General utilities cleanup. Add signature support to catcrypt. Throw in
[u/mdw/catacomb] / mpmont.c
index d924009..39f51ed 100644 (file)
--- a/mpmont.c
+++ b/mpmont.c
@@ -1,6 +1,6 @@
 /* -*-c-*-
  *
- * $Id: mpmont.c,v 1.1 1999/11/17 18:02:16 mdw Exp $
+ * $Id: mpmont.c,v 1.19 2004/04/08 01:36:15 mdw Exp $
  *
  * Montgomery reduction
  *
  * MA 02111-1307, USA.
  */
 
-/*----- Revision history --------------------------------------------------* 
- *
- * $Log: mpmont.c,v $
- * Revision 1.1  1999/11/17 18:02:16  mdw
- * New multiprecision integer arithmetic suite.
- *
- */
-
 /*----- Header files ------------------------------------------------------*/
 
 #include "mp.h"
 #include "mpmont.h"
 
-/*----- Main code ---------------------------------------------------------*/
+/*----- Tweakables --------------------------------------------------------*/
+
+/* --- @MPMONT_DISABLE@ --- *
+ *
+ * Replace all the clever Montgomery reduction with good old-fashioned long
+ * division.
+ */
+
+/* #define MPMONT_DISABLE */
+
+/*----- Reduction and multiplication --------------------------------------*/
 
 /* --- @mpmont_create@ --- *
  *
  * Returns:    ---
  *
  * Use:                Initializes a Montgomery reduction context ready for use.
+ *             The argument @m@ must be a positive odd integer.
  */
 
+#ifdef MPMONT_DISABLE
+
 void mpmont_create(mpmont *mm, mp *m)
 {
+  mp_shrink(m);
+  mm->m = MP_COPY(m);
+  mm->r = MP_ONE;
+  mm->r2 = MP_ONE;
+  mm->mi = MP_ONE;
+}
+
+#else
+
+void mpmont_create(mpmont *mm, mp *m)
+{
+  size_t n = MP_LEN(m);
+  mp *r2 = mp_new(2 * n + 1, 0);
+  mp r;
+
   /* --- Take a copy of the modulus --- */
 
-  mp_shrink(m);
+  assert(MP_ISPOS(m) && MP_ISODD(m));
   mm->m = MP_COPY(m);
 
-  /* --- Find the magic value @mi@ --- *
-   *
-   * This is a slightly grungy way of solving the problem, but it does work.
-   */
+  /* --- Determine %$R^2$% --- */
 
-  {
-    mpw av[2] = { 0, 1 };
-    mp a, b;
-    mp *i;
-    mpw mi;
+  mm->n = n;
+  MPX_ZERO(r2->v, r2->vl - 1);
+  r2->vl[-1] = 1;
 
-    mp_build(&a, av, av + 2);
-    mp_build(&b, m->v, m->v + 1);
-    mp_gcd(0, 0, &i, &a, &b);
-    mi = i->v[0];
-    if (!(i->f & MP_NEG))
-      mi = MPW(-mi);
-    mm->mi = mi;
-    MP_DROP(i);
-  }
+  /* --- Find the magic value @mi@ --- */
+
+  mp_build(&r, r2->v + n, r2->vl);
+  mm->mi = mp_modinv(MP_NEW, m, &r);
+  mm->mi = mp_sub(mm->mi, &r, mm->mi);
 
   /* --- Discover the values %$R \bmod m$% and %$R^2 \bmod m$% --- */
 
-  {
-    size_t l = MP_LEN(m);
-    mp *r = mp_create(l + 1);
-
-    mm->shift = l * MPW_BITS;
-    MPX_ZERO(r->v, r->vl - 1);
-    r->vl[-1] = 1;
-    mm->r = mm->r2 = MP_NEW;
-    mp_div(0, &mm->r, r, m);
-    r = mp_sqr(r, mm->r);
-    mp_div(0, &mm->r2, r, m);
-    MP_DROP(r);
-  }
+  mm->r2 = MP_NEW;
+  mp_div(0, &mm->r2, r2, m);
+  mm->r = mpmont_reduce(mm, MP_NEW, mm->r2);
+  MP_DROP(r2);
 }
 
+#endif
+
 /* --- @mpmont_destroy@ --- *
  *
  * Arguments:  @mpmont *mm@ = pointer to a Montgomery reduction context
@@ -112,154 +116,189 @@ void mpmont_destroy(mpmont *mm)
   MP_DROP(mm->m);
   MP_DROP(mm->r);
   MP_DROP(mm->r2);
+  MP_DROP(mm->mi);
 }
 
