utils: Make very bad ECM factoring program.
[u/mdw/catacomb] / utils / factor.c
diff --git a/utils/factor.c b/utils/factor.c
new file mode 100644 (file)
index 0000000..5f29c1a
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,289 @@
+#include <math.h>
+
+#include "ec.h"
+#include "fibrand.h"
+#include "field.h"
+#include "mpbarrett.h"
+#include "mpint.h"
+#include "mprand.h"
+#include "pgen.h"
+#include "primetab.h"
+
+#include "factor.h"
+
+static grand *rng = 0;
+
+DA_DECL(mp_v, mp *);
+
+typedef struct fbe {
+  unsigned long p;
+  unsigned e;
+  mp *n;
+} fbe;
+DA_DECL(fbe_v, fbe);
+
+static void mpv_free(mp_v *v)
+{
+  size_t i;
+
+  for (i = 0; i < DA_LEN(v); i++)
+    mp_drop(DA(v)[i]);
+  DA_DESTROY(v);
+}
+
+static mp *smallfactors(mp *x, mp_v *v)
+{
+  mp f;
+  mpw fw;
+  mp *y = MP_NEW, *z = MP_NEW;
+  unsigned i;
+
+  MP_COPY(x);
+  mp_build(&f, &fw, &fw + 1);
+#ifdef DEBUG
+  MP_PRINT("target", x);
+#endif
+  for (i = 0; i < NPRIME; i++) {
+  again:
+    fw = primetab[i];
+    mp_div(&y, &z, x, &f);
+    if (MP_ZEROP(z)) {
+#ifdef DEBUG
+      MP_PRINT("factor", &f);
+#endif
+      MP_DROP(x);
+      x = y;
+      y = MP_NEW;
+#ifdef DEBUG
+      MP_PRINT("remainder", x);
+#endif
+      DA_PUSH(v, mp_fromuint(MP_NEW, primetab[i]));
+      goto again;
+    }
+  }
+  mp_drop(y);
+  mp_drop(z);
+  return (x);
+}
+
+#ifdef POLLARDRHO
+static mp *pollardrho(mp *x)
+{
+  unsigned i;
+  mp *y = MP_NEW, *z = MP_NEW, *g = MP_NEW, *t = MP_NEW;
+  mpbarrett mb;
+
+  mpbarrett_create(&mb, x);
+  y = mprand_range(MP_NEW, x, rng, 0); z = MP_COPY(y);
+  for (i = 0; i < 1024; i++) {
+    y = mp_sqr(y, y); y = mpbarrett_reduce(&mb, y, y);
+    z = mp_sqr(z, z); z = mpbarrett_reduce(&mb, z, z);
+    z = mp_sqr(z, z); z = mpbarrett_reduce(&mb, z, z);
+    t = mp_sub(t, y, z);
+    mp_gcd(&g, 0, 0, x, t);
+    if (!MP_EQ(g, MP_ONE))
+      goto done;
+  }
+  MP_DROP(g);
+  g = 0;
+
+done:
+  mpbarrett_destroy(&mb);
+  MP_DROP(y);
+  MP_DROP(z);
+  MP_DROP(t);
+#ifdef DEBUG
+  MP_PRINT("rho factor", g);
+#endif
+  return (g);
+}
+#endif
+
+static void addfbe(fbe_v *v, mp *B, unsigned long p)
+{
+  fbe e;
+  unsigned w;
+  mp *pp = mp_fromulong(MP_NEW, p);
+  mp *qq = MP_NEW, *rr = MP_NEW;
+  mp *t;
+
+  w = 0;
+  qq = MP_COPY(pp);
+  for (;;) {
+    w++;
+    rr = mp_mul(rr, qq, pp);
+    if (MP_CMP(rr, >=, B)) break;
+    t = rr; rr = qq; qq = t;
+  }
+  e.p = p;
+  e.e = w;
+  e.n = qq;
+  MP_DROP(rr);
+  MP_DROP(pp);
+  DA_PUSH(v, e);
+}
+
+static void makefactorbase(mp *x, fbe_v *v)
+{
+  mp *B;
+  unsigned nb;
+  unsigned long max;
+  unsigned long i;
+  size_t j;
+
+  nb = sqrt(mp_bits(x)) * 1.5;
+  B = mp_lsl(MP_NEW, MP_ONE, nb);
+  if (nb < 32)
+    max = 1 << nb;
+  else
+    max = 0xfffffff0;
+
+  addfbe(v, B, 2);
+  for (i = 3; i < max; i++) {
