0.8.21.26: provide %SQRT &co as functions on x86 for constant folding
[sbcl.git] / src / code / irrat.lisp
index 1da4fb7..25a5f8b 100644 (file)
@@ -14,8 +14,9 @@
 \f
 ;;;; miscellaneous constants, utility functions, and macros
 
-(defconstant pi 3.14159265358979323846264338327950288419716939937511L0)
-;(defconstant e 2.71828182845904523536028747135266249775724709369996L0)
+(defconstant pi
+  #!+long-float 3.14159265358979323846264338327950288419716939937511l0
+  #!-long-float 3.14159265358979323846264338327950288419716939937511d0)
 
 ;;; Make these INLINE, since the call to C is at least as compact as a
 ;;; Lisp call, and saves number consing to boot.
@@ -24,8 +25,8 @@
 (sb!xc:defmacro def-math-rtn (name num-args)
   (let ((function (symbolicate "%" (string-upcase name))))
     `(progn
-       (proclaim '(inline ,function))
-       (sb!alien:def-alien-routine (,name ,function) double-float
+       (declaim (inline ,function))
+       (sb!alien:define-alien-routine (,name ,function) double-float
          ,@(let ((results nil))
              (dotimes (i num-args (nreverse results))
                (push (list (intern (format nil "ARG-~D" i))
 
 ) ; EVAL-WHEN
 \f
-;;;; stubs for the Unix math library
+#!+x86 ;; for constant folding
+(macrolet ((def (name ll)
+            `(defun ,name ,ll (,name ,@ll))))
+  (def %atan2 (x y))
+  (def %atan (x))
+  (def %tan-quick (x))
+  (def %cos-quick (x))
+  (def %sin-quick (x))
+  (def %sqrt (x))
+  (def %log (x))
+  (def %exp (x)))
 
-;;; Please refer to the Unix man pages for details about these routines.
+;;;; stubs for the Unix math library
+;;;;
+;;;; Many of these are unnecessary on the X86 because they're built
+;;;; into the FPU.
 
 ;;; trigonometric
 #!-x86 (def-math-rtn "sin" 1)
 
 ;;; INTEXP -- Handle the rational base, integer power case.
 
-;;; FIXME: As long as the system dies on stack overflow or memory
-;;; exhaustion, it seems reasonable to have this, but its default
-;;; should be NIL, and when it's NIL, anything should be accepted.
-(defparameter *intexp-maximum-exponent* 10000)
+(declaim (type (or integer null) *intexp-maximum-exponent*))
+(defparameter *intexp-maximum-exponent* nil)
 
 ;;; This function precisely calculates base raised to an integral
 ;;; power. It separates the cases by the sign of power, for efficiency
 ;;; a positive integer. Values of power are calculated as positive
 ;;; integers, and inverted if negative.
 (defun intexp (base power)
-  (when (> (abs power) *intexp-maximum-exponent*)
-    ;; FIXME: should be ordinary error, not CERROR. (Once we set the
-    ;; default for the variable to NIL, the un-continuable error will
-    ;; be less obnoxious.)
-    (cerror "Continue with calculation."
-           "The absolute value of ~S exceeds ~S."
-           power '*intexp-maximum-exponent* base power))
+  (when (and *intexp-maximum-exponent*
+            (> (abs power) *intexp-maximum-exponent*))
+    (error "The absolute value of ~S exceeds ~S."
+           power '*intexp-maximum-exponent*))
   (cond ((minusp power)
         (/ (intexp base (- power))))
        ((eql base 2)
   #!+sb-doc
   "Return BASE raised to the POWER."
   (if (zerop power)
-      (1+ (* base power))
+      (let ((result (1+ (* base power))))
+       (if (and (floatp result) (float-nan-p result))
+           (float 1 result)
+           result))
     (labels (;; determine if the double float is an integer.
             ;;  0 - not an integer
             ;;  1 - an odd int
             (* base power)
             (exp (* power (log base)))))))))
 
