Mega Code Archive

 
Categories / Java / Development Class
 

A Java implementation of the MT19937 (Mersenne Twister) pseudo random number generator algorithm

/*  * This file is part of aion-emu <aion-emu.com>.  *  * aion-emu is free software: you can redistribute it and/or modify  * it under the terms of the GNU General Public License as published by  * the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or  * (at your option) any later version.  *  * aion-emu 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 General Public License for more details.  *  * You should have received a copy of the GNU General Public License  * along with aion-emu.  If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.  */ //package com.aionemu.commons.utils; import java.util.Random; /**  * @author Balancer  *   */ public class Rnd {   private static final MTRandom  rnd  = new MTRandom();   /**    * @return rnd    *     */   public static float get() // get random number from 0 to 1   {     return rnd.nextFloat();   }   /**    * Gets a random number from 0(inclusive) to n(exclusive)    *     * @param n    *            The superior limit (exclusive)    * @return A number from 0 to n-1    */   public static int get(int n)   {     return (int) Math.floor(rnd.nextDouble() * n);   }   /**    * @param min    * @param max    * @return value    */   public static int get(int min, int max) // get random number from   // min to max (not max-1 !)   {     return min + (int) Math.floor(rnd.nextDouble() * (max - min + 1));   }   /**    * @param n    * @return n    */   public static int nextInt(int n)   {     return (int) Math.floor(rnd.nextDouble() * n);   }   /**    * @return int    */   public static int nextInt()   {     return rnd.nextInt();   }   /**    * @return double    */   public static double nextDouble()   {     return rnd.nextDouble();   }   /**    * @return double    */   public static double nextGaussian()   {     return rnd.nextGaussian();   }   /**    * @return double    */   public static boolean nextBoolean()   {     return rnd.nextBoolean();   } } /**  * @author David Beaumont, Copyright 2005  *         <p/>  *         A Java implementation of the MT19937 (Mersenne Twister) pseudo random number generator algorithm based upon  *         the original C code by Makoto Matsumoto and Takuji Nishimura (see <a  *         href="http://www.math.sci.hiroshima-u.ac.jp/~m-mat/MT/emt.html">  *         http://www.math.sci.hiroshima-u.ac.jp/~m-mat/MT/emt.html</a> for more information.  *         <p/>  *         As a subclass of java.util.Random this class provides a single canonical method next() for generating bits in  *         the pseudo random number sequence. Anyone using this class should invoke the public inherited methods  *         (nextInt(), nextFloat etc.) to obtain values as normal. This class should provide a drop-in replacement for  *         the standard implementation of java.util.Random with the additional advantage of having a far longer period  *         and the ability to use a far larger seed value.  *         <p/>  *         This is <b>not</b> a cryptographically strong source of randomness and should <b>not</b> be used for  *         cryptographic systems or in any other situation where true random numbers are required.  *         <p/>  *         <!-- Creative Commons License --> <a href="http://creativecommons.org/licenses/LGPL/2.1/"><img  *         alt="CC-GNU LGPL" border="0" src="http://creativecommons.org/images/public/cc-LGPL-a.png" /></a><br />  *         This software is licensed under the <a href="http://creativecommons.org/licenses/LGPL/2.1/">CC-GNU LGPL</a>.  *         <!-- /Creative Commons License --> <!