 /* --- @mpmont_reduce@ --- *
  *
  * Arguments:  @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
  *             @mp *d@ = destination
- *             @const mp *a@ = source, assumed positive
+ *             @mp *a@ = source, assumed positive
  *
  * Returns:    Result, %$a R^{-1} \bmod m$%.
  */
 
-mp *mpmont_reduce(mpmont *mm, mp *d, const mp *a)
+#ifdef MPMONT_DISABLE
+
+mp *mpmont_reduce(mpmont *mm, mp *d, mp *a)
 {
-  mpw *dv, *dvl;
-  const mpw *mv, *mvl;
-  size_t n;
+  mp_div(0, &d, a, mm->m);
+  return (d);
+}
 
-  /* --- Initial conditioning of the arguments --- */
+#else
+
+mp *mpmont_reduce(mpmont *mm, mp *d, mp *a)
+{
+  size_t n = mm->n;
+
+  /* --- Check for serious Karatsuba reduction --- */
+
+  if (n > MPK_THRESH * 3) {
+    mp al;
+    mpw *vl;
+    mp *u;
+
+    if (MP_LEN(a) >= n)
+      vl = a->v + n;
+    else
+      vl = a->vl;
+    mp_build(&al, a->v, vl);
+    u = mp_mul(MP_NEW, &al, mm->mi);
+    if (MP_LEN(u) > n)
+      u->vl = u->v + n;
+    u = mp_mul(u, u, mm->m);
+    d = mp_add(d, a, u);
+    mp_drop(u);
+  }
 
-  n = MP_LEN(mm->m);
+  /* --- Otherwise do it the hard way --- */
 
-  if (d == a)
-    MP_MODIFY(d, 2 * n);
   else {
-    MP_MODIFY(d, 2 * n);
-    memcpy(d->v, a->v, MPWS(MP_LEN(a)));
-    memset(d->v + MP_LEN(a), 0, MPWS(MP_LEN(d) - MP_LEN(a)));
-  }
-    
-  dv = d->v; dvl = d->vl;
-  mv = mm->m->v; mvl = mm->m->vl;
+    mpw *dv, *dvl;
+    mpw *mv, *mvl;
+    mpw mi;
+    size_t k = n;
+
+    /* --- Initial conditioning of the arguments --- */
 
-  /* --- Let's go to work --- */
+    a = MP_COPY(a);
+    if (d)
+      MP_DROP(d);
+    d = a;
+    MP_DEST(d, 2 * n + 1, a->f);
 
-  while (n--) {
-    mpw u = MPW(*dv * mm->mi);
-    MPX_UMLAN(dv, dvl, mv, mvl, u);
-    dv++;
+    dv = d->v; dvl = d->vl;
+    mv = mm->m->v; mvl = mm->m->vl;
+
+    /* --- Let's go to work --- */
+
+    mi = mm->mi->v[0];
+    while (k--) {
+      mpw u = MPW(*dv * mi);
+      MPX_UMLAN(dv, dvl, mv, mvl, u);
+      dv++;
+    }
   }
 
-  /* --- Done --- */
+  /* --- Wrap everything up --- */
 
-  memmove(d->v, dv, MPWS(dvl - dv));
-  d->vl -= dv - d->v;
+  memmove(d->v, d->v + n, MPWS(MP_LEN(d) - n));
+  d->vl -= n;
+  if (MPX_UCMP(d->v, d->vl, >=, mm->m->v, mm->m->vl))
+    mpx_usub(d->v, d->vl, d->v, d->vl, mm->m->v, mm->m->vl);
+  if (d->f & MP_NEG) {
+    mpx_usub(d->v, d->vl, mm->m->v, mm->m->vl, d->v, d->vl);
+    d->f &= ~MP_NEG;
+  }
   MP_SHRINK(d);
-  d->f = a->f & MP_BURN;
   return (d);
 }
 
+#endif
+
 /* --- @mpmont_mul@ --- *
  *
  * Arguments:  @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
  *             @mp *d@ = destination
- *             @const mp *a, *b@ = sources, assumed positive
+ *             @mp *a, *b@ = sources, assumed positive
  *
  * Returns:    Result, %$a b R^{-1} \bmod m$%.
  */
 
-mp *mpmont_mul(mpmont *mm, mp *d, const mp *a, const mp *b)
-{
-  mpw *dv, *dvl;
-  const mpw *av, *avl;
-  const mpw *bv, *bvl;
-  const mpw *mv, *mvl;
-  mpw y;
-  size_t n, i;
+#ifdef MPMONT_DISABLE
 
