catcrypt.c, catsign.c: Shorten chunk sizes.
[u/mdw/catacomb] / mp.h
diff --git a/mp.h b/mp.h
index 71092fd..13f97d1 100644 (file)
--- a/mp.h
+++ b/mp.h
@@ -1,13 +1,13 @@
 /* -*-c-*-
  *
- * $Id: mp.h,v 1.12 2001/06/16 12:57:43 mdw Exp $
+ * $Id$
  *
  * Simple multiprecision arithmetic
  *
  * (c) 1999 Straylight/Edgeware
  */
 
-/*----- Licensing notice --------------------------------------------------* 
+/*----- Licensing notice --------------------------------------------------*
  *
  * This file is part of Catacomb.
  *
  * it under the terms of the GNU Library General Public License as
  * published by the Free Software Foundation; either version 2 of the
  * License, or (at your option) any later version.
- * 
+ *
  * Catacomb is distributed in the hope that it will be useful,
  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
  * GNU Library General Public License for more details.
- * 
+ *
  * You should have received a copy of the GNU Library General Public
  * License along with Catacomb; if not, write to the Free
  * Software Foundation, Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston,
  * MA 02111-1307, USA.
  */
 
-/*----- Revision history --------------------------------------------------* 
- *
- * $Log: mp.h,v $
- * Revision 1.12  2001/06/16 12:57:43  mdw
- * Move the @mpmont_factor@ structure and rename it now that it's used for
- * Barrett simultaneous exponentiation too.
- *
- * Revision 1.11  2001/04/03 19:36:05  mdw
- * Add some simple bitwise operations so that Perl can use them.
- *
- * Revision 1.10  2000/10/08 12:03:16  mdw
- * Provide @mp_eq@ and @MP_EQ@ for rapidly testing equality of two
- * integers.
- *
- * Revision 1.9  2000/07/29 17:03:31  mdw
- * Add support for left-to-right bitscanning, for use in modular
- * exponentiation.
- *
- * Revision 1.8  2000/06/22 19:02:01  mdw
- * Add new functions.
- *
- * Revision 1.7  2000/06/17 11:45:09  mdw
- * Major memory management overhaul.  Added arena support.  Use the secure
- * arena for secret integers.  Replace and improve the MP management macros
- * (e.g., replace MP_MODIFY by MP_DEST).
- *
- * Revision 1.6  1999/12/10 23:19:46  mdw
- * Minor bugfixes.  New interface for suggested destinations.
- *
- * Revision 1.5  1999/11/22 20:50:37  mdw
- * Add support for computing Jacobi symbols.
- *
- * Revision 1.4  1999/11/21 22:13:02  mdw
- * Add mp version of MPX_BITS.
- *
- * Revision 1.3  1999/11/19 13:19:14  mdw
- * Fix const annotation.
- *
- * Revision 1.2  1999/11/17 18:02:16  mdw
- * New multiprecision integer arithmetic suite.
- *
- */
-
 #ifndef CATACOMB_MP_H
 #define CATACOMB_MP_H
 
@@ -133,14 +90,14 @@ typedef struct mp_expfactor {
 extern mp mp_const[];
 
 #define MP_ZERO         (&mp_const[0])
-#define MP_ONE   (&mp_const[1])
-#define MP_TWO   (&mp_const[2])
+#define MP_ONE  (&mp_const[1])
+#define MP_TWO  (&mp_const[2])
 #define MP_THREE (&mp_const[3])
-#define MP_FOUR  (&mp_const[4])
-#define MP_FIVE  (&mp_const[5])
-#define MP_TEN   (&mp_const[6])
+#define MP_FOUR         (&mp_const[4])
+#define MP_FIVE         (&mp_const[5])
+#define MP_TEN  (&mp_const[6])
 #define MP_256  (&mp_const[7])
-#define MP_MONE  (&mp_const[8])
+#define MP_MONE         (&mp_const[8])
 
