random.c

   1 /*
   2  * random.c: Internal random number generator, guaranteed to work
   3  * the same way on all platforms. Used when generating an initial
   4  * game state from a random game seed; required to ensure that game
   5  * seeds can be exchanged between versions of a puzzle compiled for
   6  * different platforms.
   7  *
   8  * The generator is based on SHA-1. This is almost certainly
   9  * overkill, but I had the SHA-1 code kicking around and it was
  10  * easier to reuse it than to do anything else!
  11  */
  12
  13 #include <assert.h>
  14
  15 #include "puzzles.h"
  16
  17 typedef unsigned long uint32;
  18
  19 typedef struct {
  20     uint32 h[5];
  21     unsigned char block[64];
  22     int blkused;
  23     uint32 lenhi, lenlo;
  24 } SHA_State;
  25
  26 /* ----------------------------------------------------------------------
  27  * Core SHA algorithm: processes 16-word blocks into a message digest.
  28  */
  29
  30 #define rol(x,y) ( ((x) << (y)) | (((uint32)x) >> (32-y)) )
  31
  32 static void SHA_Core_Init(uint32 h[5])
  33 {
  34     h[0] = 0x67452301;
  35     h[1] = 0xefcdab89;
  36     h[2] = 0x98badcfe;
  37     h[3] = 0x10325476;
  38     h[4] = 0xc3d2e1f0;
  39 }
  40
  41 static void SHATransform(uint32 * digest, uint32 * block)
  42 {
  43     uint32 w[80];
  44     uint32 a, b, c, d, e;
  45     int t;
  46
  47     for (t = 0; t < 16; t++)
  48         w[t] = block[t];
  49
  50     for (t = 16; t < 80; t++) {
  51         uint32 tmp = w[t - 3] ^ w[t - 8] ^ w[t - 14] ^ w[t - 16];
  52         w[t] = rol(tmp, 1);
  53     }
  54
  55     a = digest[0];
  56     b = digest[1];
  57     c = digest[2];
  58     d = digest[3];
  59     e = digest[4];
  60
  61     for (t = 0; t < 20; t++) {
  62         uint32 tmp =
  63             rol(a, 5) + ((b & c) | (d & ~b)) + e + w[t] + 0x5a827999;
  64         e = d;
  65         d = c;
  66         c = rol(b, 30);
  67         b = a;
  68         a = tmp;
  69     }
  70     for (t = 20; t < 40; t++) {
  71         uint32 tmp = rol(a, 5) + (b ^ c ^ d) + e + w[t] + 0x6ed9eba1;
  72         e = d;
  73         d = c;
  74         c = rol(b, 30);
  75         b = a;
  76         a = tmp;
  77     }
  78     for (t = 40; t < 60; t++) {
  79         uint32 tmp = rol(a,
  80                          5) + ((b & c) | (b & d) | (c & d)) + e + w[t] +
  81             0x8f1bbcdc;
  82         e = d;
  83         d = c;
  84         c = rol(b, 30);
  85         b = a;
  86         a = tmp;
  87     }
  88     for (t = 60; t < 80; t++) {
  89         uint32 tmp = rol(a, 5) + (b ^ c ^ d) + e + w[t] + 0xca62c1d6;
  90         e = d;
  91         d = c;
  92         c = rol(b, 30);
  93         b = a;
  94         a = tmp;
  95     }
  96
  97     digest[0] += a;
  98     digest[1] += b;
  99     digest[2] += c;
 100     digest[3] += d;
 101     digest[4] += e;
 102 }
 103
 104 /* ----------------------------------------------------------------------
 105  * Outer SHA algorithm: take an arbitrary length byte string,
 106  * convert it into 16-word blocks with the prescribed padding at
 107  * the end, and pass those blocks to the core SHA algorithm.
 108  */
 109
 110 static void SHA_Init(SHA_State * s)
 111 {
 112     SHA_Core_Init(s->h);
 113     s->blkused = 0;
 114     s->lenhi = s->lenlo = 0;
 115 }
 116
 117 static void SHA_Bytes(SHA_State * s, void *p, int len)
 118 {
 119     unsigned char *q = (unsigned char *) p;
 120     uint32 wordblock[16];
 121     uint32 lenw = len;
 122     int i;
 123
 124     /*
 125      * Update the length field.
 126      */
 127     s->lenlo += lenw;
 128     s->lenhi += (s->lenlo < lenw);
 129
 130     if (s->blkused && s->blkused + len < 64) {
 131         /*
 132          * Trivial case: just add to the block.
 133          */
 134         memcpy(s->block + s->blkused, q, len);
 135         s->blkused += len;
 136     } else {
 137         /*
 138          * We must complete and process at least one block.
