source: trunk/src-cryptopp/algebra.h

Last change on this file was e230cb0, checked in by David Stainton <dstainton415@…>, at 2016-10-12T13:27:29Z

Add cryptopp from tag CRYPTOPP_5_6_5

  • Property mode set to 100644
File size: 16.0 KB
Line 
1// algebra.h - written and placed in the public domain by Wei Dai
2
3//! \file algebra.h
4//! \brief Classes for performing mathematics over different fields
5
6#ifndef CRYPTOPP_ALGEBRA_H
7#define CRYPTOPP_ALGEBRA_H
8
9#include "config.h"
10#include "misc.h"
11#include "integer.h"
12
13NAMESPACE_BEGIN(CryptoPP)
14
15class Integer;
16
17//! \brief Abstract group
18//! \tparam T element class or type
19//! \details <tt>const Element&</tt> returned by member functions are references
20//!   to internal data members. Since each object may have only
21//!   one such data member for holding results, the following code
22//!   will produce incorrect results:
23//!   <pre>    abcd = group.Add(group.Add(a,b), group.Add(c,d));</pre>
24//!   But this should be fine:
25//!   <pre>    abcd = group.Add(a, group.Add(b, group.Add(c,d));</pre>
26template <class T> class CRYPTOPP_NO_VTABLE AbstractGroup
27{
28public:
29        typedef T Element;
30
31        virtual ~AbstractGroup() {}
32
33        //! \brief Compare two elements for equality
34        //! \param a first element
35        //! \param b second element
36        //! \returns true if the elements are equal, false otherwise
37        //! \details Equal() tests the elements for equality using <tt>a==b</tt>
38        virtual bool Equal(const Element &a, const Element &b) const =0;
39
40        //! \brief Provides the Identity element
41        //! \returns the Identity element
42        virtual const Element& Identity() const =0;
43
44        //! \brief Adds elements in the group
45        //! \param a first element
46        //! \param b second element
47        //! \returns the sum of <tt>a</tt> and <tt>b</tt>
48        virtual const Element& Add(const Element &a, const Element &b) const =0;
49
50        //! \brief Inverts the element in the group
51        //! \param a first element
52        //! \returns the inverse of the element
53        virtual const Element& Inverse(const Element &a) const =0;
54
55        //! \brief Determine if inversion is fast
56        //! \returns true if inversion is fast, false otherwise
57        virtual bool InversionIsFast() const {return false;}
58
59        //! \brief Doubles an element in the group
60        //! \param a the element
61        //! \returns the element doubled
62        virtual const Element& Double(const Element &a) const;
63
64        //! \brief Subtracts elements in the group
65        //! \param a first element
66        //! \param b second element
67        //! \returns the difference of <tt>a</tt> and <tt>b</tt>. The element <tt>a</tt> must provide a Subtract member function.
68        virtual const Element& Subtract(const Element &a, const Element &b) const;
69
70        //! \brief TODO
71        //! \param a first element
72        //! \param b second element
73        //! \returns TODO
74        virtual Element& Accumulate(Element &a, const Element &b) const;
75
76        //! \brief Reduces an element in the congruence class
77        //! \param a element to reduce
78        //! \param b the congruence class
79        //! \returns the reduced element
80        virtual Element& Reduce(Element &a, const Element &b) const;
81
82        //! \brief Performs a scalar multiplication
83        //! \param a multiplicand
84        //! \param e multiplier
85        //! \returns the product
86        virtual Element ScalarMultiply(const Element &a, const Integer &e) const;
87
88        //! \brief TODO
89        //! \param x first multiplicand
90        //! \param e1 the first multiplier
91        //! \param y second multiplicand
92        //! \param e2 the second multiplier
93        //! \returns TODO
94        virtual Element CascadeScalarMultiply(const Element &x, const Integer &e1, const Element &y, const Integer &e2) const;
95
96        //! \brief Multiplies a base to multiple exponents in a group
97        //! \param results an array of Elements
98        //! \param base the base to raise to the exponents
99        //! \param exponents an array of exponents
100        //! \param exponentsCount the number of exponents in the array
101        //! \details SimultaneousMultiply() multiplies the base to each exponent in the exponents array and stores the
102        //!   result at the respective position in the results array.