 #define MP_NEW ((mp *)0)
 #define MP_NEWSEC (&mp_const[9])
@@ -261,7 +218,7 @@ extern void mp_drop(mp */*m*/);
   if (_mm->ref == 0 && !(_mm->f & MP_CONST))                           \
     mp_destroy(_mm);                                                   \
 } while (0)
-                  
+
 /* --- @mp_split@ --- *
  *
  * Arguments:  @mp *m@ = pointer to a multiprecision integer
@@ -406,7 +363,7 @@ extern void mp_shrink(mp */*m*/);
 #define MP_SHRINK(m) do {                                              \
   mp *_mm = (m);                                                       \
   MPX_SHRINK(_mm->v, _mm->vl);                                         \
-  if (!MP_LEN(_mm))                                                    \
+  if (MP_ZEROP(_mm))                                                   \
     _mm->f &= ~MP_NEG;                                                 \
 } while (0)
 
@@ -492,6 +449,18 @@ extern void mp_rscan(mpscan */*sc*/, const mp */*m*/);
 
 extern size_t mp_octets(const mp */*m*/);
 
+/* --- @mp_octets2c@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @const mp *m@ = a multiprecision integer
+ *
+ * Returns:    The number of octets required to represent @m@.
+ *
+ * Use:                Calculates the external storage required for a multiprecision
+ *             integer represented as two's complement.
+ */
+
+extern size_t mp_octets2c(const mp */*m*/);
+
 /* --- @mp_bits@ --- *
  *
  * Arguments:  @const mp *m@ = a multiprecision integer
@@ -574,50 +543,230 @@ extern mp *mp_loadb(mp */*d*/, const void */*pv*/, size_t /*sz*/);
 
 extern void mp_storeb(const mp */*m*/, void */*pv*/, size_t /*sz*/);
 
-/*----- Simple arithmetic -------------------------------------------------*/
+/* --- @mp_loadl2c@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *d@ = destination
+ *             @const void *pv@ = pointer to source data
+ *             @size_t sz@ = size of the source data
+ *
+ * Returns:    Resulting multiprecision number.
+ *
+ * Use:                Loads a multiprecision number from an array of octets as
+ *             two's complement.  The first byte in the array is the least
+ *             significant.
+ */
+
+extern mp *mp_loadl2c(mp */*d*/, const void */*pv*/, size_t /*sz*/);
 
-/* --- @mp_2c@ --- *
+/* --- @mp_storel2c@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @const mp *m@ = source
+ *             @void *pv@ = pointer to output array
+ *             @size_t sz@ = size of the output array
+ *
+ * Returns:    ---
+ *
+ * Use:                Stores a multiprecision number in an array of octets as two's
+ *             complement.  The first byte in the array is the least
+ *             significant.  If the array is too small to represent the
+ *             number, high-order bits are truncated; if the array is too
+ *             large, high order bytes are sign-extended.
+ */
+
+extern void mp_storel2c(const mp */*m*/, void */*pv*/, size_t /*sz*/);
+
+/* --- @mp_loadb2c@ --- *
  *
  * Arguments:  @mp *d@ = destination
- *             @mp *a@ = source
+ *             @const void *pv@ = pointer to source data
+ *             @size_t sz@ = size of the source data
+ *
+ * Returns:    Resulting multiprecision number.
+ *
+ * Use:                Loads a multiprecision number from an array of octets as
+ *             two's complement.  The last byte in the array is the least
+ *             significant.
+ */
+
+extern mp *mp_loadb2c(mp */*d*/, const void */*pv*/, size_t /*sz*/);
+
+/* --- @mp_storeb2c@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @const mp *m@ = source
+ *             @void *pv@ = pointer to output array
+ *             @size_t sz@ = size of the output array
+ *
+ * Returns:    ---
  *
- * Returns:    Result, @a@ converted to two's complement notation.
+ * Use:                Stores a multiprecision number in an array of octets, as
+ *             two's complement.  The last byte in the array is the least
+ *             significant.  If the array is too small to represent the
+ *             number, high-order bits are truncated; if the array is too
+ *             large, high order bytes are sign-extended.
  */
 
-extern mp *mp_2c(mp */*d*/, mp */*a*/);
+extern void mp_storeb2c(const mp */*m*/, void */*pv*/, size_t /*sz*/);
 
