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  * $Id$
  33  */
  34
  35 /* NOTE: this file links against libgmp (http://gmplib.org), which is under the
  36  * Lesser General Public License 2.1 or later. You may have to abide to its
  37  * terms too if you use this file.
  38  * To alternatively link to OpenSSL, provide the option --with-openssl to
  39  * ./configure.
  40  */
  41
  42 #ifdef WIN32
  43 #include <windows.h>
  44 #include <wincrypt.h>
  45 #endif
  46
  47 #include "d0_bignum.h"
  48
  49 #include <gmp.h>
  50 #include <string.h>
  51 #include <stdlib.h>
  52
  53 struct d0_bignum_s
  54 {
  55         mpz_t z;
  56 };
  57
  58 static gmp_randstate_t RANDSTATE;
  59 static d0_bignum_t temp;
  60
  61 #include <time.h>
  62 #include <stdio.h>
  63
  64 WARN_UNUSED_RESULT BOOL d0_bignum_INITIALIZE(void)
  65 {
  66         FILE *f;
  67         BOOL ret = 1;
  68         unsigned char buf[256];
  69         d0_bignum_init(&temp);
  70         gmp_randinit_mt(RANDSTATE);
  71         gmp_randseed_ui(RANDSTATE, time(NULL));
  72         * (time_t *) (&buf[0]) = time(0); // if everything else fails, we use the current time + uninitialized data
  73 #ifdef WIN32
  74         {
  75                 HCRYPTPROV hCryptProv;
  76                 if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT))
  77                 {
  78                         if(!CryptGenRandom(hCryptProv, sizeof(buf), (PBYTE) &buf[0]))
  79                         {
  80                                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptGenRandom failed)\n");
  81                                 ret = 0;
  82                         }
  83                         CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
  84                 }
  85                 else if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT | CRYPT_NEWKEYSET))
  86                 {
  87                         if(!CryptGenRandom(hCryptProv, sizeof(buf), (PBYTE) &buf[0]))
  88                         {
  89                                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptGenRandom failed)\n");
  90                                 ret = 0;
  91                         }
  92                         CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
  93                 }
  94                 else
  95                 {
  96                         fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptAcquireContext failed)\n");
  97                         ret = 0;
  98                 }
  99         }
 100 #else
 101         f = fopen("/dev/urandom", "rb");
 102         if(!f)
 103                 f = fopen("/dev/random", "rb");
 104         if(f)
 105         {
 106                 setbuf(f, NULL);
 107                 if(fread(buf, sizeof(buf), 1, f) != 1)
 108                 {
 109                         fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (read from random device failed)\n");
 110                         ret = 0;
 111                 }
 112                 fclose(f);
 113         }
 114         else
 115         {
 116                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (no random device found)\n");
 117                 ret = 0;
 118         }
 119 #endif
 120
 121         mpz_import(temp.z, sizeof(buf), 1, 1, 0, 0, buf);
 122         gmp_randseed(RANDSTATE, temp.z);
 123
 124         return ret;
 125 }
 126
 127 void d0_bignum_SHUTDOWN(void)
 128 {
 129         d0_bignum_clear(&temp);
 130         gmp_randclear(RANDSTATE);
 131 }
 132
 133 BOOL d0_iobuf_write_bignum(d0_iobuf_t *buf, const d0_bignum_t *bignum)
 134 {
 135         static unsigned char numbuf[65536];
 136         size_t count = 0;
 137         numbuf[0] = mpz_sgn(bignum->z) & 3;
 138         if((numbuf[0] & 3) != 0) // nonzero
 139         {
 140                 count = (mpz_sizeinbase(bignum->z, 2) + 7) / 8;
 141                 if(count > sizeof(numbuf) - 1)
 142                         return 0;
 143                 mpz_export(numbuf+1, &count, 1, 1, 0, 0, bignum->z);
 144         }
 145         return d0_iobuf_write_packet(buf, numbuf, count + 1);
 146 }
 147
 148 d0_bignum_t *d0_iobuf_read_bignum(d0_iobuf_t *buf, d0_bignum_t *bignum)
 149 {
 150         static unsigned char numbuf[65536];
 151         size_t count = sizeof(numbuf);
 152         if(!d0_iobuf_read_packet(buf, numbuf, &count))
 153                 return NULL;
 154         if(count < 1)
 155                 return NULL;
 156         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 157         if(numbuf[0] & 3) // nonzero
 158         {
 159                 mpz_import(bignum->z, count-1, 1, 1, 0, 0, numbuf+1);
 160                 if(numbuf[0] & 2) // negative
 161                         mpz_neg(bignum->z, bignum->z);
 162         }
 163         else // zero
 164         {
 165                 mpz_set_ui(bignum->z, 0);
 166         }
 167         return bignum;
 168 }
 169
 170 ssize_t d0_bignum_export_unsigned(const d0_bignum_t *bignum, void *buf, size_t bufsize)
 171 {
 172         size_t count;
 173         count = (mpz_sizeinbase(bignum->z, 2) + 7) / 8;
 174         if(count > bufsize)
 175                 return -1;
 176         if(bufsize > count)
 177         {
 178                 // pad from left (big endian numbers!)