103        //! \details SimultaneousMultiply() must be implemented in a derived class.
104        //! \pre <tt>COUNTOF(results) == exponentsCount</tt>
105        //! \pre <tt>COUNTOF(exponents) == exponentsCount</tt>
106        virtual void SimultaneousMultiply(Element *results, const Element &base, const Integer *exponents, unsigned int exponentsCount) const;
107};
108
109//! \brief Abstract ring
110//! \tparam T element class or type
111//! \details <tt>const Element&</tt> returned by member functions are references
112//!   to internal data members. Since each object may have only
113//!   one such data member for holding results, the following code
114//!   will produce incorrect results:
115//!   <pre>    abcd = group.Add(group.Add(a,b), group.Add(c,d));</pre>
116//!   But this should be fine:
117//!   <pre>    abcd = group.Add(a, group.Add(b, group.Add(c,d));</pre>
118template <class T> class CRYPTOPP_NO_VTABLE AbstractRing : public AbstractGroup<T>
119{
120public:
121        typedef T Element;
122
123        //! \brief Construct an AbstractRing
124        AbstractRing() {m_mg.m_pRing = this;}
125
126        //! \brief Copy construct an AbstractRing
127        //! \param source other AbstractRing
128        AbstractRing(const AbstractRing &source)
129                {CRYPTOPP_UNUSED(source); m_mg.m_pRing = this;}
130
131        //! \brief Assign an AbstractRing
132        //! \param source other AbstractRing
133        AbstractRing& operator=(const AbstractRing &source)
134                {CRYPTOPP_UNUSED(source); return *this;}
135
136        //! \brief Determines whether an element is a unit in the group
137        //! \param a the element
138        //! \returns true if the element is a unit after reduction, false otherwise.
139        virtual bool IsUnit(const Element &a) const =0;
140
141        //! \brief Retrieves the multiplicative identity
142        //! \returns the multiplicative identity
143        virtual const Element& MultiplicativeIdentity() const =0;
144
145        //! \brief Multiplies elements in the group
146        //! \param a the multiplicand
147        //! \param b the multiplier
148        //! \returns the product of a and b
149        virtual const Element& Multiply(const Element &a, const Element &b) const =0;
150
151        //! \brief Calculate the multiplicative inverse of an element in the group
152        //! \param a the element
153        virtual const Element& MultiplicativeInverse(const Element &a) const =0;
154
155        //! \brief Square an element in the group
156        //! \param a the element
157        //! \returns the element squared
158        virtual const Element& Square(const Element &a) const;
159
160        //! \brief Divides elements in the group
161        //! \param a the dividend
162        //! \param b the divisor
163        //! \returns the quotient
164        virtual const Element& Divide(const Element &a, const Element &b) const;
165
166        //! \brief Raises a base to an exponent in the group
167        //! \param a the base
168        //! \param e the exponent
169        //! \returns the exponentiation
170        virtual Element Exponentiate(const Element &a, const Integer &e) const;
171
172        //! \brief TODO
173        //! \param x first element
174        //! \param e1 first exponent
175        //! \param y second element
176        //! \param e2 second exponent
177        //! \returns TODO
178        virtual Element CascadeExponentiate(const Element &x, const Integer &e1, const Element &y, const Integer &e2) const;
179
180        //! \brief Exponentiates a base to multiple exponents in the Ring
181        //! \param results an array of Elements
182        //! \param base the base to raise to the exponents
183        //! \param exponents an array of exponents
184        //! \param exponentsCount the number of exponents in the array
185        //! \details SimultaneousExponentiate() raises the base to each exponent in the exponents array and stores the
186        //!   result at the respective position in the results array.
187        //! \details SimultaneousExponentiate() must be implemented in a derived class.