-/* --- @mp_sm@ --- *
+/*----- Bit operations ----------------------------------------------------*/
+
+/* --- @mp_not@ --- *
  *
  * Arguments:  @mp *d@ = destination
  *             @mp *a@ = source
  *
- * Returns:    Result, @a@ converted to the native signed-magnitude
- *             notation.
+ * Returns:    The bitwise complement of the source.
+ */
+
+extern mp *mp_not(mp */*d*/, mp */*a*/);
+
+/* --- @mp_bitop@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *d@ = destination
+ *             @mp *a, *b@ = sources
+ *
+ * Returns:    The result of the given bitwise operation.  These functions
+ *             don't handle negative numbers at all sensibly.  For that, use
+ *             the @...2c@ variants.  The functions are named after the
+ *             truth tables they generate:
+ *
+ *                     a:      0011
+ *                     b:      0101
+ *                     @mpx_bitXXXX@
+ */
+
+#define MP_BITDECL(string)                                             \
+  extern mp *mp_bit##string(mp */*d*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
+MPX_DOBIN(MP_BITDECL)
+
+/* --- @mp_[n]and@, @mp_[n]or@, @mp_[n]xor@, @mp_not@ --- *
+ *
+ * Synonyms for the commonly-used functions.
+ */
+
+#define mp_and mp_bit0001
+#define mp_or  mp_bit0111
+#define mp_nand mp_bit1110
+#define mp_nor mp_bit1000
+#define mp_xor mp_bit0110
+
+/* --- @mp_testbit@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *x@ = a large integer
+ *             @unsigned long n@ = which bit to test
+ *
+ * Returns:    Nonzero if the bit is set, zero if not.
  */
 
-extern mp *mp_sm(mp */*d*/, mp */*a*/);
+extern int mp_testbit(mp */*x*/, unsigned long /*n*/);
 
-/* --- @mp_lsl@ --- *
+/* --- @mp_setbit@, @mp_clearbit@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *d@ = a destination
+ *             @mp *x@ = a large integer
+ *             @unsigned long n@ = which bit to modify
+ *
+ * Returns:    The argument @x@, with the appropriate bit set or cleared.
+ */
+
+extern mp *mp_setbit(mp */*d*/, mp */*x*/, unsigned long /*n*/);
+extern mp *mp_clearbit(mp */*d*/, mp */*x*/, unsigned long /*n*/);
+
+/* --- @mp_lsl@, @mp_lslc@, @mp_lsr@ --- *
  *
  * Arguments:  @mp *d@ = destination
  *             @mp *a@ = source
  *             @size_t n@ = number of bits to move
  *
- * Returns:    Result, @a@ shifted left by @n@.
+ * Returns:    Result, @a@ shifted left or right by @n@.
+ *
+ * Use:                Bitwise shift operators.  @mp_lslc@ fills the bits introduced
+ *             on the right with ones instead of zeroes: it's used
+ *             internally by @mp_lsl2c@, though it may be useful on its
+ *             own.
  */
 
 extern mp *mp_lsl(mp */*d*/, mp */*a*/, size_t /*n*/);
+extern mp *mp_lslc(mp */*d*/, mp */*a*/, size_t /*n*/);
+extern mp *mp_lsr(mp */*d*/, mp */*a*/, size_t /*n*/);
 
-/* --- @mp_lsr@ --- *
+/* --- @mp_not2c@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *d@ = destination
+ *             @mp *a@ = source
+ *
+ * Returns:    The sign-extended complement of the argument.
+ */
+
+extern mp *mp_not2c(mp */*d*/, mp */*a*/);
+
+/* --- @mp_bitop2c@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *d@ = destination
+ *             @mp *a, *b@ = sources
+ *
+ * Returns:    The result of the given bitwise operation.  Negative numbers
+ *             are treated as two's complement, sign-extended infinitely to
+ *             the left.  The functions are named after the truth tables
+ *             they generate:
+ *
+ *                     a:      0011
+ *                     b:      0101
+ *                     @mpx_bitXXXX@
+ */
+
+#define MP_BIT2CDECL(string)                                           \
+  extern mp *mp_bit##string##2c(mp */*d*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
+MPX_DOBIN(MP_BIT2CDECL)
+
+/* --- @mp_[n]and@, @mp_[n]or@, @mp_[n]xor@, @mp_not@ --- *
+ *
+ * Synonyms for the commonly-used functions.
+ */
+
+#define mp_and2c  mp_bit00012c
+#define mp_or2c          mp_bit01112c
+#define mp_nand2c mp_bit11102c
+#define mp_nor2c  mp_bit10002c
+#define mp_xor2c  mp_bit01102c
+
+/* --- @mp_lsl2c@, @mp_lsr2c@ --- *
  *
  * Arguments:  @mp *d@ = destination
  *             @mp *a@ = source
  *             @size_t n@ = number of bits to move
  *
- * Returns:    Result, @a@ shifted left by @n@.
+ * Returns:    Result, @a@ shifted left or right by @n@.  Handles the
+ *             pretence of sign-extension for negative numbers.
  */
 