-  /* --- Initial conditioning of the arguments --- */
-
-  if (MP_LEN(a) > MP_LEN(b)) {
-    const mp *t = a; a = b; b = t;
-  }
-  n = MP_LEN(mm->m);
-    
-  MP_MODIFY(d, 2 * n + 1);
-  dv = d->v; dvl = d->vl;
-  MPX_ZERO(dv, dvl);
-  av = a->v; avl = a->vl;
-  bv = b->v; bvl = b->vl;
-  mv = mm->m->v; mvl = mm->m->vl;
-  y = *bv;
-
-  /* --- Montgomery multiplication phase --- */
-
-  i = 0;
-  while (i < n && av < avl) {
-    mpw x = *av++;
-    mpw u = MPW((*dv + x * y) * mm->mi);
-    MPX_UMLAN(dv, dvl, bv, bvl, x);
-    MPX_UMLAN(dv, dvl, mv, mvl, u);
-    dv++;
-    i++;
-  }
+mp *mpmont_mul(mpmont *mm, mp *d, mp *a, mp *b)
+{
+  d = mp_mul(d, a, b);
+  mp_div(0, &d, d, mm->m);
+  return (d);
+}
 
-  /* --- Simpler Montgomery reduction phase --- */
+#else
 
-  while (i < n) {
-    mpw u = MPW(*dv * mm->mi);
-    MPX_UMLAN(dv, dvl, mv, mvl, u);
-    dv++;
-    i++;
-  }
+mp *mpmont_mul(mpmont *mm, mp *d, mp *a, mp *b)
+{
+  if (mm->n > MPK_THRESH * 3) {
+    d = mp_mul(d, a, b);
+    d = mpmont_reduce(mm, d, d);
+  } else {
+    mpw *dv, *dvl;
+    mpw *av, *avl;
+    mpw *bv, *bvl;
+    mpw *mv, *mvl;
+    mpw y;
+    size_t n, i;
+    mpw mi;
 
-  /* --- Done --- */
+    /* --- Initial conditioning of the arguments --- */
 
-  memmove(d->v, dv, MPWS(dvl - dv));
-  d->vl -= dv - d->v;
-  MP_SHRINK(d);
-  d->f = (a->f | b->f) & MP_BURN;
-  return (d);
-}
+    if (MP_LEN(a) > MP_LEN(b)) {
+      mp *t = a; a = b; b = t;
+    }
+    n = MP_LEN(mm->m);
+
+    a = MP_COPY(a);
+    b = MP_COPY(b);
+    MP_DEST(d, 2 * n + 1, a->f | b->f | MP_UNDEF);
+    dv = d->v; dvl = d->vl;
+    MPX_ZERO(dv, dvl);
+    av = a->v; avl = a->vl;
+    bv = b->v; bvl = b->vl;
+    mv = mm->m->v; mvl = mm->m->vl;
+    y = *bv;
+
+    /* --- Montgomery multiplication phase --- */
+
+    i = 0;
+    mi = mm->mi->v[0];
+    while (i < n && av < avl) {
+      mpw x = *av++;
+      mpw u = MPW((*dv + x * y) * mi);
+      MPX_UMLAN(dv, dvl, bv, bvl, x);
+      MPX_UMLAN(dv, dvl, mv, mvl, u);
+      dv++;
+      i++;
+    }
 
-/* --- @mpmont_exp@ --- *
- *
- * Arguments:  @mpmont *mm@ = pointer to Montgomery reduction context
- *             @const mp *a@ = base
- *             @const mp *e@ = exponent
- *
- * Returns:    Result, %$a^e \bmod m$%.
- */
+    /* --- Simpler Montgomery reduction phase --- */
 
