 ret = 0;
  92                         }
  93                         CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
  94                 }
  95                 else
  96                 {
  97                         fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptAcquireContext failed)\n");
  98                         ret = 0;
  99                 }
 100         }
 101 #else
 102         f = fopen("/dev/urandom", "rb");
 103         if(!f)
 104                 f = fopen("/dev/random", "rb");
 105         if(f)
 106         {
 107                 setbuf(f, NULL);
 108                 if(fread(buf, sizeof(buf), 1, f) != 1)
 109                 {
 110                         fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (read from random device failed)\n");
 111                         ret = 0;
 112                 }
 113                 fclose(f);
 114         }
 115         else
 116         {
 117                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (no random device found)\n");
 118                 ret = 0;
 119         }
 120 #endif
 121
 122         mpz_import(temp.z, sizeof(buf), 1, 1, 0, 0, buf);
 123         gmp_randseed(RANDSTATE, temp.z);
 124
 125         return ret;
 126 }
 127
 128 void d0_bignum_SHUTDOWN(void)
 129 {
 130         d0_bignum_clear(&temp);
 131         gmp_randclear(RANDSTATE);
 132 }
 133
 134 D0_BOOL d0_iobuf_write_bignum(d0_iobuf_t *buf, const d0_bignum_t *bignum)
 135 {
 136         static unsigned char numbuf[65536];
 137         size_t count = 0;
 138         numbuf[0] = mpz_sgn(bignum->z) & 3;
 139         if((numbuf[0] & 3) != 0) // nonzero
 140         {
 141                 count = (mpz_sizeinbase(bignum->z, 2) + 7) / 8;
 142                 if(count > sizeof(numbuf) - 1)
 143                         return 0;
 144                 mpz_export(numbuf+1, &count, 1, 1, 0, 0, bignum->z);
 145         }
 146         return d0_iobuf_write_packet(buf, numbuf, count + 1);
 147 }
 148
 149 d0_bignum_t *d0_iobuf_read_bignum(d0_iobuf_t *buf, d0_bignum_t *bignum)
 150 {
 151         static unsigned char numbuf[65536];
 152         size_t count = sizeof(numbuf);
 153         if(!d0_iobuf_read_packet(buf, numbuf, &count))
 154                 return NULL;
 155         if(count < 1)
 156                 return NULL;
 157         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 158         if(numbuf[0] & 3) // nonzero
 159         {
 160                 mpz_import(bignum->z, count-1, 1, 1, 0, 0, numbuf+1);
 161                 if(numbuf[0] & 2) // negative
 162                         mpz_neg(bignum->z, bignum->z);
 163         }
 164         else // zero
 165         {
 166                 mpz_set_ui(bignum->z, 0);
 167         }
 168         return bignum;
 169 }
 170
 171 ssize_t d0_bignum_export_unsigned(const d0_bignum_t *bignum, void *buf, size_t bufsize)
 172 {
 173         size_t count;
 174         count = (mpz_sizeinbase(bignum->z, 2) + 7) / 8;
 175         if(count > bufsize)
 176                 return -1;
 177         if(bufsize > count)
 178         {
 179                 // pad from left (big endian numbers!)
 180                 memset(buf, 0, bufsize - count);
 181                 buf += bufsize - count;
 182         }
 183         bufsize = count;
 184         mpz_export(buf, &bufsize, 1, 1, 0, 0, bignum->z);
 185         if(bufsize > count)
 186         {
 187                 // REALLY BAD
 188                 // mpz_sizeinbase lied to us
 189                 // buffer overflow
 190                 // there is no sane way whatsoever to handle this
 191                 abort();
 192         }
 193         if(bufsize < count)
 194         {
 195                 // BAD
 196                 // mpz_sizeinbase lied to us
 197                 // move the number
 198                 if(count == 0)
 199                 {
 200                         memset(buf, 0, count);
 201                 }
 202                 else
 203                 {
 204                         memmove(buf + count - bufsize, buf, bufsize);
 205                         memset(buf, 0, count - bufsize);
 206                 }
 207         }
 208         return bufsize;
 209 }
 210
 211 d0_bignum_t *d0_bignum_import_unsigned(d0_bignum_t *bignum, const void *buf, size_t bufsize)
 212 {
 213         size_t count;
 214         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 215         mpz_import(bignum->z, bufsize, 1, 1, 0, 0, buf);
 216         return bignum;
 217 }
 218
 219 d0_bignum_t *d0_bignum_new(void)
 220 {
 221         d0_bignum_t *b = d0_malloc(sizeof(d0_bignum_t));
 222         mpz_init(b->z);
 223         return b;
 224 }
 225
 226 void d0_bignum_free(d0_bignum_t *a)
 227 {
 228         mpz_clear(a->z);
 229         d0_free(a);
 230 }
 231
 232 void d0_bignum_init(d0_bignum_t *b)
 233 {
 234         mpz_init(b->z);
 235 }
 236
 237 void d0_bignum_clear(d0_bignum_t *a)
 238 {
 239         mpz_clear(a->z);
 240 }
 241
 242 size_t d0_bignum_size(const d0_bignum_t *r)
 243 {
 244         return mpz_sizeinbase(r->z, 2);
 245 }
 246
 247 int d0_bignum_cmp(const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 248 {
 249         return mpz_cmp(a->z, b->z);
 250 }
 251
 252 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_range(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *min, const d0_bignum_t *max)
