11.11.2015 Взять и поделить или деление по модулю

Материал из SRNS
Перейти к: навигация, поиск
(Макрос umod)
 
(не показаны 18 промежуточных версий 1 участника)
Строка 18: Строка 18:
 
:'''[c*(a+b)]mod n = [c*a(mod n) + c*b(mod n)]mod n'''
 
:'''[c*(a+b)]mod n = [c*a(mod n) + c*b(mod n)]mod n'''
  
Как оказалось, делить можно по-разному, в зависимости от функции, которую мы используем для округления<ref>[https://en.wikipedia.org/wiki/Modulo_operation Wiki: Modulo operation]</ref>:
+
Как оказалось, делить можно по-разному, в зависимости от функции, которую мы используем для округления <ref>[https://en.wikipedia.org/wiki/Modulo_operation Wiki: Modulo operation]</ref>:
 
* truncated division modulo - используется функция fix() - округление в сторону нуля, в результате имеем остаток от деления абсолютных значений аргументов, знак используем от первого.  
 
* truncated division modulo - используется функция fix() - округление в сторону нуля, в результате имеем остаток от деления абсолютных значений аргументов, знак используем от первого.  
 
* floored division modulo - используется функция floor() - округление в сторону минус бесконечности, в результате приводим число к интервалу [0 b] для положительных b или [b 0] для отрицательных.
 
* floored division modulo - используется функция floor() - округление в сторону минус бесконечности, в результате приводим число к интервалу [0 b] для положительных b или [b 0] для отрицательных.
Строка 28: Строка 28:
  
 
Так какие функции и операторы реализуют остаток от деления, какие взятие по модулю, и как они зависят от типов аргументов? Ниже представлены результаты, полученные на Oryx 161, компилятор из Xilinx SDK 2014.4 ( gcc version 4.8.3 20140320 (prerelease) (Sourcery CodeBench Lite 2014.05-23)).
 