188        //! \pre <tt>COUNTOF(results) == exponentsCount</tt>
189        //! \pre <tt>COUNTOF(exponents) == exponentsCount</tt>
190        virtual void SimultaneousExponentiate(Element *results, const Element &base, const Integer *exponents, unsigned int exponentsCount) const;
191
192        //! \brief Retrieves the multiplicative group
193        //! \returns the multiplicative group
194        virtual const AbstractGroup<T>& MultiplicativeGroup() const
195                {return m_mg;}
196
197private:
198        class MultiplicativeGroupT : public AbstractGroup<T>
199        {
200        public:
201                const AbstractRing<T>& GetRing() const
202                        {return *m_pRing;}
203
204                bool Equal(const Element &a, const Element &b) const
205                        {return GetRing().Equal(a, b);}
206
207                const Element& Identity() const
208                        {return GetRing().MultiplicativeIdentity();}
209
210                const Element& Add(const Element &a, const Element &b) const
211                        {return GetRing().Multiply(a, b);}
212
213                Element& Accumulate(Element &a, const Element &b) const
214                        {return a = GetRing().Multiply(a, b);}
215
216                const Element& Inverse(const Element &a) const
217                        {return GetRing().MultiplicativeInverse(a);}
218
219                const Element& Subtract(const Element &a, const Element &b) const
220                        {return GetRing().Divide(a, b);}
221
222                Element& Reduce(Element &a, const Element &b) const
223                        {return a = GetRing().Divide(a, b);}
224
225                const Element& Double(const Element &a) const
226                        {return GetRing().Square(a);}
227
228                Element ScalarMultiply(const Element &a, const Integer &e) const
229                        {return GetRing().Exponentiate(a, e);}
230
231                Element CascadeScalarMultiply(const Element &x, const Integer &e1, const Element &y, const Integer &e2) const
232                        {return GetRing().CascadeExponentiate(x, e1, y, e2);}
233
234                void SimultaneousMultiply(Element *results, const Element &base, const Integer *exponents, unsigned int exponentsCount) const
235                        {GetRing().SimultaneousExponentiate(results, base, exponents, exponentsCount);}
236
237                const AbstractRing<T> *m_pRing;
238        };
239
240        MultiplicativeGroupT m_mg;
241};
242
243// ********************************************************
244
245//! \brief Base and exponent
246//! \tparam T base class or type
247//! \tparam T exponent class or type
248template <class T, class E = Integer>
249struct BaseAndExponent
250{
251public:
252        BaseAndExponent() {}
253        BaseAndExponent(const T &base, const E &exponent) : base(base), exponent(exponent) {}
254        bool operator<(const BaseAndExponent<T, E> &rhs) const {return exponent < rhs.exponent;}
255        T base;
256        E exponent;
257};
258
259// VC60 workaround: incomplete member template support
260template <class Element, class Iterator>
261        Element GeneralCascadeMultiplication(const AbstractGroup<Element> &group, Iterator begin, Iterator end);
262template <class Element, class Iterator>
263        Element GeneralCascadeExponentiation(const AbstractRing<Element> &ring, Iterator begin, Iterator end);
264
265// ********************************************************
266
267//! \brief Abstract Euclidean domain
268//! \tparam T element class or type
269//! \details <tt>const Element&</tt> returned by member functions are references
270//!   to internal data members. Since each object may have only
271//!   one such data member for holding results, the following code
272//!   will produce incorrect results:
273//!   <pre>    abcd = group.Add(group.Add(a,b), group.Add(c,d));</pre>
274//!   But this should be fine:
275//!   <pre>    abcd = group.Add(a, group.Add(b, group.Add(c,d));</pre>
276template <class T> class CRYPTOPP_NO_VTABLE AbstractEuclideanDomain : public AbstractRing<T>
277{
278public:
279        typedef T Element;
280
281        //! \brief Performs the division algorithm on two elements in the ring
282        //! \param r the remainder
283        //! \param q the quotient
284        //! \param a the dividend
285        //! \param d the divisor
286        virtual void DivisionAlgorithm(Element &r, Element &q, const Element &a, const Element &d) const =0;
287
288        //! \brief Performs a modular reduction in the ring
289        //! \param a the element
290        //! \param b the modulus
291        //! \returns the result of <tt>a%b</tt>.
