File Coverage

aks.c
Criterion Covered Total %
statement 53 162 32.7
branch 34 152 22.3
condition n/a
subroutine n/a
pod n/a
total 87 314 27.7


line stmt bran cond sub pod time code
1             #include
2             #include
3             #include
4             #include
5             #include
6              
7             /* The AKS primality algorithm for native integers.
8             *
9             * There are three versions here:
10             * V6 The v6 algorithm from the latest AKS paper.
11             * https://www.cse.iitk.ac.in/users/manindra/algebra/primality_v6.pdf
12             * BORNEMANN Improvements from Bernstein, Voloch, and a clever r/s
13             * selection from Folkmar Bornemann. Similar to Bornemann's
14             * 2003 Pari/GP implementation:
15             * https://homepage.univie.ac.at/Dietrich.Burde/pari/aks.gp
16             * BERN41 My implementation of theorem 4.1 from Bernstein's 2003 paper.
17             * https://cr.yp.to/papers/aks.pdf
18             *
19             * Each one is orders of magnitude faster than the previous, and by default
20             * we use Bernstein 4.1 as it is by far the fastest.
21             *
22             * Note that AKS is very, very slow compared to other methods. It is, however,
23             * polynomial in log(N), and log-log performance graphs show nice straight
24             * lines for both implementations. However APR-CL and ECPP both start out
25             * much faster and the slope will be less for any sizes of N that we're
26             * interested in.
27             *
28             * For native 64-bit integers this is purely a coding exercise, as BPSW is
29             * a million times faster and gives proven results.
30             *
31             *
32             * When n < 2^(wordbits/2)-1, we can do a straightforward intermediate:
33             * r = (r + a * b) % n
34             * If n is larger, then these are replaced with:
35             * r = addmod( r, mulmod(a, b, n), n)
36             * which is a lot more work, but keeps us correct.
37             *
38             * Software that does polynomial convolutions followed by a modulo can be
39             * very fast, but will fail when n >= (2^wordbits)/r.
40             *
41             * This is all much easier in GMP.
42             *
43             * Copyright 2012-2016, Dana Jacobsen.
44             */
45              
46             #define SQRTN_SHORTCUT 1
47              
48             #define IMPL_V6 0 /* From the primality_v6 paper */
49             #define IMPL_BORNEMANN 0 /* From Bornemann's 2002 implementation */
50             #define IMPL_BERN41 1 /* From Bernstein's early 2003 paper */
51              
52             #include "ptypes.h"
53             #include "aks.h"
54             #define FUNC_isqrt 1
55             #define FUNC_gcd_ui 1
56             #include "util.h"
57             #include "cache.h"
58             #include "mulmod.h"
59             #include "factor.h"
60              
61             #if IMPL_BORNEMANN || IMPL_BERN41
62             /* We could use lgamma, but it isn't in MSVC and not in pre-C99. The only
63             * sure way to find if it is available is test compilation (ala autoconf).
64             * Instead, we'll just use our own implementation.
65             * See http://mrob.com/pub/ries/lanczos-gamma.html for alternates. */
66 552           static double log_gamma(double x)
67             {
68             static const double log_sqrt_two_pi = 0.91893853320467274178;
69             static const double lanczos_coef[8+1] =
70             { 0.99999999999980993, 676.5203681218851, -1259.1392167224028,
71             771.32342877765313, -176.61502916214059, 12.507343278686905,
72             -0.13857109526572012, 9.9843695780195716e-6, 1.5056327351493116e-7 };
73 552           double base = x + 7.5, sum = 0;
74             int i;
75 4968 100         for (i = 8; i >= 1; i--)
76 4416           sum += lanczos_coef[i] / (x + (double)i);
77 552           sum += lanczos_coef[0];
78 552           sum = log_sqrt_two_pi + log(sum/x) + ( (x+0.5)*log(base) - base );
79 552           return sum;
80             }
81              
82             /* Note: For lgammal we need logl in the above.