Так какие функции и операторы реализуют остаток от деления, какие взятие по модулю, и как они зависят от типов аргументов? Ниже представлены результаты, полученные на Oryx 161, компилятор из Xilinx SDK 2014.4 ( gcc version 4.8.3 20140320 (prerelease) (Sourcery CodeBench Lite 2014.05-23)).
 +
 +
{{Hider|title = Код
 +
|content = <source lang="C">
 +
    int x[] = {-17, -7, -5, -1, 1, 5, 7, 17};
 +
    int val = 13;
 +
    for (i=0; i<sizeof(x)/sizeof(int); i++) {
 +
        printf("(int(%d)) %% (int(%d))\t = %d (d)\n", val, x[i], val % x[i]);
 +
    }
 +
    for (i=0; i<sizeof(x)/sizeof(int); i++) {
 +
        printf("(int(%d)) %% (int(%d))\t = %d (d)\n", (-val), x[i], (-val) % x[i]);
 +
    }
 +
    for (i=0; i<sizeof(x)/sizeof(int); i++) {
 +
        printf("(unsigned int(%d)) %% (int(%d)) \t = %d (d)\n", val, x[i], ((unsigned int)val) % x[i]);
 +
    }
 +
    for (i=4; i<sizeof(x)/sizeof(int); i++) {
 +
        printf("(int(%d)) %% (unsigned int(%d)) \t = %d (d)\n", val, x[i], (val) % ((unsigned int)(x[i])));
 +
    }
 +
    for (i=4; i<sizeof(x)/sizeof(int); i++) {
 +
        printf("(int(%d)) %% (unsigned int(%d)) \t = %d (d)\n", -val, x[i], (-val) % ((unsigned int)(x[i])));
 +
    }
 +
    for (i=4; i<sizeof(x)/sizeof(int); i++) {
 +
        printf("(unsigned int(%d)) %% (unsigned int(%d))\t = %d (d)\n", val, x[i], ((unsigned int)val) % ((unsigned int)(x[i])));
 +
    }
 +
 +
    int base = 7;
 +
    int x = -22;
 +
    printf("x, x%%%d \n", base);
 +
    while (x < 23) {
 +
        printf("%d %d\n", x, x%base);
 +
        x++;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    base = -7;
 +
    x = -22;
 +
    printf("x, x%%%d \n", base);
 +
    while (x < 23) {
 +
        printf("%d %d\n", x, x%base);
 +
        x++;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    base = 7;
 +
    x = -22;
 +
    printf("x, x%%(u)%d \n", base);
 +
    while (x < 23) {
 +
        printf("%d %d\n", x, x%((unsigned int)(base)));
 +
        x++;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    base = -7;
 +
    x = 0;
 +
    printf("x, (u)x%%%d \n", base);
 +
    while (x < 23) {
 +
        printf("%d %d\n", x, ((unsigned int)x)%base);
 +
        x++;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    int base = 7;
 +
    int x = -22;
 +
    printf("x, flmod(x, %d) \n", base);
 +
    while (x < 23) {
 +
        printf("%d %d\n", x, flmod(x, base));
 +
        x++;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    base = -7;
 +
    x = -22;
 +
    printf("x, flmod(x, %d) \n", base);
 +
    while (x < 23) {
 +
        printf("%d %d\n", x, flmod(x, base));
 +
        x++;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    double base = 7.5;
 +
    double x = -22.0;
 +
    printf("mod(x, %f) \n", base);
 +
    while (x < 23.0) {
 +
        printf("%f %f\n", x, mod(x, base));
 +
        x += 0.25;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    base = -7.5;
 +
    x = -22.0;
 +
    printf("\n", base);
 +
    printf("mod(x, %f) \n", base);
 +
    while (x < 23.0) {
 +
        printf("%f %f\n", x, mod(x, base));
 +
        x += 0.25;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    double base = 7.5;
 +
    double x = -22.0;
 +
    printf("ufmod(x, %f) \n", base);
 +
    while (x < 23.0) {
 +
        printf("%f %f\n", x, ufmod(x, base));
 +
        x += 0.25;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    base = -7.5;
 +
    x = -22.0;
 +
    printf("\n", base);
 +
    printf("ufmod(x, %f) \n", base);
 +
    while (x < 23.0) {
 +
        printf("%f %f\n", x, ufmod(x, base));
 +
        x += 0.25;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    unsigned int ux;
 +
    int iy;
 +
    unsigned int maxint = (1<<30)-1; // Max positive int 2^31-1
 +
    int halfminint = -(1<<29); // Half of min int
 +
 +
    ux = (1<<10) - 1; iy = 13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<10) - 1; iy = -13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = maxint; iy = 13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = maxint; iy = -13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = 0 - 1; iy = 13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = 0 - 1; iy = -13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = 0 - 2; iy = 13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = 0 - 2; iy = -13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<30) + 1; iy = 13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<30) + 1; iy = -13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<30); iy = 13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<30); iy = -13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<30) - 1; iy = 13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<30) - 1; iy = -13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = 1<<29; iy = 13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = 1<<29; iy = -13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<29)-1; iy = 13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<29)-1; iy = -13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<29)+1; iy = 13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
    ux = (1<<29)+1; iy = -13;
 +
    printf("flumod(%u, %d) = %d\n", ux, iy, flumod(ux, iy));
 +
 +
 +
    int base = 7;
 +
    unsigned int x = 0;
 +
    printf("flumod %d \n", base);
 +
    while (x < 23) {
 +
        printf("%u %d\n", x, flumod(x, base));
 +
        x++;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    base = -7;
 +
    x = 0;
 +
    printf("flumod %d \n", base);
 +
    while (x < 23) {
 +
        printf("%u %d\n", x, flumod(x, base));
 +
        x++;
 +
    }
 +
    printf("\n");
 +
 +
    exit(0);
 +
</source>
 +
|hidden = 1
 +
}}
  
 
== Оператор % ==
 
== Оператор % ==
Строка 140: Строка 344:
  
 
Кроме того, если в неё мешать использование uint и int, то можно получить интересные эффекты, описанные выше.
 