-extern mp *mp_lsr(mp */*d*/, mp */*a*/, size_t /*n*/);
+extern mp *mp_lsl2c(mp */*d*/, mp */*a*/, size_t /*n*/);
+extern mp *mp_lsr2c(mp */*d*/, mp */*a*/, size_t /*n*/);
+
+/* --- @mp_testbit2c@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *x@ = a large integer
+ *             @unsigned long n@ = which bit to test
+ *
+ * Returns:    Nonzero if the bit is set, zero if not.  Fakes up two's
+ *             complement representation.
+ */
+
+extern int mp_testbit2c(mp */*x*/, unsigned long /*n*/);
+
+/* --- @mp_setbit2c@, @mp_clearbit2c@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *d@ = a destination
+ *             @mp *x@ = a large integer
+ *             @unsigned long n@ = which bit to modify
+ *
+ * Returns:    The argument @x@, with the appropriate bit set or cleared.
+ *             Fakes up two's complement representation.
+ */
+
+extern mp *mp_setbit2c(mp */*d*/, mp */*x*/, unsigned long /*n*/);
+extern mp *mp_clearbit2c(mp */*d*/, mp */*x*/, unsigned long /*n*/);
+
+/*----- Comparisons -------------------------------------------------------*/
 
 /* --- @mp_eq@ --- *
  *
@@ -644,18 +793,27 @@ extern int mp_cmp(const mp */*a*/, const mp */*b*/);
 
 #define MP_CMP(a, op, b) (mp_cmp((a), (b)) op 0)
 
-/* --- @mpx_and@, @mpx_or@, @mpx_xor@, @mpx_not@ --- *
+/* --- Other handy macros --- */
+
+#define MP_NEGP(x) ((x)->f & MP_NEG)
+#define MP_ZEROP(x) (!MP_LEN(x))
+#define MP_POSP(x) (!MP_NEGP(x) && !MP_ZEROP(x))
+#define MP_ODDP(x) (!MP_ZEROP(x) && ((x)->v[0] & 1u))
+#define MP_EVENP(x) (!MP_ODDP(x))
+
+/*----- Arithmetic operations ---------------------------------------------*/
+
+/* --- @mp_neg@ --- *
  *
  * Arguments:  @mp *d@ = destination
- *             @mp *a, *b@ = sources
+ *             @mp *a@ = argument
+ *
+ * Returns:    The negation of the argument.
  *
- * Returns:    The result of the obvious bitwise operation.
+ * Use:                Negates its argument.
  */
 
-extern mp *mp_and(mp */*d*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
-extern mp *mp_or(mp */*d*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
-extern mp *mp_xor(mp */*d*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
-extern mp *mp_not(mp */*d*/, mp */*a*/);
+extern mp *mp_neg(mp */*d*/, mp */*a*/);
 
 /* --- @mp_add@ --- *
  *
@@ -708,6 +866,17 @@ extern mp *mp_sqr(mp */*d*/, mp */*a*/);
 
 extern void mp_div(mp **/*qq*/, mp **/*rr*/, mp */*a*/, mp */*b*/);
 