 179                 memset(buf, 0, bufsize - count);
 180                 buf += bufsize - count;
 181         }
 182         bufsize = count;
 183         mpz_export(buf, &bufsize, 1, 1, 0, 0, bignum->z);
 184         if(bufsize > count)
 185         {
 186                 // REALLY BAD
 187                 // mpz_sizeinbase lied to us
 188                 // buffer overflow
 189                 // there is no sane way whatsoever to handle this
 190                 abort();
 191         }
 192         if(bufsize < count)
 193         {
 194                 // BAD
 195                 // mpz_sizeinbase lied to us
 196                 // move the number
 197                 if(bufsize == 0)
 198                 {
 199                         memset(buf, 0, count);
 200                 }
 201                 else
 202                 {
 203                         memmove(buf + count - bufsize, buf, bufsize);
 204                         memset(buf, 0, count - bufsize);
 205                 }
 206         }
 207         return bufsize;
 208 }
 209
 210 d0_bignum_t *d0_bignum_import_unsigned(d0_bignum_t *bignum, const void *buf, size_t bufsize)
 211 {
 212         size_t count;
 213         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 214         mpz_import(bignum->z, bufsize, 1, 1, 0, 0, buf);
 215         return bignum;
 216 }
 217
 218 d0_bignum_t *d0_bignum_new(void)
 219 {
 220         d0_bignum_t *b = d0_malloc(sizeof(d0_bignum_t));
 221         mpz_init(b->z);
 222         return b;
 223 }
 224
 225 void d0_bignum_free(d0_bignum_t *a)
 226 {
 227         mpz_clear(a->z);
 228         d0_free(a);
 229 }
 230
 231 void d0_bignum_init(d0_bignum_t *b)
 232 {
 233         mpz_init(b->z);
 234 }
 235
 236 void d0_bignum_clear(d0_bignum_t *a)
 237 {
 238         mpz_clear(a->z);
 239 }
 240
 241 size_t d0_bignum_size(const d0_bignum_t *r)
 242 {
 243         return mpz_sizeinbase(r->z, 2);
 244 }
 245
 246 int d0_bignum_cmp(const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 247 {
 248         return mpz_cmp(a->z, b->z);
 249 }
 250
 251 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_range(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *min, const d0_bignum_t *max)
 252 {
 253         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 254         mpz_sub(temp.z, max->z, min->z);
 255         mpz_urandomm(r->z, RANDSTATE, temp.z);
 256         mpz_add(r->z, r->z, min->z);
 257         return r;
 258 }
 259
 260 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_atmost(d0_bignum_t *r, size_t n)
 261 {
 262         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 263         mpz_urandomb(r->z, RANDSTATE, n);
 264         return r;
 265 }
 266
 267 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_exact(d0_bignum_t *r, size_t n)
 268 {
 269         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 270         mpz_urandomb(r->z, RANDSTATE, n-1);
 271         mpz_setbit(r->z, n-1);
 272         return r;
 273 }
 274
 275 d0_bignum_t *d0_bignum_zero(d0_bignum_t *r)
 276 {
 277         return d0_bignum_int(r, 0);
 278 }
 279
 280 d0_bignum_t *d0_bignum_one(d0_bignum_t *r)
 281 {
 282         return d0_bignum_int(r, 1);
 283 }
 284
 285 d0_bignum_t *d0_bignum_int(d0_bignum_t *r, int n)
 286 {
 287         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 288         mpz_set_si(r->z, n);
 289         return r;
 290 }
 291
 292 d0_bignum_t *d0_bignum_mov(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 293 {
 294         if(r == a)
 295                 return r; // trivial