Кроме того, если в неё мешать использование uint и int, то можно получить интересные эффекты, описанные выше.
 +
 +
 +
== Макрос ufmod ==
 +
 +
Аналогичен umod, но использовался для чисел типа double. Вызывал ошибки, поэтому сейчас не используется.
 +
<source lang="C">
 +
#define ufmod(x, y) ( ((x)>=0) ? (fmod((x), (y))) : (fmod(((x)+1),(y))+(y)-1) )
 +
</source>
 +
 +
Графики показывают, что макрос дает ошибочные значения для отрицательных чисел.
 +
{{Hider|title = ufmod()  /доступны fig/
 +
|content =
 +
<center>[[file:20151112_ufmod.png]]</center>
 +
|hidden = 1
 +
}}
 +
 +
Кроме того, если в неё мешать использование uint и int, то можно получить интересные эффекты, описанные выше.
 +
 +
== Функция flmod(int, int) ==
 +
 +
Для исправления недостатков макроса umod создана функция flmod(int, int):
 +
<source lang="C">
 +
int flmod(int x, int y) {
 +
    if (y >= 0)
 +
        return ( (x>=0) ? (x%y) : (((x+1)%(y))+(y)-1) );
 +
    else
 +
        return -( (x<=0) ? (-x%-y) : (((-x+1)%(-y))+(-y)-1) );
 +
}
 +
</source>
 +
 +
Результаты её выполнения совпадают с MATLAB mod(), она реализует floored modulo:
 +
 +
{{Hider|title = flmod(int, int)  /доступны fig/
 +
|content =
 +
<center>[[file:20151112_flmod.png]]</center>
 +
|hidden = 1
 +
}}
 +
 +
 +
== Функция flumod(unsigned int, int) ==
 +
 +
Функция возвращает floored modulo для пары (unsigned int, int)
 +
 +
{{Hider|title = Исходный код flumod(unsigned int, int)
 +
|content = <source lang="C">
 +
int flumod(unsigned int x, int y) {
 +
    unsigned int maxint = (1<<30)-1; // Max positive int 2^31-1
 +
    int halfminint = -(1<<29); // Half of min int
 +
    int intbuf1 = 0;
 +
    int intbuf2 = 0;
 +
    if (y > 0) {
 +
        return x%y;
 +
    } else if (y < 0) {
 +
        if (x <= maxint) {
 +
            return flmod((int)x, y);
 +
        } else {
 +
            // x = maxint + a
 +
            // mod(x, y) = mod( mod(maxint, y) + mod(a, y), y )
 +
            intbuf1 = flumod(maxint, y);
 +
            if (intbuf1 < halfminint) // Overflow avoiding
 +
                intbuf1 -= y;
 +
            intbuf2 = flumod(x - maxint, y);
 +
            if (intbuf2 < halfminint)
 +
                intbuf2 -= y;
 +
            return flmod(intbuf1 + intbuf2, y);
 +
        }
 +
    } else {
 +
        return 0;
 +
    }
 +
}
 +
</source>
 +
|hidden = 1
 +
}}
 +
 +
Результаты её выполнения совпадают с MATLAB mod():
 +
 +
{{Hider|title = flumod(unsigned int, int)
 +
|content =
 +
<center>[[file:20151116_flumod.png]]</center>
 +
|hidden = 1
 +
}}
 +
 +
Результаты тестов на большие входные значения:
 +
{{Hider|title = Точечный тест flumod(unsigned int, int)
 +
|content = <source lang="bash">
 +
flumod(1023, 13) = 9
 +
flumod(1023, -13) = -4
 +
flumod(1073741823, 13) = 11
 +
flumod(1073741823, -13) = -2
 +
flumod(4294967295, 13) = 8
 +
flumod(4294967295, -13) = -5
 +
flumod(4294967294, 13) = 7
 +
flumod(4294967294, -13) = -6
 +
flumod(1073741825, 13) = 0
 +
flumod(1073741825, -13) = 0
 +
flumod(1073741824, 13) = 12
 +
flumod(1073741824, -13) = -1
 +
flumod(1073741823, 13) = 11
 +
flumod(1073741823, -13) = -2
 +
flumod(536870912, 13) = 6
 +
flumod(536870912, -13) = -7
 +
flumod(536870911, 13) = 5
 +
flumod(536870911, -13) = -8
 +
flumod(536870913, 13) = 7
 +
flumod(536870913, -13) = -6
 +
</source>
 +
|hidden = 1
 +
}}
 +
 +
 +
== Функция flmod2POW32(int) ==
 +
 +
Функция возвращает floored modulo для пары (2^32, int)
 +
 +
{{Hider|title = Исходный код flmod2POW32(int)
 +
|content = <source lang="C">
 +
int flmod2POW32(int base){
 +
    unsigned int ubuf = 0;
 +
    if (base > 0) {
 +
        ubuf -= base;
 +
        return flumod(ubuf, base);
 +
    } else if (base < 0) {
 +
        ubuf += base;
 +
        return flumod(ubuf, base);
 +
    } else {
 +
        return 0;
 +
    }
 +
 +
}
 +
</source>
 +
|hidden = 1
 +
}}
 +
 +
 +
Результаты тестов (совпадают с octave):
 +
{{Hider|title = Точечный тест flmod2POW32(int)
 +
|content = <source lang="bash">
 +
flmod2POW32(1023) = 4
 +
flmod2POW32(1048575) = 4096
 +
flmod2POW32(1073741823) = 4
 +
flmod2POW32(-1073741824) = 0
 +
flmod2POW32(-1023) = -1019
 +
flmod2POW32(-1048575) = -1044479
 +
flmod2POW32(0) = 0
 +
</source>
 +
|hidden = 1
 +
}}
 +
 +
== Функция flfmodstep(double, double) ==
 +
 +
При переполнениях возникает задача сделать один шаг операции floored mod, прибавить или удалить только один base
 +
 +
{{Hider|title = flfmodstep(double, double)  /доступны fig/
 +
|content = <source lang="C">
 +
double flfmodstep(double x, double y){
 +
    if (y > 0) {
 +
        if (x < 0)
 +
            return x + y;
 +
        else {
 +
            if (x < y)
 +
                return x;
 +
            else
 +
                return x - y;
 +
        }
 +
    } else if (y < 0) {
 +
        if (x > 0)
 +
            return x + y;
 +
        else {
 +
            if (x > y)
 +
                return x;
 +
            else
 +
                return x - y;
 +
        }
 +
    } else {
 +
        return 0.0;
 +
    }
 +
}
 +
</source>
 +
<center>[[file:20151113_flfmodstep.png]]</center>
 +
|hidden = 1
 +
}}
 +
 +
 +
== Симуляция переполнения знакового регистра ==
 +
 +
Пусть есть регистр, значение которого интерпретируется как число в доп.коде. Тогда переполнение регистра можно имитировать в MATLAB'е преобразованием:
 +
<source lang="matlab">
 +
% N - число разрядов регистра
 +
% x - число, которое пытаемся записать в регистр
 +
% y - число, которое окажется в регистре
 +
y = mod(x + 2^(N-1), 2^N) - 2^(N-1);
 +
</source>
 +
 +
{{Hider|title = Имитация переполнения знакового регистра (N = 4)
 +
|content =
 +
<center>[[file:20160212_regoverflow.png]]</center>
 +
|hidden = 1
 +
}}
  