83             * Max error drops from 2.688466e-09 to 1.818989e-12. */
84             #undef lgamma
85             #define lgamma(x) log_gamma(x)
86             #endif
87              
88             #if IMPL_BERN41
89 184           static double log_binomial(UV n, UV k)
90             {
91 184           return log_gamma(n+1) - log_gamma(k+1) - log_gamma(n-k+1);
92             }
93 46           static double log_bern41_binomial(UV r, UV d, UV i, UV j, UV s)
94             {
95 92           return log_binomial( 2*s, i)
96 46           + log_binomial( d, i)
97 46           + log_binomial( 2*s-i, j)
98 46           + log_binomial( r-2-d, j);
99             }
100 46           static int bern41_acceptable(UV n, UV r, UV s)
101             {
102 46           double scmp = ceil(sqrt( (r-1)/3.0 )) * log(n);
103 46           UV d = (UV) (0.5 * (r-1));
104 46           UV i = (UV) (0.475 * (r-1));
105 46           UV j = i;
106 46 50         if (d > r-2) d = r-2;
107 46 50         if (i > d) i = d;
108 46 50         if (j > (r-2-d)) j = r-2-d;
109 46           return (log_bern41_binomial(r,d,i,j,s) >= scmp);
110             }
111             #endif
112              
113             #if 0
114             /* Naive znorder. Works well if limit is small. Note arguments. */
115             static UV order(UV r, UV n, UV limit) {
116             UV j;
117             UV t = 1;
118             for (j = 1; j <= limit; j++) {
119             t = mulmod(t, n, r);
120             if (t == 1)
121             break;
122             }
123             return j;
124             }
125             static void poly_print(UV* poly, UV r)
126             {
127             int i;
128             for (i = r-1; i >= 1; i--) {
129             if (poly[i] != 0)
130             printf("%lux^%d + ", poly[i], i);
131             }
132             if (poly[0] != 0) printf("%lu", poly[0]);
133             printf("\n");
134             }
135             #endif
136              
137 0           static void poly_mod_mul(UV* px, UV* py, UV* res, UV r, UV mod)
138             {
139             UV degpx, degpy;
140             UV i, j, pxi, pyj, rindex;
141              
142             /* Determine max degree of px and py */
143 0 0         for (degpx = r-1; degpx > 0 && !px[degpx]; degpx--) ; /* */
    0          
144 0 0         for (degpy = r-1; degpy > 0 && !py[degpy]; degpy--) ; /* */
    0          
145             /* We can sum at least j values at once */
146 0 0         j = (mod >= HALF_WORD) ? 0 : (UV_MAX / ((mod-1)*(mod-1)));
147              
148 0 0         if (j >= degpx || j >= degpy) {
    0          
149             /* res will be written completely, so no need to set */
150 0 0         for (rindex = 0; rindex < r; rindex++) {
151 0           UV sum = 0;
152 0           j = rindex;
153 0 0         for (i = 0; i <= degpx; i++) {
154 0 0         if (j <= degpy)
155 0           sum += px[i] * py[j];
156 0 0         j = (j == 0) ? r-1 : j-1;
157             }
158 0           res[rindex] = sum % mod;
159             }
160             } else {
161 0           memset(res, 0, r * sizeof(UV)); /* Zero result accumulator */
162 0 0         for (i = 0; i <= degpx; i++) {
163 0           pxi = px[i];
164 0 0         if (pxi == 0) continue;
165 0 0         if (mod < HALF_WORD) {
166 0 0         for (j = 0; j <= degpy; j++) {
167 0           pyj = py[j];
168 0 0         rindex = i+j; if (rindex >= r) rindex -= r;
169 0           res[rindex] = (res[rindex] + (pxi*pyj) ) % mod;
170             }
171             } else {
172 0 0         for (j = 0; j <= degpy; j++) {
173 0           pyj = py[j];
174 0 0         rindex = i+j; if (rindex >= r) rindex -= r;
175 0           res[rindex] = muladdmod(pxi, pyj, res[rindex], mod);
176             }
177             }
178             }
179             }
180 0           memcpy(px, res, r * sizeof(UV)); /* put result in px */
181 0           }
182 0           static void poly_mod_sqr(UV* px, UV* res, UV r, UV mod)
183             {
184             UV c, d, s, sum, rindex, maxpx;
185 0           UV degree = r-1;
186 0           int native_sqr = (mod > isqrt(UV_MAX/(2*r))) ? 0 : 1;
187              
188 0           memset(res, 0, r * sizeof(UV)); /* zero out sums */
189             /* Discover index of last non-zero value in px */
190 0 0         for (s = degree; s > 0; s--)
191 0 0         if (px[s] != 0)
192 0           break;
193 0           maxpx = s;
194             /* 1D convolution */
195 0 0         for (d = 0; d <= 2*degree; d++) {
196             UV *pp1, *pp2, *ppend;
197 0 0         UV s_beg = (d <= degree) ? 0 : d-degree;
198 0           UV s_end = ((d/2) <= maxpx) ? d/2 : maxpx;