-- <rdf:RDF xmlns="http://web.resource.org/cc/"  *         xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/" xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"> <Work  *         rdf:about=""> <license rdf:resource="http://creativecommons.org/licenses/LGPL/2.1/" /> <dc:type  *         rdf:resource="http://purl.org/dc/dcmitype/Software" /> </Work> <License  *         rdf:about="http://creativecommons.org/licenses/LGPL/2.1/"> <permits  *         rdf:resource="http://web.resource.org/cc/Reproduction" /> <permits  *         rdf:resource="http://web.resource.org/cc/Distribution" /> <requires  *         rdf:resource="http://web.resource.org/cc/Notice" /> <permits  *         rdf:resource="http://web.resource.org/cc/DerivativeWorks" /> <requires  *         rdf:resource="http://web.resource.org/cc/ShareAlike" /> <requires  *         rdf:resource="http://web.resource.org/cc/SourceCode" /> </License> </rdf:RDF> -->  * @version 1.0  */ class MTRandom extends Random {   /**    * Auto-generated serial version UID. Note that MTRandom does NOT support serialisation of its internal state and it    * may even be necessary to implement read/write methods to re-seed it properly. This is only here to make Eclipse    * shut up about it being missing.    */   private static final long  serialVersionUID  = -515082678588212038L;   // Constants used in the original C implementation   private final static int  UPPER_MASK      = 0x80000000;   private final static int  LOWER_MASK      = 0x7fffffff;   private final static int  N          = 624;   private final static int  M          = 397;   private final static int[]  MAGIC        =                           { 0x0, 0x9908b0df };   private final static int  MAGIC_FACTOR1    = 1812433253;   private final static int  MAGIC_FACTOR2    = 1664525;   private final static int  MAGIC_FACTOR3    = 1566083941;   private final static int  MAGIC_MASK1      = 0x9d2c5680;   private final static int  MAGIC_MASK2      = 0xefc60000;   private final static int  MAGIC_SEED      = 19650218;   private final static long  DEFAULT_SEED    = 5489L;   // Internal state   private transient int[]    mt;   private transient int    mti;   private transient boolean  compat        = false;   // Temporary buffer used during setSeed(long)   private transient int[]    ibuf;   /**    * The default constructor for an instance of MTRandom. This invokes the no-argument constructor for    * java.util.Random which will result in the class being initialised with a seed value obtained by calling    * System.currentTimeMillis().    */   public MTRandom()   {   }   /**    * This version of the constructor can be used to implement identical behaviour to the original C code version of    * this algorithm including exactly replicating the case where the seed value had not been set prior to calling    * genrand_int32.    * <p/>    * If the compatibility flag is set to true, then the algorithm will be seeded with the same default value as was    * used in the original C code. Furthermore the setSeed() method, which must take a 64 bit long value, will be    * limited to using only the lower 32 bits of the seed to facilitate seamless migration of existing C code into Java    * where identical behaviour is required.    * <p/>    * Whilst useful for ensuring backwards compatibility, it is advised that this feature not be used unless    * specifically required, due to the reduction in strength of the seed value.    *     * @param compatible    *            Compatibility flag for replicating original behaviour.    */   public MTRandom(boolean compatible)   {     super(0L);     compat = compatible;     setSeed(compat ? DEFAULT_SEED : System.currentTimeMillis());   }   /**    * This version of the constructor simply initialises the class with the given 64 bit seed value. For a better    * random number sequence this seed value should contain as much entropy as possible.    *     * @param seed    *            The seed value with which to initialise this class.    */   public MTRandom(long seed)   {     super(seed);   }   /**    * This version of the constructor initialises the class with the given byte array. All the data will be used to    * initialise this instance.    *     * @param buf    *            The non-empty byte array of seed information.    * @throws NullPointerException    *             if the buffer is null.    * @throws IllegalArgumentException    *             if the buffer has zero length.    */   public MTRandom(byte[] buf)   {     super(0L);     setSeed(buf);   }   /**    * This version of the constructor initialises the class with the given integer array. All the data will be used to    * initialise this instance.    *     * @param buf    *            The non-empty integer array of seed information.    * @throws NullPointerException    *             if the buffer is null.    * @throws IllegalArgumentException    *             if the buffer has zero length.    */   public MTRandom(int[] buf)   {     super(0L);     setSeed(buf);   }   // Initializes mt[N] with a simple integer seed. This method is   // required as part of the Mersenne Twister algorithm but need   // not be made public.   /**    * @param seed    *     */   private void setSeed(int seed)   {     // Annoying runtime check for initialisation of internal data     // caused by java.util.Random invoking setSeed() during init.     // This is unavoidable because no fields in our instance will     // have been initialised at this point, not even if the code     // were placed at the declaration of the member variable.     if (mt == null)       mt = new int[N];     // ---- Begin Mersenne Twister Algorithm ----     mt[0] = seed;     for (mti = 1; mti < N; mti++)     {       mt[mti] = (MAGIC_FACTOR1 * (mt[mti - 1] ^ (mt[mti - 1] >>> 30)) + mti);     }     // ---- End Mersenne Twister Algorithm ----   }   /**    * This method resets the state of this instance using the 64 bits of seed data provided. Note that if the same seed    * data is passed to two different instances of MTRandom (both of which share the same compatibility state) then the    * sequence of numbers generated by both instances will be identical.    * <p/>    * If this instance was initialised in 'compatibility' mode then this method will only use the lower 32 bits of any    * seed value passed in and will match the behaviour of the original C code exactly with respect to state    * initialisation.    *     * @param seed    *            The 64 bit value used to initialise the random number generator state.    */   @Override   public final synchronized void setSeed(long seed)   {     if (compat)     {       setSeed((int) seed);     }     else     {       // Annoying runtime check for initialisation of internal data       // caused by java.util.Random invoking setSeed() during init.       // This is unavoidable because no fields in our instance will       // have been initialised at this point, not even if the code       // were placed at the declaration of the member variable.       if (ibuf == null)         ibuf = new int[2];       ibuf[0] = (int) seed;       ibuf[1] = (int) (seed >>> 32);       setSeed(ibuf);     }   }   /**    * This method resets the state of this instance using the byte array of seed data provided. Note that calling this    * method is equivalent to calling "setSeed(pack(buf))" and in particular will result in a new integer array being    * generated during the call. If you wish to retain this seed data to allow the pseudo random sequence to be    * restarted then it would be more efficient to use the "pack()" method to convert it into an integer array first    * and then use that to re-seed the instance. The behaviour of the class will be the same in both cases but it will    * be more efficient.    *     * @param buf    *            The non-empty byte array of seed information.    * @throws NullPointerException    *             if the buffer is null.    * @throws IllegalArgumentException    *             if the buffer has zero length.    */   public final void setSeed(byte[] buf)   {     setSeed(pack(buf));   }   /**    * This method resets the state of this instance using the integer array of seed data provided. This is the    * canonical way of resetting the pseudo random number sequence.    *     * @param buf    *            The non-empty integer array of seed information.    * @throws NullPointerException    *             if the buffer is null.    * @throws IllegalArgumentException    *             if the buffer has zero length.    */   public final synchronized void setSeed(int[] buf)   {     int length = buf.length;     if (length == 0)       throw new IllegalArgumentException("Seed buffer may not be empty");     // ---- Begin Mersenne Twister Algorithm ----     int i = 1, j = 0, k = (N > length ? N : length);     setSeed(MAGIC_SEED);     for (; k > 0; k--)     {       mt[i] = (mt[i] ^ ((mt[i - 1] ^ (mt[i - 1] >>> 30)) * MAGIC_FACTOR2)) + buf[j] + j;       i++;       j++;       if (i >= N)       {         mt[0] = mt[N - 1];         i = 1;       }       if (j >= length)         j = 0;     }     for (k = N - 1; k > 0; k--)     {       mt[i] = (mt[i] ^ ((mt[i - 1] ^ (mt[i - 1] >>> 30)) * MAGIC_FACTOR3)) - i;       i++;       if (i >= N)       {         mt[0] = mt[N - 1];         i = 1;       }     }     mt[0] = UPPER_MASK; // MSB is 1; assuring non-zero initial array     // ---- End Mersenne Twister Algorithm ----   }   /**    * This method forms the basis for generating a pseudo random number sequence from this class. If given a value of    * 32, this method behaves identically to the genrand_int32 function in the original C code and ensures that using    * the standard nextInt() function (inherited from Random) we are able to replicate behaviour exactly.    * <p/>    * Note that where the number of bits requested is not equal to 32 then bits will simply be masked out from the top    * of the returned integer value. That is to say that:    * <p/>    *     * <pre>    * mt.setSeed(12345);    * int foo = mt.nextInt(16) + (mt.nextInt(16) &lt;&lt; 16);    * </pre>    *     * <p/>    * will not give the same result as    * <p/>    *     * <pre>    * mt.setSeed(12345);    * int foo = mt.nextInt(32);    * </pre>    *     * @param bits    *            The number of significant bits desired in the output.    * @return The next value in the pseudo random sequence with the specified number of bits in the lower part of the    *         integer.    */   @Override   protected final synchronized int next(int bits)   {     // ---- Begin Mersenne Twister Algorithm ----     int y, kk;     if (mti >= N)     { // generate N words at one time       // In the original C implementation, mti is checked here       // to determine if initialisation has occurred; if not       // it initialises this instance with DEFAULT_SEED (5489).       // This is no longer necessary as initialisation of the       // Java instance must result in initialisation occurring       // Use the constructor MTRandom(true) to enable backwards       // compatible behaviour.       for (kk = 0; kk < N - M; kk++)       {         y = (mt[kk] & UPPER_MASK) | (mt[kk + 1] & LOWER_MASK);         mt[kk] = mt[kk + M] ^ (y >>> 1) ^ MAGIC[y & 0x1];       }       for (; kk < N - 1; kk++)       {         y = (mt[kk] & UPPER_MASK) | (mt[kk + 1] & LOWER_MASK);         mt[kk] = mt[kk + (M - N)] ^ (y >>> 1) ^ MAGIC[y & 0x1];       }       y = (mt[N - 1] & UPPER_MASK) | (mt[0] & LOWER_MASK);       mt[N - 1] = mt[M - 1] ^ (y >>> 1) ^ MAGIC[y & 0x1];       mti = 0;     }     y = mt[mti++];     // Tempering     y ^= (y >>> 11);     y ^= (y << 7) & MAGIC_MASK1;     y ^= (y << 15) & MAGIC_MASK2;     y ^= (y >>> 18);     // ---- End Mersenne Twister Algorithm ----     return (y >>> (32 - bits));   }   // This is a fairly obscure little code section to pack a   // byte[] into an int[] in little endian ordering.   /**    * This simply utility method can be used in cases where a byte array of seed data is to be used to repeatedly    * re-seed the random number sequence. By packing the byte array into an integer array first, using this method, and    * then invoking setSeed() with that; it removes the need to re-pack the byte array each time setSeed() is called.    * <p/>    * If the length of the byte array is not a multiple of 4 then it is implicitly padded with zeros as necessary. For    * example:    * <p/>    *     * <pre>    *     byte[] { 0x01, 0x02, 0x03, 0x04, 0x05, 0x06 }    * </pre>    *     * <p/>    * becomes    * <p/>    *     * <pre>    *     int[]  { 0x04030201, 0x00000605 }    * </pre>    *     * <p/>    * <p/>    * Note that this method will not complain if the given byte array is empty and will produce an empty integer array,    * but the setSeed() method will throw an exception if the empty integer array is passed to it.    *     * @param buf    *            The non-null byte array to be packed.    * @return A non-null integer array of the packed bytes.    * @throws NullPointerException    *             if the given byte array is null.    */   public static int[] pack(byte[] buf)   {     int k, blen = buf.length, ilen = ((buf.length + 3) >>> 2);     int[] ibuf = new int[ilen];     for (int n = 0; n < ilen; n++)     {       int m = (n + 1) << 2;       if (m > blen)         m = blen;       for (k = buf[--m] & 0xff; (m & 0x3) != 0; k = (k << 8) | buf[--m] & 0xff)         ;       ibuf[n] = k;     }     return ibuf;   } }