 
== Ссылки ==
 
== Ссылки ==

Текущая версия на 14:37, 20 мая 2016

Содержание

Есть некоторая неуверенность в результатах работы функций взятия модуля, для борьбы с которой составлена эта памятка.

Лично я привык к работе функции mod(a, b) в MATLAB, которая приводит a к диапазону [0 b] или [b 0] (в зависимости от знака b) путем прибавления/вычитания целого числа b к/из a. Что выражается в формуле:

mod(a, b) = a - floor(a ./ b)*b,

где функция floor - округление в сторону минус бесконечности.

Операция взятия остатка по модулю замечательна своими свойствами:

(a+b)mod n = [a(mod n) + b(mod n)]mod n
(a-b)mod n = [a(mod n) - b(mod n)]mod n
(a*b)mod n = [a(mod n) * b(mod n)]mod n
[c*(a+b)]mod n = [c*a(mod n) + c*b(mod n)]mod n

Как оказалось, делить можно по-разному, в зависимости от функции, которую мы используем для округления [1]:

  • truncated division modulo - используется функция fix() - округление в сторону нуля, в результате имеем остаток от деления абсолютных значений аргументов, знак используем от первого.
  • floored division modulo - используется функция floor() - округление в сторону минус бесконечности, в результате приводим число к интервалу [0 b] для положительных b или [b 0] для отрицательных.
  • и т.д.

Для себя я теперь разделяю понятия остатка от деления (remainder after devision) и приведения числа по модулю (modulus after devision) соответственно.

Как показало исследование ниже, результаты будут отличаться тогда, когда аргументы имеют разный знак.

Так какие функции и операторы реализуют остаток от деления, какие взятие по модулю, и как они зависят от типов аргументов? Ниже представлены результаты, полученные на Oryx 161, компилятор из Xilinx SDK 2014.4 ( gcc version 4.8.3 20140320 (prerelease) (Sourcery CodeBench Lite 2014.05-23)).