+;;; FIXME: Maybe rename this so that it's clearer that it only works
+;;; on integers?
+(defun log2 (x)
+  (declare (type integer x))
+  ;; CMUCL comment:
+  ;;
+  ;;   Write x = 2^n*f where 1/2 < f <= 1.  Then log2(x) = n +
+  ;;   log2(f).  So we grab the top few bits of x and scale that
+  ;;   appropriately, take the log of it and add it to n.
+  ;;
+  ;; Motivated by an attempt to get LOG to work better on bignums.
+  (let ((n (integer-length x)))
+    (if (< n sb!vm:double-float-digits)
+       (log (coerce x 'double-float) 2.0d0)
+       (let ((f (ldb (byte sb!vm:double-float-digits
+                           (- n sb!vm:double-float-digits))
+                     x)))
+         (+ n (log (scale-float (coerce f 'double-float)
+                                (- sb!vm:double-float-digits))
+                   2.0d0))))))
+
 (defun log (number &optional (base nil base-p))
   #!+sb-doc
   "Return the logarithm of NUMBER in the base BASE, which defaults to e."
   (if base-p
-      (if (zerop base)
-         base                          ; ANSI spec
-         (/ (log number) (log base)))
+      (cond
+       ((zerop base) 0f0) ; FIXME: type
+       ((and (typep number '(integer (0) *))
+             (typep base '(integer (0) *)))
+        (coerce (/ (log2 number) (log2 base)) 'single-float))
+       (t (/ (log number) (log base))))
       (number-dispatch ((number number))
-       (((foreach fixnum bignum ratio))
+       (((foreach fixnum bignum))
+        (if (minusp number)
+            (complex (log (- number)) (coerce pi 'single-float))
+            (coerce (/ (log2 number) (log (exp 1.0d0) 2.0d0)) 'single-float)))
+       ((ratio)
         (if (minusp number)
             (complex (log (- number)) (coerce pi 'single-float))
-            (coerce (%log (coerce number 'double-float)) 'single-float)))
+            (let ((numerator (numerator number))
+                  (denominator (denominator number)))
+              (if (= (integer-length numerator)
+                     (integer-length denominator))
+                  (coerce (%log1p (coerce (- number 1) 'double-float))
+                          'single-float)
+                  (coerce (/ (- (log2 numerator) (log2 denominator))
+                             (log (exp 1.0d0) 2.0d0))
+                          'single-float)))))
        (((foreach single-float double-float))
         ;; Is (log -0) -infinity (libm.a) or -infinity + i*pi (Kahan)?
         ;; Since this doesn't seem to be an implementation issue
         (coerce (%sqrt (coerce number 'double-float)) 'single-float)))
     (((foreach single-float double-float))
      (if (minusp number)
-        (complex-sqrt number)
+        (complex-sqrt (complex number))
         (coerce (%sqrt (coerce number 'double-float))
                 '(dispatch-type number))))
      ((complex)
     (((foreach single-float double-float))
      (if (or (> number (coerce 1 '(dispatch-type number)))
             (< number (coerce -1 '(dispatch-type number))))
-        (complex-asin number)
+        (complex-asin (complex number))
         (coerce (%asin (coerce number 'double-float))
                 '(dispatch-type number))))
     ((complex)
     (((foreach single-float double-float))
      (if (or (> number (coerce 1 '(dispatch-type number)))
             (< number (coerce -1 '(dispatch-type number))))
-        (complex-acos number)
+        (complex-acos (complex number))
         (coerce (%acos (coerce number 'double-float))
                 '(dispatch-type number))))
     ((complex)
                           (float-sign y pi))
                       (float-sign y (/ pi 2)))
                   (%atan2 y x))))
-       (number-dispatch ((y number) (x number))
+       (number-dispatch ((y real) (x real))
          ((double-float
            (foreach double-float single-float fixnum bignum ratio))
           (atan2 y (coerce x 'double-float)))
        ((complex)
         (complex-atan y)))))
 
-;; It seems that everyone has a C version of sinh, cosh, and
-;; tanh. Let's use these for reals because the original
-;; implementations based on the definitions lose big in round-off
-;; error. These bad definitions also mean that sin and cos for
-;; complex numbers can also lose big.
+;;; It seems that every target system has a C version of sinh, cosh,
+;;; and tanh. Let's use these for reals because the original
+;;; implementations based on the definitions lose big in round-off
+;;; error. These bad definitions also mean that sin and cos for
+;;; complex numbers can also lose big.
 