 139          */
 140         while (s->blkused + len >= 64) {
 141             memcpy(s->block + s->blkused, q, 64 - s->blkused);
 142             q += 64 - s->blkused;
 143             len -= 64 - s->blkused;
 144             /* Now process the block. Gather bytes big-endian into words */
 145             for (i = 0; i < 16; i++) {
 146                 wordblock[i] =
 147                     (((uint32) s->block[i * 4 + 0]) << 24) |
 148                     (((uint32) s->block[i * 4 + 1]) << 16) |
 149                     (((uint32) s->block[i * 4 + 2]) << 8) |
 150                     (((uint32) s->block[i * 4 + 3]) << 0);
 151             }
 152             SHATransform(s->h, wordblock);
 153             s->blkused = 0;
 154         }
 155         memcpy(s->block, q, len);
 156         s->blkused = len;
 157     }
 158 }
 159
 160 static void SHA_Final(SHA_State * s, unsigned char *output)
 161 {
 162     int i;
 163     int pad;
 164     unsigned char c[64];
 165     uint32 lenhi, lenlo;
 166
 167     if (s->blkused >= 56)
 168         pad = 56 + 64 - s->blkused;
 169     else
 170         pad = 56 - s->blkused;
 171
 172     lenhi = (s->lenhi << 3) | (s->lenlo >> (32 - 3));
 173     lenlo = (s->lenlo << 3);
 174
 175     memset(c, 0, pad);
 176     c[0] = 0x80;
 177     SHA_Bytes(s, &c, pad);
 178
 179     c[0] = (lenhi >> 24) & 0xFF;
 180     c[1] = (lenhi >> 16) & 0xFF;
 181     c[2] = (lenhi >> 8) & 0xFF;
 182     c[3] = (lenhi >> 0) & 0xFF;
 183     c[4] = (lenlo >> 24) & 0xFF;
 184     c[5] = (lenlo >> 16) & 0xFF;
 185     c[6] = (lenlo >> 8) & 0xFF;
 186     c[7] = (lenlo >> 0) & 0xFF;
 187
 188     SHA_Bytes(s, &c, 8);
 189
 190     for (i = 0; i < 5; i++) {
 191         output[i * 4] = (s->h[i] >> 24) & 0xFF;
 192         output[i * 4 + 1] = (s->h[i] >> 16) & 0xFF;
 193         output[i * 4 + 2] = (s->h[i] >> 8) & 0xFF;
 194         output[i * 4 + 3] = (s->h[i]) & 0xFF;
 195     }
 196 }
 197
 198 static void SHA_Simple(void *p, int len, unsigned char *output)
 199 {
 200     SHA_State s;
 201
 202     SHA_Init(&s);
 203     SHA_Bytes(&s, p, len);
 204     SHA_Final(&s, output);
 205 }
 206
 207 /* ----------------------------------------------------------------------
 208  * The random number generator.
 209  */
 210
 211 struct random_state {
 212     unsigned char seedbuf[40];
 213     unsigned char databuf[20];
 214     int pos;
 215 };
 216
 217 random_state *random_init(char *seed, int len)
 218 {
 219     random_state *state;
 220
 221     state = snew(random_state);
 222
 223     SHA_Simple(seed, len, state->seedbuf);
 224     SHA_Simple(state->seedbuf, 20, state->seedbuf + 20);
 225     SHA_Simple(state->seedbuf, 40, state->databuf);
 226     state->pos = 0;
 227
 228     return state;
 229 }
 230
 231 unsigned long random_bits(random_state *state, int bits)
 232 {
 233     int ret = 0;
 234     int n;
 235
 236     for (n = 0; n < bits; n += 8) {
 237         if (state->pos >= 20) {
 238             int i;
 239
 240             for (i = 0; i < 20; i++) {
 241                 if (state->seedbuf[i] != 0xFF) {
 242                     state->seedbuf[i]++;
 243                     break;
 244                 } else
 245                     state->seedbuf[i] = 0;
 246             }
 247             SHA_Simple(state->seedbuf, 40, state->databuf);
 248             state->pos = 0;
 249         }
 250         ret = (ret << 8) | state->databuf[state->pos++];
 251     }
 252
 253     ret &= (1 << bits) - 1;
 254     return ret;
 255 }
 256
 257 unsigned long random_upto(random_state *state, unsigned long limit)
 258 {
 259     int bits = 0;
 260     unsigned long max, divisor, data;
 261
 262     while ((limit >> bits) != 0)
 263         bits++;
 264
 265     bits += 3;
 266     assert(bits < 32);
 267
 268     max = 1 << bits;
 269     divisor = max / limit;
 270     max = limit * divisor;
 271
 272     do {
 273         data = random_bits(state, bits);
 274     } while (data >= max);
 275
 276     return data / divisor;
 277 }
 278
 279 void random_free(random_state *state)
 280 {
 281     sfree(state);
 282 }