 253 {
 254         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 255         mpz_sub(temp.z, max->z, min->z);
 256         mpz_urandomm(r->z, RANDSTATE, temp.z);
 257         mpz_add(r->z, r->z, min->z);
 258         return r;
 259 }
 260
 261 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_atmost(d0_bignum_t *r, size_t n)
 262 {
 263         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 264         mpz_urandomb(r->z, RANDSTATE, n);
 265         return r;
 266 }
 267
 268 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_exact(d0_bignum_t *r, size_t n)
 269 {
 270         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 271         mpz_urandomb(r->z, RANDSTATE, n-1);
 272         mpz_setbit(r->z, n-1);
 273         return r;
 274 }
 275
 276 d0_bignum_t *d0_bignum_zero(d0_bignum_t *r)
 277 {
 278         return d0_bignum_int(r, 0);
 279 }
 280
 281 d0_bignum_t *d0_bignum_one(d0_bignum_t *r)
 282 {
 283         return d0_bignum_int(r, 1);
 284 }
 285
 286 d0_bignum_t *d0_bignum_int(d0_bignum_t *r, int n)
 287 {
 288         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 289         mpz_set_si(r->z, n);
 290         return r;
 291 }
 292
 293 d0_bignum_t *d0_bignum_mov(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 294 {
 295         if(r == a)
 296                 return r; // trivial
 297         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 298         mpz_set(r->z, a->z);
 299         return r;
 300 }
 301
 302 d0_bignum_t *d0_bignum_neg(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 303 {
 304         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 305         mpz_neg(r->z, a->z);
 306         return r;
 307 }
 308
 309 d0_bignum_t *d0_bignum_shl(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, ssize_t n)
 310 {
 311         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 312         if(n > 0)
 313                 mpz_mul_2exp(r->z, a->z, n);
 314         else if(n < 0)
 315                 mpz_fdiv_q_2exp(r->z, a->z, -n);
 316         else
 317                 mpz_set(r->z, a->z);
 318         return r;
 319 }
 320
 321 d0_bignum_t *d0_bignum_add(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 322 {
 323         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 324         mpz_add(r->z, a->z, b->z);
 325         return r;
 326 }
 327
 328 d0_bignum_t *d0_bignum_sub(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 329 {
 330         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 331         mpz_sub(r->z, a->z, b->z);
 332         return r;
 333 }
 334
 335 d0_bignum_t *d0_bignum_mul(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 336 {
 337         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 338         mpz_mul(r->z, a->z, b->z);
 339         return r;
 340 }
 341
 342 d0_bignum_t *d0_bignum_divmod(d0_bignum_t *q, d0_bignum_t *m, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 343 {
 344         if(!q && !m)
 345                 m = d0_bignum_new();
 346         if(q)
 347                 if(m)
 348                         mpz_fdiv_qr(q->z, m->z, a->z, b->z);
 349                 else
 350                         mpz_fdiv_q(q->z, a->z, b->z);
 351         else
 352                 mpz_fdiv_r(m->z, a->z, b->z);
 353         if(m)
 354                 return m;
 355         else
 356                 return q;
 357 }
 358
 359 d0_bignum_t *d0_bignum_mod_add(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b, const d0_bignum_t *m)
 360 {
 361         r = d0_bignum_add(r, a, b);
 362         mpz_fdiv_r(r->z, r->z, m->z);
 363         return r;
 364 }
 365
 366 d0_bignum_t *d0_bignum_mod_sub(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b, const d0_bignum_t *m)
 367 {
 368         r = d0_bignum_sub(r, a, b);
 369         mpz_fdiv_r(r->z, r->z, m->z);
 370         return r;
 371 }
 372
 373 d0_bignum_t *d0_bignum_mod_mul(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b, const d0_bignum_t *m)
 374 {
 375         r = d0_bignum_mul(r, a, b);
 376         mpz_fdiv_r(r->z, r->z, m->z);
 377         return r;
 378 }
 379
 380 d0_bignum_t *d0_bignum_mod_pow(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b, const d0_bignum_t *m)
 381 {
 382         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 383         mpz_powm(r->z, a->z, b->z, m->z);
 384         return r;
 385 }
 386
 387 D0_BOOL d0_bignum_mod_inv(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *m)
 388 {
 389         // here, r MUST be set, as otherwise we cannot return error state!
 390         return mpz_invert(r->z, a->z, m->z);
 391 }
 392
 393 int d0_bignum_isprime(d0_bignum_t *r, int param)
 394 {
 395         return mpz_probab_prime_p(r->z, param);
 396 }
 397
 398 d0_bignum_t *d0_bignum_gcd(d0_bignum_t *r, d0_bignum_t *s, d0_bignum_t *t, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 399 {
 400         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 401         if(s)
 402                 mpz_gcdext(r->z, s->z, t ? t->z : NULL, a->z, b->z);
 403         else if(t)
 404                 mpz_gcdext(r->z, t->z, NULL, b->z, a->z);
 405         else
 406                 mpz_gcd(r->z, a->z, b->z);
 407         return r;
 408 }
 409
 410 char *d0_bignum_tostring(const d0_bignum_t *x, unsigned int base)
 411 {
 412         return mpz_get_str(NULL, base, x->z);
 413 }