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 static unsigned char numbuf[65536];
  62 static void *tempmutex = NULL; // hold this mutex when using RANDSTATE or temp or numbuf
  63
  64 #include <time.h>
  65 #include <stdio.h>
  66
  67 static void *allocate_function (size_t alloc_size)
  68 {
  69         return d0_malloc(alloc_size);
  70 }
  71 static void *reallocate_function (void *ptr, size_t old_size, size_t new_size)
  72 {
  73         void *data;
  74         if(old_size == new_size)
  75                 return ptr;
  76         data = d0_malloc(new_size);
  77         if(ptr && data)
  78                 memcpy(data, ptr, (old_size < new_size) ? old_size : new_size);
  79         d0_free(ptr);
  80         return data;
  81 }
  82 void deallocate_function (void *ptr, size_t size)
  83 {
  84         d0_free(ptr);
  85 }
  86
  87 D0_WARN_UNUSED_RESULT D0_BOOL d0_bignum_INITIALIZE(void)
  88 {
  89         FILE *f;
  90         D0_BOOL ret = 1;
  91         unsigned char buf[256];
  92
  93         tempmutex = d0_createmutex();
  94         d0_lockmutex(tempmutex);
  95
  96         mp_set_memory_functions(allocate_function, reallocate_function, deallocate_function);
  97
  98         d0_bignum_init(&temp);
  99         gmp_randinit_mt(RANDSTATE);
 100         gmp_randseed_ui(RANDSTATE, time(NULL));
 101         * (time_t *) (&buf[0]) = time(0); // if everything else fails, we use the current time + uninitialized data
 102 #ifdef WIN32
 103         {
 104                 HCRYPTPROV hCryptProv;
 105                 if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT))
 106                 {
 107                         if(!CryptGenRandom(hCryptProv, sizeof(buf), (PBYTE) &buf[0]))
 108                         {
 109                                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptGenRandom failed)\n");
 110                                 ret = 0;
 111                         }
 112                         CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
 113                 }
 114                 else if(CryptAcquireContext(&hCryptProv, NULL, NULL, PROV_RSA_FULL, CRYPT_VERIFYCONTEXT | CRYPT_NEWKEYSET))
 115                 {
 116                         if(!CryptGenRandom(hCryptProv, sizeof(buf), (PBYTE) &buf[0]))
 117                         {
 118                                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptGenRandom failed)\n");
 119                                 ret = 0;
 120                         }
 121                         CryptReleaseContext(hCryptProv, 0);
 122                 }
 123                 else
 124                 {
 125                         fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (CryptAcquireContext failed)\n");
 126                         ret = 0;
 127                 }
 128         }
 129 #else
 130         f = fopen("/dev/urandom", "rb");
 131         if(!f)
 132                 f = fopen("/dev/random", "rb");
 133         if(f)
 134         {
 135                 setbuf(f, NULL);
 136                 if(fread(buf, sizeof(buf), 1, f) != 1)
 137                 {
 138                         fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (read from random device failed)\n");
 139                         ret = 0;
 140                 }
 141                 fclose(f);
 142         }
 143         else
 144         {
 145                 fprintf(stderr, "WARNING: could not initialize random number generator (no random device found)\n");
 146                 ret = 0;
 147         }
 148 #endif
 149
 150         mpz_import(temp.z, sizeof(buf), 1, 1, 0, 0, buf);
 151         gmp_randseed(RANDSTATE, temp.z);
 152
 153         d0_unlockmutex(tempmutex);
 154
 155         return ret;
 156 }
 157
 158 void d0_bignum_SHUTDOWN(void)
 159 {
 160         d0_lockmutex(tempmutex);
 161
 162         d0_bignum_clear(&temp);
 163         gmp_randclear(RANDSTATE);
 164
 165         d0_unlockmutex(tempmutex);
 166         d0_destroymutex(tempmutex);
 167         tempmutex = NULL;
 168 }
 169
 170 D0_BOOL d0_iobuf_write_bignum(d0_iobuf_t *buf, const d0_bignum_t *bignum)
 171 {
 172         D0_BOOL ret;
 173         size_t count = 0;
 174
 175         d0_lockmutex(tempmutex);
 176         numbuf[0] = mpz_sgn(bignum->z) & 3;
 177         if((numbuf[0] & 3) != 0) // nonzero
 178         {
 179                 count = (mpz_sizeinbase(bignum->z, 2) + 7) / 8;
 180                 if(count > sizeof(numbuf) - 1)
 181                 {
 182                         d0_unlockmutex(tempmutex);
 183                         return 0;
 184                 }