-mp *mpmont_exp(mpmont *mm, const mp *a, const mp *e)
-{
-  mpscan sc;
-  mp *ar = mpmont_mul(mm, MP_NEW, a, mm->r2);
-  mp *d = MP_COPY(mm->r);
-
-  mp_scan(&sc, e);
-
-  if (MP_STEP(&sc)) {
-    for (;;) {
-      mp *dd;
-      if (MP_BIT(&sc)) {
-       dd = mpmont_mul(mm, MP_NEW, d, ar);
-       MP_DROP(d);
-       d = dd;
-      }
-      if (!MP_STEP(&sc))
-       break;
-      dd = mpmont_mul(mm, MP_NEW, ar, ar);
-      MP_DROP(ar);
-      ar = dd;
+    while (i < n) {
+      mpw u = MPW(*dv * mi);
+      MPX_UMLAN(dv, dvl, mv, mvl, u);
+      dv++;
+      i++;
     }
+
+    /* --- Done --- */
+
+    memmove(d->v, dv, MPWS(dvl - dv));
+    d->vl -= dv - d->v;
+    if (MPX_UCMP(d->v, d->vl, >=, mm->m->v, mm->m->vl))
+      mpx_usub(d->v, d->vl, d->v, d->vl, mm->m->v, mm->m->vl);
+    if ((a->f ^ b->f) & MP_NEG)
+      mpx_usub(d->v, d->vl, mm->m->v, mm->m->vl, d->v, d->vl);
+    MP_SHRINK(d);
+    d->f = (a->f | b->f) & MP_BURN;
+    MP_DROP(a);
+    MP_DROP(b);
   }
-  MP_DROP(ar);
-  return (mpmont_reduce(mm, d, d));
+
+  return (d);
 }
 
+#endif
+
 /*----- Test rig ----------------------------------------------------------*/
 
 #ifdef TEST_RIG
@@ -276,28 +315,28 @@ static int tcreate(dstr *v)
 
   mpmont_create(&mm, m);
 
-  if (mm.mi != mi->v[0]) {
+  if (mm.mi->v[0] != mi->v[0]) {
     fprintf(stderr, "\n*** bad mi: found %lu, expected %lu",
-           (unsigned long)mm.mi, (unsigned long)mi->v[0]);
+           (unsigned long)mm.mi->v[0], (unsigned long)mi->v[0]);
     fputs("\nm = ", stderr); mp_writefile(m, stderr, 10);
     fputc('\n', stderr);
     ok = 0;
   }
 
-  if (MP_CMP(mm.r, !=, r)) {
+  if (!MP_EQ(mm.r, r)) {
     fputs("\n*** bad r", stderr);
     fputs("\nm = ", stderr); mp_writefile(m, stderr, 10);
     fputs("\nexpected ", stderr); mp_writefile(r, stderr, 10);
-    fputs("\n   found ", stderr); mp_writefile(r, stderr, 10);
+    fputs("\n   found ", stderr); mp_writefile(mm.r, stderr, 10);
     fputc('\n', stderr);
     ok = 0;
   }
 
-  if (MP_CMP(mm.r2, !=, r2)) {
+  if (!MP_EQ(mm.r2, r2)) {
     fputs("\n*** bad r2", stderr);
     fputs("\nm = ", stderr); mp_writefile(m, stderr, 10);
     fputs("\nexpected ", stderr); mp_writefile(r2, stderr, 10);
-    fputs("\n   found ", stderr); mp_writefile(r2, stderr, 10);
+    fputs("\n   found ", stderr); mp_writefile(mm.r2, stderr, 10);
     fputc('\n', stderr);
     ok = 0;
   }
@@ -307,6 +346,7 @@ static int tcreate(dstr *v)
   MP_DROP(r);
   MP_DROP(r2);
   mpmont_destroy(&mm);
+  assert(mparena_count(MPARENA_GLOBAL) == 0);
   return (ok);
 }
 
@@ -316,94 +356,61 @@ static int tmul(dstr *v)
   mp *a = *(mp **)v[1].buf;
   mp *b = *(mp **)v[2].buf;
   mp *r = *(mp **)v[3].buf;
-  mp *mr, *qr;
   int ok = 1;
 
   mpmont mm;
   mpmont_create(&mm, m);
 