 (defun sinh (number)
   #!+sb-doc
         (coerce (%acosh (coerce number 'double-float)) 'single-float)))
     (((foreach single-float double-float))
      (if (< number (coerce 1 '(dispatch-type number)))
-        (complex-acosh number)
+        (complex-acosh (complex number))
         (coerce (%acosh (coerce number 'double-float))
                 '(dispatch-type number))))
     ((complex)
     (((foreach single-float double-float))
      (if (or (> number (coerce 1 '(dispatch-type number)))
             (< number (coerce -1 '(dispatch-type number))))
-        (complex-atanh number)
+        (complex-atanh (complex number))
         (coerce (%atanh (coerce number 'double-float))
                 '(dispatch-type number))))
     ((complex)
 ;;;;
 ;;;; The original CMU CL code requested:
 ;;;;   Please send any bug reports, comments, or improvements to
-;;;;   Raymond Toy at toy@rtp.ericsson.se.
+;;;;   Raymond Toy at <email address deleted during 2002 spam avalanche>.
 
 ;;; FIXME: In SBCL, the floating point infinity constants like
 ;;; SB!EXT:DOUBLE-FLOAT-POSITIVE-INFINITY aren't available as
 ;;; they're effectively implemented as special variable references,
 ;;; and the code below which uses them might be unnecessarily
 ;;; inefficient. Perhaps some sort of MAKE-LOAD-TIME-VALUE hackery
-;;; should be used instead?
+;;; should be used instead?  (KLUDGED 2004-03-08 CSR, by replacing the
+;;; special variable references with (probably equally slow)
+;;; constructors)
+;;;
+;;; FIXME: As of 2004-05, when PFD noted that IMAGPART and COMPLEX
+;;; differ in their interpretations of the real line, IMAGPART was
+;;; patch, which without a certain amount of effort would have altered
+;;; all the branch cut treatment.  Clients of these COMPLEX- routines
+;;; were patched to use explicit COMPLEX, rather than implicitly
+;;; passing in real numbers for treatment with IMAGPART, and these
+;;; COMPLEX- functions altered to require arguments of type COMPLEX;
+;;; however, someone needs to go back to Kahan for the definitive
+;;; answer for treatment of negative real floating point numbers and
+;;; branch cuts.  If adjustment is needed, it is probably the removal
+;;; of explicit calls to COMPLEX in the clients of irrational
+;;; functions.  -- a slightly bitter CSR, 2004-05-16
 
 (declaim (inline square))
 (defun square (x)
   (cond ((float-nan-p x)
         x)
        ((float-infinity-p x)
-        sb!ext:double-float-positive-infinity)
+        ;; DOUBLE-FLOAT-POSITIVE-INFINITY
+        (double-from-bits 0 (1+ sb!vm:double-float-normal-exponent-max) 0))
        ((zerop x)
         ;; The answer is negative infinity, but we are supposed to
           ;; signal divide-by-zero, so do the actual division
 (defun coerce-to-complex-type (x y z)
   (declare (double-float x y)
           (number z))
-  (if (subtypep (type-of (realpart z)) 'double-float)
+  (if (typep (realpart z) 'double-float)
       (complex x y)
-      ;; Convert anything that's not a DOUBLE-FLOAT to a SINGLE-FLOAT.
+      ;; Convert anything that's not already a DOUBLE-FLOAT (because
+      ;; the initial argument was a (COMPLEX DOUBLE-FLOAT) and we
+      ;; haven't done anything to lose precision) to a SINGLE-FLOAT.
       (complex (float x 1f0)
               (float y 1f0))))
 