+    for (j = 0; j < DA_LEN(v); j++) {
+      if (i % DA(v)[j].p == 0)
+       goto composite;
+    }
+    addfbe(v, B, i);
+  composite:;
+  }
+
+#ifdef DEBUG
+  for (j = 0; j < DA_LEN(v); j++) {
+    printf("%lu^%u = ", DA(v)[j].p, DA(v)[j].e);
+    mp_writefile(DA(v)[j].n, stdout, 10);
+    putchar('\n');
+  }
+#endif
+}
+
+static void freefactorbase(fbe_v *v)
+{
+  size_t i;
+
+  for (i = 0; i < DA_LEN(v); i++)
+    mp_drop(DA(v)[i].n);
+  DA_DESTROY(v);    
+}
+
+static mp *ecm(mp *x)
+{
+  fbe_v fb = DA_INIT;
+  field *f = field_prime(x);
+  ec_curve *c;
+  ec p;
+  mp *a = MP_NEW, *b = MP_NEW;
+  mp *g = MP_NEW;
+  unsigned i;
+  size_t j;
+
+  makefactorbase(x, &fb);
+  for (;;) {
+    a = mprand_range(a, x, rng, 0);
+    b = mprand_range(b, x, rng, 0);
+    c = ec_primeproj(f, a, b);
+    for (i = 0; i < 1024; i++) {
+      EC_CREATE(&p);
+      p.x = mprand_range(p.x, x, rng, 0);
+      p.y = mprand_range(p.y, x, rng, 0);
+      p.z = MP_ONE;
+      for (j = 0; j < DA_LEN(&fb); j++)
+       ec_imul(c, &p, &p, DA(&fb)[j].n);
+      if (EC_ATINF(&p))
+       continue;
+      mp_gcd(&g, 0, 0, x, p.z);
+      if (!MP_EQ(g, MP_ONE))
+       goto done;
+      EC_DESTROY(&p);
+    }
+    ec_destroycurve(c);
+  }
+
+done:
+  MP_DROP(a); MP_DROP(b);
+  EC_DESTROY(&p);
+  ec_destroycurve(c);
+  F_DESTROY(f);
+  freefactorbase(&fb);
+#ifdef DEBUG
+  MP_PRINT("ecm factor", g);
+#endif
+  return (g);
+}
+
+static void dofactor(mp *x, mp_v *v)
+{
+  mp *f;
+
+  x = smallfactors(x, v); 
+  if (MP_EQ(x, MP_ONE)) return;
+
+#ifdef POLLARDRHO
+  for (;;) {
+    if (pgen_primep(x, rng))
+      goto done;
+    f = pollardrho(x);
+    if (!f) break;
+    dofactor(f, v);
+    mp_div(&x, 0, x, f);
+    MP_DROP(f);
+  }
+#endif
+
+  for (;;) {
+    if (pgen_primep(x, rng))
+      goto done;
+    f = ecm(x);
+    if (!f) break;
+    dofactor(f, v);
+    mp_div(&x, 0, x, f);
+    MP_DROP(f);
+  }
+
+done:
+  DA_PUSH(v, x);
+}
+
+static int cmpmp(const void *a, const void *b)
+{
+  mp *const *aa = a, *const *bb = b;
+  return (mp_cmp(*aa, *bb));
+}
+
+void factor(mp *x, fact_v *v)
+{
+  fact f;
+  mp_v fv = DA_INIT;
+  mp *e = MP_NEW;
+  size_t i;
+
+  if (!rng) rng = fibrand_create(0);
+  dofactor(x, &fv);
+  qsort(DA(&fv), DA_LEN(&fv), sizeof(mp *), cmpmp);
+  for (i = 0; i < DA_LEN(&fv); ) {
+    f.p = MP_COPY(DA(&fv)[i]);
+    for (f.e = 1, i++;
+        i < DA_LEN(&fv) && MP_EQ(f.p, DA(&fv)[i]);
+        f.e++, i++) ;
+    e = mp_fromuint(e, f.e);
+    f.n = mp_exp(MP_NEW, f.p, e);
+    f.r = MP_NEW;
+    mp_div(&f.r, 0, x, f.p);
+    DA_PUSH(v, f);
+  }
+  mp_drop(e);
+  mpv_free(&fv);
+}
+
+void freefactors(fact_v *v)
+{
+  size_t i;
+
+  for (i = 0; i < DA_LEN(v); i++) {
+    mp_drop(DA(v)[i].p);
+    mp_drop(DA(v)[i].n);
+    mp_drop(DA(v)[i].r);
+  }
+  DA_DESTROY(v);
+}
+