+/* --- @mp_exp@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *d@ = fake destination
+ *             @mp *a@ = base
+ *             @mp *e@ = exponent
+ *
+ * Returns:    Result, %$a^e$%.
+ */
+
+extern mp *mp_exp(mp */*d*/, mp */*a*/, mp */*e*/);
+
 /* --- @mp_odd@ --- *
  *
  * Arguments:  @mp *d@ = pointer to destination integer
@@ -756,17 +925,51 @@ extern mp *mp_sqrt(mp */*d*/, mp */*a*/);
 extern void mp_gcd(mp **/*gcd*/, mp **/*xx*/, mp **/*yy*/,
                   mp */*a*/, mp */*b*/);
 
+/* -- @mp_modinv@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *d@ = destination
+ *             @mp *x@ = argument
+ *             @mp *p@ = modulus
+ *
+ * Returns:    The inverse %$x^{-1} \bmod p$%.
+ *
+ * Use:                Computes a modular inverse.    An assertion fails if %$p$%
+ *             has no inverse.
+ */
+
+extern mp *mp_modinv(mp */*d*/, mp */*x*/, mp */*p*/);
+
 /* --- @mp_jacobi@ --- *
  *
- * Arguments:  @mp *a@ = an integer less than @n@
- *             @mp *n@ = an odd integer
+ * Arguments:  @mp *a@ = an integer
+ *             @mp *n@ = another integer
  *
  * Returns:    @-1@, @0@ or @1@ -- the Jacobi symbol %$J(a, n)$%.
  *
- * Use:                Computes the Jacobi symbol.  If @n@ is prime, this is the
- *             Legendre symbol and is equal to 1 if and only if @a@ is a
- *             quadratic residue mod @n@.  The result is zero if and only if
- *             @a@ and @n@ have a common factor greater than one.
+ * Use:                Computes the Kronecker symbol %$\jacobi{a}{n}$%.  If @n@ is
+ *             prime, this is the Legendre symbol and is equal to 1 if and
+ *             only if @a@ is a quadratic residue mod @n@.  The result is
+ *             zero if and only if @a@ and @n@ have a common factor greater
+ *             than one.
+ *
+ *             If @n@ is composite, then this computes the Kronecker symbol
+ *
+ *               %$\jacobi{a}{n}=\jacobi{a}{u}\prod_i\jacobi{a}{p_i}^{e_i}$%
+ *
+ *             where %$n = u p_0^{e_0} \ldots p_{n-1}^{e_{n-1}}$% is the
+ *             prime factorization of %$n$%.  The missing bits are:
+ *
+ *               * %$\jacobi{a}{1} = 1$%;
+ *               * %$\jacobi{a}{-1} = 1$% if @a@ is negative, or 1 if
+ *                 positive;
+ *               * %$\jacobi{a}{0} = 0$%;
+ *               * %$\jacobi{a}{2}$ is 0 if @a@ is even, 1 if @a@ is
+ *                 congruent to 1 or 7 (mod 8), or %$-1$% otherwise.
+ *
+ *             If %$n$% is positive and odd, then this is the Jacobi
+ *             symbol.  (The Kronecker symbol is a consistant domain
+ *             extension; the Jacobi symbol was implemented first, and the
+ *             name stuck.)
  */
 
 extern int mp_jacobi(mp */*a*/, mp */*n*/);
@@ -785,10 +988,25 @@ extern int mp_jacobi(mp */*a*/, mp */*n*/);
  *             work if %$p$% is composite: you must factor the modulus, take
  *             a square root mod each factor, and recombine the results
  *             using the Chinese Remainder Theorem.
+ *
+ *             We guarantee that the square root returned is the smallest
+ *             one (i.e., the `positive' square root).
  */
 
 extern mp *mp_modsqrt(mp */*d*/, mp */*a*/, mp */*p*/);
 
+/* --- @mp_modexp@ --- *
+ *
+ * Arguments:  @mp *d@ = fake destination
+ *             @mp *x@ = base of exponentiation
+ *             @mp *e@ = exponent
+ *             @mp *n@ = modulus (must be positive)
+ *
+ * Returns:    The value %$x^e \bmod n$%.
+ */
+
+extern mp *mp_modexp(mp */*d*/, mp */*x*/, mp */*e*/, mp */*n*/);
+
 /*----- Test harness support ----------------------------------------------*/
 
 #include <mLib/testrig.h>