   {
+    mp *qr = mp_mul(MP_NEW, a, b);
+    mp_div(0, &qr, qr, m);
+
+    if (!MP_EQ(qr, r)) {
+      fputs("\n*** classical modmul failed", stderr);
+      fputs("\n m = ", stderr); mp_writefile(m, stderr, 10);
+      fputs("\n a = ", stderr); mp_writefile(a, stderr, 10);
+      fputs("\n b = ", stderr); mp_writefile(b, stderr, 10);
+      fputs("\n r = ", stderr); mp_writefile(r, stderr, 10);
+      fputs("\nqr = ", stderr); mp_writefile(qr, stderr, 10);
+      fputc('\n', stderr);
+      ok = 0;
+    }
+
+    mp_drop(qr);
+  }
+
+  {
     mp *ar = mpmont_mul(&mm, MP_NEW, a, mm.r2);
     mp *br = mpmont_mul(&mm, MP_NEW, b, mm.r2);
-    mr = mpmont_mul(&mm, MP_NEW, ar, br);
+    mp *mr = mpmont_mul(&mm, MP_NEW, ar, br);
     mr = mpmont_reduce(&mm, mr, mr);
+    if (!MP_EQ(mr, r)) {
+      fputs("\n*** montgomery modmul failed", stderr);
+      fputs("\n m = ", stderr); mp_writefile(m, stderr, 10);
+      fputs("\n a = ", stderr); mp_writefile(a, stderr, 10);
+      fputs("\n b = ", stderr); mp_writefile(b, stderr, 10);
+      fputs("\n r = ", stderr); mp_writefile(r, stderr, 10);
+      fputs("\nmr = ", stderr); mp_writefile(mr, stderr, 10);
+      fputc('\n', stderr);
+      ok = 0;
+    }
     MP_DROP(ar); MP_DROP(br);
+    mp_drop(mr);
   }
 
-  qr = mp_mul(MP_NEW, a, b);
-  mp_div(0, &qr, qr, m);
-
-  if (MP_CMP(qr, !=, r)) {
-    fputs("\n*** classical modmul failed", stderr);
-    fputs("\n m = ", stderr); mp_writefile(m, stderr, 10);
-    fputs("\n a = ", stderr); mp_writefile(a, stderr, 10);
-    fputs("\n b = ", stderr); mp_writefile(b, stderr, 10);
-    fputs("\n r = ", stderr); mp_writefile(r, stderr, 10);
-    fputs("\nqr = ", stderr); mp_writefile(qr, stderr, 10);
-    fputc('\n', stderr);
-    ok = 0;
-  }
-
-  if (MP_CMP(mr, !=, r)) {
-    fputs("\n*** montgomery modmul failed", stderr);
-    fputs("\n m = ", stderr); mp_writefile(m, stderr, 10);
-    fputs("\n a = ", stderr); mp_writefile(a, stderr, 10);
-    fputs("\n b = ", stderr); mp_writefile(b, stderr, 10);
-    fputs("\n r = ", stderr); mp_writefile(r, stderr, 10);
-    fputs("\nmr = ", stderr); mp_writefile(mr, stderr, 10);
-    fputc('\n', stderr);
-    ok = 0;
-  }
-
-  MP_DROP(m);
-  MP_DROP(a);
-  MP_DROP(b);
-  MP_DROP(r);
-  MP_DROP(mr);
-  MP_DROP(qr);
-  mpmont_destroy(&mm);
-  return ok;
-}
-
-static int texp(dstr *v)
-{
-  mp *m = *(mp **)v[0].buf;
-  mp *a = *(mp **)v[1].buf;
-  mp *b = *(mp **)v[2].buf;
-  mp *r = *(mp **)v[3].buf;
-  mp *mr;
-  int ok = 1;
-
-  mpmont mm;
-  mpmont_create(&mm, m);
-
-  mr = mpmont_exp(&mm, a, b);
-
-  if (MP_CMP(mr, !=, r)) {
-    fputs("\n*** montgomery modexp failed", stderr);
-    fputs("\n m = ", stderr); mp_writefile(m, stderr, 10);
-    fputs("\n a = ", stderr); mp_writefile(a, stderr, 10);
-    fputs("\n e = ", stderr); mp_writefile(b, stderr, 10);
-    fputs("\n r = ", stderr); mp_writefile(r, stderr, 10);
-    fputs("\nmr = ", stderr); mp_writefile(mr, stderr, 10);
-    fputc('\n', stderr);
-    ok = 0;
-  }
 
   MP_DROP(m);
   MP_DROP(a);
   MP_DROP(b);
   MP_DROP(r);
-  MP_DROP(mr);
   mpmont_destroy(&mm);
+  assert(mparena_count(MPARENA_GLOBAL) == 0);
   return ok;
 }
 
-
 static test_chunk tests[] = {
-  { "create", tcreate, { &type_mp, &type_mp, &type_mp, &type_mp } },
-  { "mul", tmul, { &type_mp, &type_mp, &type_mp, &type_mp } },
-  { "exp", texp, { &type_mp, &type_mp, &type_mp, &type_mp } },
+  { "create", tcreate, { &type_mp, &type_mp, &type_mp, &type_mp, 0 } },
+  { "mul", tmul, { &type_mp, &type_mp, &type_mp, &type_mp, 0 } },
   { 0, 0, { 0 } },
 };