                      (float-infinity-p rho))
                  (or (float-infinity-p (abs x))
                      (float-infinity-p (abs y))))
-              (values sb!ext:double-float-positive-infinity 0))
+            ;; DOUBLE-FLOAT-POSITIVE-INFINITY
+            (values
+             (double-from-bits 0 (1+ sb!vm:double-float-normal-exponent-max) 0)
+             0))
            ((let ((threshold #.(/ least-positive-double-float
                                   double-float-epsilon))
                   (traps (ldb sb!vm::float-sticky-bits
 
 ;;; principal square root of Z
 ;;;
-;;; Z may be any NUMBER, but the result is always a COMPLEX.
+;;; Z may be RATIONAL or COMPLEX; the result is always a COMPLEX.
 (defun complex-sqrt (z)
-  (declare (number z))
+  ;; KLUDGE: Here and below, we can't just declare Z to be of type
+  ;; COMPLEX, because one-arg COMPLEX on rationals returns a rational.
+  ;; Since there isn't a rational negative zero, this is OK from the
+  ;; point of view of getting the right answer in the face of branch
+  ;; cuts, but declarations of the form (OR RATIONAL COMPLEX) are
+  ;; still ugly.  -- CSR, 2004-05-16
+  (declare (type (or complex rational) z))
   (multiple-value-bind (rho k)
       (cssqs z)
     (declare (type (or (member 0d0) (double-float 0d0)) rho)
 ;;;
 ;;; This is for use with J /= 0 only when |z| is huge.
 (defun complex-log-scaled (z j)
-  (declare (number z)
+  (declare (type (or rational complex) z)
           (fixnum j))
   ;; The constants t0, t1, t2 should be evaluated to machine
   ;; precision.  In addition, Kahan says the accuracy of log1p
 ;;;
 ;;; Z may be any number, but the result is always a complex.
 (defun complex-log (z)
-  (declare (number z))
+  (declare (type (or rational complex) z))
   (complex-log-scaled z 0))
               
 ;;; KLUDGE: Let us note the following "strange" behavior. atanh 1.0d0
 ;;; i*y is never 0 since we have positive and negative zeroes. -- rtoy
 ;;; Compute atanh z = (log(1+z) - log(1-z))/2.
 (defun complex-atanh (z)
-  (declare (number z))
+  (declare (type (or rational complex) z))
   (let* (;; constants
          (theta (/ (sqrt most-positive-double-float) 4.0d0))
          (rho (/ 4.0d0 (sqrt most-positive-double-float)))
        (declare (optimize (speed 3)))
     (cond ((or (> x theta)
               (> (abs y) theta))
-            ;; To avoid overflow...
-          (setf eta (float-sign y half-pi))
-          ;; nu is real part of 1/(x + iy).  This is x/(x^2+y^2),
+          ;; To avoid overflow...
+          (setf nu (float-sign y half-pi))
+          ;; ETA is real part of 1/(x + iy).  This is x/(x^2+y^2),
           ;; which can cause overflow.  Arrange this computation so
           ;; that it won't overflow.
-          (setf nu (let* ((x-bigger (> x (abs y)))
-                          (r (if x-bigger (/ y x) (/ x y)))
-                          (d (+ 1.0d0 (* r r))))
-                     (if x-bigger
-                         (/ (/ x) d)
-                         (/ (/ r y) d)))))
+          (setf eta (let* ((x-bigger (> x (abs y)))
+                           (r (if x-bigger (/ y x) (/ x y)))
+                           (d (+ 1.0d0 (* r r))))
+                      (if x-bigger
+                          (/ (/ x) d)
+                          (/ (/ r y) d)))))
          ((= x 1.0d0)
           ;; Should this be changed so that if y is zero, eta is set
           ;; to +infinity instead of approx 176?  In any case
           ;; tanh(176) is 1.0d0 within working precision.
           (let ((t1 (+ 4d0 (square y)))
                 (t2 (+ (abs y) rho)))
-            (setf eta (log (/ (sqrt (sqrt t1)))
-                           (sqrt t2)))
+            (setf eta (log (/ (sqrt (sqrt t1))
+                              (sqrt t2))))
             (setf nu (* 0.5d0
                         (float-sign y
                                     (+ half-pi (atan (* 0.5d0 t2))))))))
 