 185                 mpz_export(numbuf+1, &count, 1, 1, 0, 0, bignum->z);
 186         }
 187         ret = d0_iobuf_write_packet(buf, numbuf, count + 1);
 188         d0_unlockmutex(tempmutex);
 189         return ret;
 190 }
 191
 192 d0_bignum_t *d0_iobuf_read_bignum(d0_iobuf_t *buf, d0_bignum_t *bignum)
 193 {
 194         size_t count = sizeof(numbuf);
 195
 196         d0_lockmutex(tempmutex);
 197         if(!d0_iobuf_read_packet(buf, numbuf, &count))
 198         {
 199                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 200                 return NULL;
 201         }
 202         if(count < 1)
 203         {
 204                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 205                 return NULL;
 206         }
 207         if(!bignum)
 208                 bignum = d0_bignum_new();
 209         if(!bignum)
 210         {
 211                 d0_unlockmutex(tempmutex);
 212                 return NULL;
 213         }
 214         if(numbuf[0] & 3) // nonzero
 215         {
 216                 mpz_import(bignum->z, count-1, 1, 1, 0, 0, numbuf+1);
 217                 if(numbuf[0] & 2) // negative
 218                         mpz_neg(bignum->z, bignum->z);
 219         }
 220         else // zero
 221         {
 222                 mpz_set_ui(bignum->z, 0);
 223         }
 224         d0_unlockmutex(tempmutex);
 225         return bignum;
 226 }
 227
 228 ssize_t d0_bignum_export_unsigned(const d0_bignum_t *bignum, void *buf, size_t bufsize)
 229 {
 230         size_t count;
 231         count = (mpz_sizeinbase(bignum->z, 2) + 7) / 8;
 232         if(count > bufsize)
 233                 return -1;
 234         if(bufsize > count)
 235         {
 236                 // pad from left (big endian numbers!)
 237                 memset(buf, 0, bufsize - count);
 238                 buf += bufsize - count;
 239         }
 240         bufsize = count;
 241         mpz_export(buf, &bufsize, 1, 1, 0, 0, bignum->z);
 242         if(bufsize > count)
 243         {
 244                 // REALLY BAD
 245                 // mpz_sizeinbase lied to us
 246                 // buffer overflow
 247                 // there is no sane way whatsoever to handle this
 248                 abort();
 249         }
 250         if(bufsize < count)
 251         {
 252                 // BAD
 253                 // mpz_sizeinbase lied to us
 254                 // move the number
 255                 if(count == 0)
 256                 {
 257                         memset(buf, 0, count);
 258                 }
 259                 else
 260                 {
 261                         memmove(buf + count - bufsize, buf, bufsize);
 262                         memset(buf, 0, count - bufsize);
 263                 }
 264         }
 265         return bufsize;
 266 }
 267
 268 d0_bignum_t *d0_bignum_import_unsigned(d0_bignum_t *bignum, const void *buf, size_t bufsize)
 269 {
 270         size_t count;
 271         if(!bignum) bignum = d0_bignum_new(); if(!bignum) return NULL;
 272         mpz_import(bignum->z, bufsize, 1, 1, 0, 0, buf);
 273         return bignum;
 274 }
 275
 276 d0_bignum_t *d0_bignum_new(void)
 277 {
 278         d0_bignum_t *b = d0_malloc(sizeof(d0_bignum_t));
 279         mpz_init(b->z);
 280         return b;
 281 }
 282
 283 void d0_bignum_free(d0_bignum_t *a)
 284 {
 285         mpz_clear(a->z);
 286         d0_free(a);
 287 }
 288
 289 void d0_bignum_init(d0_bignum_t *b)
 290 {
 291         mpz_init(b->z);
 292 }
 293
 294 void d0_bignum_clear(d0_bignum_t *a)
 295 {
 296         mpz_clear(a->z);
 297 }
 298
 299 size_t d0_bignum_size(const d0_bignum_t *r)
 300 {
 301         return mpz_sizeinbase(r->z, 2);
 302 }
 303
 304 int d0_bignum_cmp(const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 305 {
 306         return mpz_cmp(a->z, b->z);
 307 }
 308
 309 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_range(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *min, const d0_bignum_t *max)
 310 {
 311         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 312         d0_lockmutex(tempmutex);
 313         mpz_sub(temp.z, max->z, min->z);
 314         mpz_urandomm(r->z, RANDSTATE, temp.z);
 315         d0_unlockmutex(tempmutex);
 316         mpz_add(r->z, r->z, min->z);
 317         return r;
 318 }
 319
 320 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_atmost(d0_bignum_t *r, size_t n)
 321 {
 322         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 323         d0_lockmutex(tempmutex);
 324         mpz_urandomb(r->z, RANDSTATE, n);
 325         d0_unlockmutex(tempmutex);
 326         return r;
 327 }
 328