[править] Оператор %


Следует обратить внимание:

  • int a % uint b = mod(*(uint*(&a)), b) - результаты для -13%(int 7) и -13%(uint 7) различаются; если брать int % uint, то int интерпретируется как uint, например, -1 превращается в 2^32-1.
  • uint a % int b = b<0 ? a : mod(a, b) - взятие uint % отрицательного числа - холостая операция, результат - исходный uint
  • int a % int b = sign(a) * mod(|a|, |b|) - как подсказывает стандарт, до C (ISO 1999) и C++ (ISO 2011) знак зависел от реализации, теперь же применяется знак делимого
  • int a % int b = (MATLAB)rem(a, b) - ведет себя как функция rem() в MATLAB: rem(a, b) = a - fix(a/b)*b, где fix() - функция округления в сторону нуля
  • int a % int b ведет себя как функция mod() в MATLAB только при совпадении знаков аргументов, иначе есть смещение на b (за исключением точек, в которых результат ноль)

Выводы:

  • Оператор % дает в нашей системе остаток от деления (truncated division modulo)
  • Функция mod() в MATLAB производит floored modulo, функция rem() в MATLAB - truncated modulo.

Для наглядности построены графики (доступен fig):


[править] Функция fmod

Функция[2]:

double fmod (double numer, double denom)

возвращает остаток от деления в виде числа с плавающей точкой (numer - tquot * denom), где tquot - результат округления в сторону нуля дроби numer/denom. Иначе говоря, функция использует truncated division или функцию fix(). От знака второго аргумента результат не зависит. Буква f в названии функции - отсылка к float, а не floored!


[править] Функция remainder

Функция[3]:

     double remainder  (double numer     , double denom);
      float remainderf (float numer      , float denom);
long double remainderl (long double numer, long double denom);

аналогична fmod(), но использует округление к ближайшему целому, то есть функцию round вместо fix. От знака второго аргумента результат не зависит.


[править] Макрос umod

Для имитации matlab'овского mod() для целых чисел у нас существует макрос umod:

#define umod(x, y)  ( ((x)>=0) ? ((x)%(y)) : ((((x)+1)%(y))+(y)-1) )

При положительных y она работает как и ожидается - реализует floored modulo, при отрицательных есть проблемы.


Кроме того, если в неё мешать использование uint и int, то можно получить интересные эффекты, описанные выше.


[править] Макрос ufmod

Аналогичен umod, но использовался для чисел типа double. Вызывал ошибки, поэтому сейчас не используется.

#define ufmod(x, y) ( ((x)>=0) ? (fmod((x), (y))) : (fmod(((x)+1),(y))+(y)-1) )

Графики показывают, что макрос дает ошибочные значения для отрицательных чисел.


Кроме того, если в неё мешать использование uint и int, то можно получить интересные эффекты, описанные выше.

[править] Функция flmod(int, int)

Для исправления недостатков макроса umod создана функция flmod(int, int):

int flmod(int x, int y) {
    if (y >= 0)
        return ( (x>=0) ? (x%y) : (((x+1)%(y))+(y)-1) );
    else
        return -( (x<=0) ? (-x%-y) : (((-x+1)%(-y))+(-y)-1) );
}

Результаты её выполнения совпадают с MATLAB mod(), она реализует floored modulo:


[править] Функция flumod(unsigned int, int)

Функция возвращает floored modulo для пары (unsigned int, int)


Результаты её выполнения совпадают с MATLAB mod():


Результаты тестов на большие входные значения:


[править] Функция flmod2POW32(int)

Функция возвращает floored modulo для пары (2^32, int)


Результаты тестов (совпадают с octave):


[править] Функция flfmodstep(double, double)

При переполнениях возникает задача сделать один шаг операции floored mod, прибавить или удалить только один base


[править] Симуляция переполнения знакового регистра

Пусть есть регистр, значение которого интерпретируется как число в доп.коде. Тогда переполнение регистра можно имитировать в MATLAB'е преобразованием:

% N - число разрядов регистра
% x - число, которое пытаемся записать в регистр
% y - число, которое окажется в регистре
y = mod(x + 2^(N-1), 2^N) - 2^(N-1);


[править] Ссылки

  1. Wiki: Modulo operation
  2. http://www.cplusplus.com/reference/cmath/fmod/
  3. http://www.cplusplus.com/reference/cmath/remainder/

[ Хронологический вид ]Комментарии

(нет элементов)

Войдите, чтобы комментировать.

Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
SRNS Wiki
Рабочие журналы
Приватный файлсервер
QNAP Сервер
Инструменты