 ;;; Compute tanh z = sinh z / cosh z.
 (defun complex-tanh (z)
-  (declare (number z))
+  (declare (type (or rational complex) z))
   (let ((x (float (realpart z) 1.0d0))
        (y (float (imagpart z) 1.0d0)))
     (locally
       ;; space 0 to get maybe-inline functions inlined
       (declare (optimize (speed 3) (space 0)))
     (cond ((> (abs x)
-             #-(or linux hpux) #.(/ (asinh most-positive-double-float) 4d0)
-             ;; This is more accurate under linux.
-             #+(or linux hpux) #.(/ (+ (log 2.0d0)
-                                          (log most-positive-double-float)) 4d0))
-              (coerce-to-complex-type (float-sign x)
-                                      (float-sign y) z))
+             ;; FIXME: this form is hideously broken wrt
+             ;; cross-compilation portability.  Much else in this
+             ;; file is too, of course, sometimes hidden by
+             ;; constant-folding, but this one in particular clearly
+             ;; depends on host and target
+             ;; MOST-POSITIVE-DOUBLE-FLOATs being equal.  -- CSR,
+             ;; 2003-04-20
+             #.(/ (+ (log 2.0d0)
+                     (log most-positive-double-float))
+                  4d0))
+          (coerce-to-complex-type (float-sign x)
+                                  (float-sign y) z))
          (t
           (let* ((tv (%tan y))
                  (beta (+ 1.0d0 (* tv tv)))
   ;;
   ;; and these two expressions are equal if and only if arg conj z =
   ;; -arg z, which is clearly true for all z.
-  (declare (number z))
+  (declare (type (or rational complex) z))
   (let ((sqrt-1+z (complex-sqrt (+ 1 z)))
        (sqrt-1-z (complex-sqrt (- 1 z))))
     (with-float-traps-masked (:divide-by-zero)
 ;;;
 ;;; Z may be any NUMBER, but the result is always a COMPLEX.
 (defun complex-acosh (z)
-  (declare (number z))
+  (declare (type (or rational complex) z))
   (let ((sqrt-z-1 (complex-sqrt (- z 1)))
        (sqrt-z+1 (complex-sqrt (+ z 1))))
     (with-float-traps-masked (:divide-by-zero)
 ;;;
 ;;; Z may be any NUMBER, but the result is always a COMPLEX.
 (defun complex-asin (z)
-  (declare (number z))
+  (declare (type (or rational complex) z))
   (let ((sqrt-1-z (complex-sqrt (- 1 z)))
        (sqrt-1+z (complex-sqrt (+ 1 z))))
     (with-float-traps-masked (:divide-by-zero)
 ;;;
 ;;; Z may be any number, but the result is always a complex.
 (defun complex-asinh (z)
-  (declare (number z))
+  (declare (type (or rational complex) z))
   ;; asinh z = -i * asin (i*z)
   (let* ((iz (complex (- (imagpart z)) (realpart z)))
         (result (complex-asin iz)))
 ;;;
 ;;; Z may be any number, but the result is always a complex.
 (defun complex-atan (z)
-  (declare (number z))
+  (declare (type (or rational complex) z))
   ;; atan z = -i * atanh (i*z)
   (let* ((iz (complex (- (imagpart z)) (realpart z)))
         (result (complex-atanh iz)))
 ;;;
 ;;; Z may be any number, but the result is always a complex.
 (defun complex-tan (z)
-  (declare (number z))
+  (declare (type (or rational complex) z))
   ;; tan z = -i * tanh(i*z)
   (let* ((iz (complex (- (imagpart z)) (realpart z)))
         (result (complex-tanh iz)))