199 0 0         if (s_end < s_beg) continue;
200 0           sum = 0;
201 0           pp1 = px + s_beg;
202 0           pp2 = px + d - s_beg;
203 0           ppend = px + s_end;
204 0 0         if (native_sqr) {
205 0 0         while (pp1 < ppend)
206 0           sum += 2 * *pp1++ * *pp2--;
207             /* Special treatment for last point */
208 0           c = px[s_end];
209 0 0         sum += (s_end*2 == d) ? c*c : 2*c*px[d-s_end];
210 0 0         rindex = (d < r) ? d : d-r; /* d % r */
211 0           res[rindex] = (res[rindex] + sum) % mod;
212             #if HAVE_UINT128
213             } else {
214 0           uint128_t max = ((uint128_t)1 << 127) - 1;
215 0           uint128_t c128, sum128 = 0;
216              
217 0 0         while (pp1 < ppend) {
218 0           c128 = ((uint128_t)*pp1++) * ((uint128_t)*pp2--);
219 0 0         if (c128 > max) c128 %= mod;
220 0           c128 <<= 1;
221 0 0         if (c128 > max) c128 %= mod;
222 0           sum128 += c128;
223 0 0         if (sum128 > max) sum128 %= mod;
224             }
225 0           c128 = px[s_end];
226 0 0         if (s_end*2 == d) {
227 0           c128 *= c128;
228             } else {
229 0           c128 *= px[d-s_end];
230 0 0         if (c128 > max) c128 %= mod;
231 0           c128 <<= 1;
232             }
233 0 0         if (c128 > max) c128 %= mod;
234 0           sum128 += c128;
235 0 0         if (sum128 > max) sum128 %= mod;
236 0 0         rindex = (d < r) ? d : d-r; /* d % r */
237 0           res[rindex] = ((uint128_t)res[rindex] + sum128) % mod;
238             #else
239             } else {
240             while (pp1 < ppend) {
241             UV p1 = *pp1++;
242             UV p2 = *pp2--;
243             sum = addmod(sum, mulmod(2, mulmod(p1, p2, mod), mod), mod);
244             }
245             c = px[s_end];
246             if (s_end*2 == d)
247             sum = addmod(sum, sqrmod(c, mod), mod);
248             else
249             sum = addmod(sum, mulmod(2, mulmod(c, px[d-s_end], mod), mod), mod);
250             rindex = (d < r) ? d : d-r; /* d % r */
251             res[rindex] = addmod(res[rindex], sum, mod);
252             #endif
253             }
254             }
255 0           memcpy(px, res, r * sizeof(UV)); /* put result in px */
256 0           }
257              
258 0           static UV* poly_mod_pow(UV* pn, UV power, UV r, UV mod)
259             {
260             UV *res, *temp;
261              
262 0 0         Newz(0, res, r, UV);
263 0 0         New(0, temp, r, UV);
264 0           res[0] = 1;
265              
266 0 0         while (power) {
267 0 0         if (power & 1) poly_mod_mul(res, pn, temp, r, mod);
268 0           power >>= 1;
269 0 0         if (power) poly_mod_sqr(pn, temp, r, mod);
270             }
271 0           Safefree(temp);
272 0           return res;
273             }
274              
275 0           static int test_anr(UV a, UV n, UV r)
276             {
277             UV* pn;
278             UV* res;
279             UV i;
280 0           int retval = 1;
281              
282 0 0         Newz(0, pn, r, UV);
283 0           a %= r;
284 0           pn[0] = a;
285 0           pn[1] = 1;
286 0           res = poly_mod_pow(pn, n, r, n);
287 0           res[n % r] = addmod(res[n % r], n - 1, n);
288 0           res[0] = addmod(res[0], n - a, n);
289              
290 0 0         for (i = 0; i < r; i++)
291 0 0         if (res[i] != 0)
292 0           retval = 0;
293 0           Safefree(res);
294 0           Safefree(pn);
295 0           return retval;
296             }
297              
298             /*
299             * Avanzi and Mihǎilescu, 2007
300             * http://www.uni-math.gwdg.de/preda/mihailescu-papers/ouraks3.pdf
301             * "As a consequence, one cannot expect the present variants of AKS to
302             * compete with the earlier primality proving methods like ECPP and
303             * cyclotomy." - conclusion regarding memory consumption
304             */
305 7           int is_aks_prime(UV n)
306             {
307 7           UV r, s, a, starta = 1;
308              
309 7 100         if (n < 2)
310 2           return 0;
311 5 100         if (n == 2)
312 1           return 1;
313              
314 4 50         if (is_power(n, 0))
315 0           return 0;
316              
317 4 50         if (n > 11 && ( !(n%2) || !(n%3) || !(n%5) || !(n%7) || !(n%11) )) return 0;
    50          
    50          
    50          
    50          
    50          
318             /* if (!is_prob_prime(n)) return 0; */
319              
320             #if IMPL_V6
321             {