 329 d0_bignum_t *d0_bignum_rand_bit_exact(d0_bignum_t *r, size_t n)
 330 {
 331         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 332         d0_lockmutex(tempmutex);
 333         mpz_urandomb(r->z, RANDSTATE, n-1);
 334         d0_unlockmutex(tempmutex);
 335         mpz_setbit(r->z, n-1);
 336         return r;
 337 }
 338
 339 d0_bignum_t *d0_bignum_zero(d0_bignum_t *r)
 340 {
 341         return d0_bignum_int(r, 0);
 342 }
 343
 344 d0_bignum_t *d0_bignum_one(d0_bignum_t *r)
 345 {
 346         return d0_bignum_int(r, 1);
 347 }
 348
 349 d0_bignum_t *d0_bignum_int(d0_bignum_t *r, int n)
 350 {
 351         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 352         mpz_set_si(r->z, n);
 353         return r;
 354 }
 355
 356 d0_bignum_t *d0_bignum_mov(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 357 {
 358         if(r == a)
 359                 return r; // trivial
 360         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 361         mpz_set(r->z, a->z);
 362         return r;
 363 }
 364
 365 d0_bignum_t *d0_bignum_neg(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a)
 366 {
 367         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 368         mpz_neg(r->z, a->z);
 369         return r;
 370 }
 371
 372 d0_bignum_t *d0_bignum_shl(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, ssize_t n)
 373 {
 374         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 375         if(n > 0)
 376                 mpz_mul_2exp(r->z, a->z, n);
 377         else if(n < 0)
 378                 mpz_fdiv_q_2exp(r->z, a->z, -n);
 379         else
 380                 mpz_set(r->z, a->z);
 381         return r;
 382 }
 383
 384 d0_bignum_t *d0_bignum_add(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 385 {
 386         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 387         mpz_add(r->z, a->z, b->z);
 388         return r;
 389 }
 390
 391 d0_bignum_t *d0_bignum_sub(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 392 {
 393         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 394         mpz_sub(r->z, a->z, b->z);
 395         return r;
 396 }
 397
 398 d0_bignum_t *d0_bignum_mul(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 399 {
 400         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 401         mpz_mul(r->z, a->z, b->z);
 402         return r;
 403 }
 404
 405 d0_bignum_t *d0_bignum_divmod(d0_bignum_t *q, d0_bignum_t *m, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *b)
 406 {
 407         if(!q && !m)
 408                 m = d0_bignum_new();
 409         if(q)
 410                 if(m)
 411                         mpz_fdiv_qr(q->z, m->z, a->z, b->z);
 412                 else
 413                         mpz_fdiv_q(q->z, a->z, b->z);
 414         else
 415                 mpz_fdiv_r(m->z, a->z, b->z);
 416         if(m)
 417                 return m;
 418         else
 419                 return q;
 420 }
 421
 422 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)
 423 {
 424         r = d0_bignum_add(r, a, b);
 425         mpz_fdiv_r(r->z, r->z, m->z);
 426         return r;
 427 }
 428
 429 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)
 430 {
 431         r = d0_bignum_sub(r, a, b);
 432         mpz_fdiv_r(r->z, r->z, m->z);
 433         return r;
 434 }
 435
 436 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)
 437 {
 438         r = d0_bignum_mul(r, a, b);
 439         mpz_fdiv_r(r->z, r->z, m->z);
 440         return r;
 441 }
 442
 443 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)
 444 {
 445         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 446         mpz_powm(r->z, a->z, b->z, m->z);
 447         return r;
 448 }
 449
 450 D0_BOOL d0_bignum_mod_inv(d0_bignum_t *r, const d0_bignum_t *a, const d0_bignum_t *m)
 451 {
 452         // here, r MUST be set, as otherwise we cannot return error state!
 453         return mpz_invert(r->z, a->z, m->z);
 454 }
 455
 456 int d0_bignum_isprime(const d0_bignum_t *r, int param)
 457 {
 458         return mpz_probab_prime_p(r->z, param);
 459 }
 460
 461 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)
 462 {
 463         if(!r) r = d0_bignum_new(); if(!r) return NULL;
 464         if(s)
 465                 mpz_gcdext(r->z, s->z, t ? t->z : NULL, a->z, b->z);
 466         else if(t)
 467                 mpz_gcdext(r->z, t->z, NULL, b->z, a->z);
 468         else
 469                 mpz_gcd(r->z, a->z, b->z);
 470         return r;
 471 }
 472
 473 char *d0_bignum_tostring(const d0_bignum_t *x, unsigned int base)
 474 {
 475         return mpz_get_str(NULL, base, x->z); // this allocates!
 476 }