 296         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 297         mpz_set(r->z, a->z);
 298         return r;
 299 }
 300
 301 d0_bignum_t *d0_bignum_neg(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 302 {
 303         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 304         mpz_neg(r->z, a->z);
 305         return r;
 306 }
 307
 308 d0_bignum_t *d0_bignum_shl(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, ssize_t n)
 309 {
 310         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 311         if(n > 0)
 312                 mpz_mul_2exp(r->z, a->z, n);
 313         else if(n < 0)
 314                 mpz_fdiv_q_2exp(r->z, a->z, -n);
 315         else
 316                 mpz_set(r->z, a->z);
 317         return r;
 318 }
 319
 320 d0_bignum_t *d0_bignum_add(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 321 {
 322         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 323         mpz_add(r->z, a->z, b->z);
 324         return r;
 325 }
 326
 327 d0_bignum_t *d0_bignum_sub(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 328 {
 329         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 330         mpz_sub(r->z, a->z, b->z);
 331         return r;
 332 }
 333
 334 d0_bignum_t *d0_bignum_mul(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 335 {
 336         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 337         mpz_mul(r->z, a->z, b->z);
 338         return r;
 339 }
 340
 341 d0_bignum_t *d0_bignum_divmod(d0_bignum_t *q, d0_bignum_t *m, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 342 {
 343         if(!q && !m)
 344                 m = d0_bignum_new();
 345         if(q)
 346                 if(m)
 347                         mpz_fdiv_qr(q->z, m->z, a->z, b->z);
 348                 else
 349                         mpz_fdiv_q(q->z, a->z, b->z);
 350         else
 351                 mpz_fdiv_r(m->z, a->z, b->z);
 352         if(m)
 353                 return m;
 354         else
 355                 return q;
 356 }
 357
 358 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)
 359 {
 360         r = d0_bignum_add(r, a, b);
 361         mpz_fdiv_r(r->z, r->z, m->z);
 362         return r;
 363 }
 364
 365 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)
 366 {
 367         r = d0_bignum_mul(r, a, b);
 368         mpz_fdiv_r(r->z, r->z, m->z);
 369         return r;
 370 }
 371
 372 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)
 373 {
 374         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 375         mpz_powm(r->z, a->z, b->z, m->z);
 376         return r;
 377 }
 378
 379 BOOL d0_bignum_mod_inv(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *m)
 380 {
 381         // here, r MUST be set, as otherwise we cannot return error state!
 382         return mpz_invert(r->z, a->z, m->z);
 383 }
 384
 385 int d0_bignum_isprime(d0_bignum_t *r, int param)
 386 {
 387         return mpz_probab_prime_p(r->z, param);
 388 }
 389
 390 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)
 391 {
 392         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 393         if(s)
 394                 mpz_gcdext(r->z, s->z, t ? t->z : NULL, a->z, b->z);
 395         else if(t)
 396                 mpz_gcdext(r->z, t->z, NULL, b->z, a->z);
 397         else
 398                 mpz_gcd(r->z, a->z, b->z);
 399         return r;
 400 }
 401
 402 char *d0_bignum_tostring(const d0_bignum_t *x, unsigned int base)
 403 {
 404         return mpz_get_str(NULL, base, x->z);
 405 }