322             UV sqrtn = isqrt(n);
323             double log2n = log(n) / log(2); /* C99 has a log2() function */
324             UV limit = (UV) floor(log2n * log2n);
325              
326             MPUverbose(1, "# aks limit is %lu\n", (unsigned long) limit);
327              
328             for (r = 2; r < n; r++) {
329             if ((n % r) == 0)
330             return 0;
331             #if SQRTN_SHORTCUT
332             if (r > sqrtn)
333             return 1;
334             #endif
335             if (znorder(n, r) > limit)
336             break;
337             }
338              
339             if (r >= n)
340             return 1;
341              
342             s = (UV) floor(sqrt(r-1) * log2n);
343             }
344             #endif
345             #if IMPL_BORNEMANN
346             {
347             UV fac[MPU_MAX_FACTORS+1];
348             UV slim;
349             double c1, c2, x;
350             double const t = 48;
351             double const t1 = (1.0/((t+1)*log(t+1)-t*log(t)));
352             double const dlogn = log(n);
353             r = next_prime( (UV) (t1*t1 * dlogn*dlogn) );
354             while (!is_primitive_root(n,r,1))
355             r = next_prime(r);
356              
357             slim = (UV) (2*t*(r-1));
358             c1 = lgamma(r-1);
359             c2 = dlogn * floor(sqrt(r));
360             { /* Binary search for first s in [1,slim] where x >= 0 */
361             UV i = 1;
362             UV j = slim;
363             while (i < j) {
364             s = i + (j-i)/2;
365             x = (lgamma(r-1+s) - c1 - lgamma(s+1)) / c2 - 1.0;
366             if (x < 0) i = s+1;
367             else j = s;
368             }
369             s = i-1;
370             }
371             s = (s+3) >> 1;
372             /* Bornemann checks factors up to (s-1)^2, we check to max(r,s) */
373             /* slim = (s-1)*(s-1); */
374             slim = (r > s) ? r : s;
375             MPUverbose(2, "# aks trial to %lu\n", slim);
376             if (trial_factor(n, fac, 2, slim) > 1)
377             return 0;
378             if (slim >= HALF_WORD || (slim*slim) >= n)
379             return 1;
380             }
381             #endif
382             #if IMPL_BERN41
383             {
384             UV slim, fac[MPU_MAX_FACTORS+1];
385 4           double const log2n = log(n) / log(2);
386             /* Tuning: Initial 'r' selection. Search limit for 's'. */
387 4 50         double const r0 = ((log2n > 32) ? 0.010 : 0.003) * log2n * log2n;
388 4 50         UV const rmult = (log2n > 32) ? 6 : 30;
389              
390 4 100         r = next_prime(r0 < 2 ? 2 : (UV)r0); /* r must be at least 3 */
391 20 100         while ( !is_primitive_root(n,r,1) || !bern41_acceptable(n,r,rmult*(r-1)) )
    100          
392 16           r = next_prime(r);
393              
394             { /* Binary search for first s in [1,slim] where conditions met */
395 4           UV bi = 1;
396 4           UV bj = rmult * (r-1);
397 38 100         while (bi < bj) {
398 34           s = bi + (bj-bi)/2;
399 34 100         if (!bern41_acceptable(n, r, s)) bi = s+1;
400 23           else bj = s;
401             }
402 4           s = bj;
403 4 50         if (!bern41_acceptable(n, r, s)) croak("AKS: bad s selected");
404             /* S goes from 2 to s+1 */
405 4           starta = 2;
406 4           s = s+1;
407             }
408             /* Check divisibility to s * (s-1) to cover both gcd conditions */
409 4           slim = s * (s-1);
410 4 50         MPUverbose(2, "# aks trial to %lu\n", (unsigned long)slim);
411 4 100         if (trial_factor(n, fac, 2, slim) > 1)
412 4           return 0;
413 2 50         if (slim >= HALF_WORD || (slim*slim) >= n)
    50          
414 2           return 1;
415             /* Check b^(n-1) = 1 mod n for b in [2..s] */
416 0 0         for (a = 2; a <= s; a++) {
417 0 0         if (powmod(a, n-1, n) != 1)
418 0           return 0;
419             }
420             }
421             #endif
422              
423 0 0         MPUverbose(1, "# aks r = %lu s = %lu\n", (unsigned long) r, (unsigned long) s);
424              
425             /* Almost every composite will get recognized by the first test.
426             * However, we need to run 's' tests to have the result proven for all n
427             * based on the theorems we have available at this time. */
428 0 0         for (a = starta; a <= s; a++) {
429 0 0         if (! test_anr(a, n, r) )
430 0           return 0;
431 0 0         MPUverbose(2, ".");
432             }
433 0 0         MPUverbose(2, "\n");
434 0           return 1;
435             }