292        virtual const Element& Mod(const Element &a, const Element &b) const =0;
293
294        //! \brief Calculates the greatest common denominator in the ring
295        //! \param a the first element
296        //! \param b the second element
297        //! \returns the the greatest common denominator of a and b.
298        virtual const Element& Gcd(const Element &a, const Element &b) const;
299
300protected:
301        mutable Element result;
302};
303
304// ********************************************************
305
306//! \brief Euclidean domain
307//! \tparam T element class or type
308//! \details <tt>const Element&</tt> returned by member functions are references
309//!   to internal data members. Since each object may have only
310//!   one such data member for holding results, the following code
311//!   will produce incorrect results:
312//!   <pre>    abcd = group.Add(group.Add(a,b), group.Add(c,d));</pre>
313//!   But this should be fine:
314//!   <pre>    abcd = group.Add(a, group.Add(b, group.Add(c,d));</pre>
315template <class T> class EuclideanDomainOf : public AbstractEuclideanDomain<T>
316{
317public:
318        typedef T Element;
319
320        EuclideanDomainOf() {}
321
322        bool Equal(const Element &a, const Element &b) const
323                {return a==b;}
324
325        const Element& Identity() const
326                {return Element::Zero();}
327
328        const Element& Add(const Element &a, const Element &b) const
329                {return result = a+b;}
330
331        Element& Accumulate(Element &a, const Element &b) const
332                {return a+=b;}
333
334        const Element& Inverse(const Element &a) const
335                {return result = -a;}
336
337        const Element& Subtract(const Element &a, const Element &b) const
338                {return result = a-b;}
339
340        Element& Reduce(Element &a, const Element &b) const
341                {return a-=b;}
342
343        const Element& Double(const Element &a) const
344                {return result = a.Doubled();}
345
346        const Element& MultiplicativeIdentity() const
347                {return Element::One();}
348
349        const Element& Multiply(const Element &a, const Element &b) const
350                {return result = a*b;}
351
352        const Element& Square(const Element &a) const
353                {return result = a.Squared();}
354
355        bool IsUnit(const Element &a) const
356                {return a.IsUnit();}
357
358        const Element& MultiplicativeInverse(const Element &a) const
359                {return result = a.MultiplicativeInverse();}
360
361        const Element& Divide(const Element &a, const Element &b) const
362                {return result = a/b;}
363
364        const Element& Mod(const Element &a, const Element &b) const
365                {return result = a%b;}
366
367        void DivisionAlgorithm(Element &r, Element &q, const Element &a, const Element &d) const
368                {Element::Divide(r, q, a, d);}
369
370        bool operator==(const EuclideanDomainOf<T> &rhs) const
371                {CRYPTOPP_UNUSED(rhs); return true;}
372
373private:
374        mutable Element result;
375};
376
377//! \brief Quotient ring
378//! \tparam T element class or type
379//! \details <tt>const Element&</tt> returned by member functions are references
380//!   to internal data members. Since each object may have only
381//!   one such data member for holding results, the following code
382//!   will produce incorrect results:
383//!   <pre>    abcd = group.Add(group.Add(a,b), group.Add(c,d));</pre>
384//!   But this should be fine:
385//!   <pre>    abcd = group.Add(a, group.Add(b, group.Add(c,d));</pre>
386template <class T> class QuotientRing : public AbstractRing<typename T::Element>
387{
388public:
389        typedef T EuclideanDomain;
390        typedef typename T::Element Element;
391
392        QuotientRing(const EuclideanDomain &domain, const Element &modulus)
393                : m_domain(domain), m_modulus(modulus) {}
394
395        const EuclideanDomain & GetDomain() const
396                {return m_domain;}
397
398        const Element& GetModulus() const
399                {return m_modulus;}
400
401        bool Equal(const Element &a, const Element &b) const
402                {return m_domain.Equal(m_domain.Mod(m_domain.Subtract(a, b), m_modulus), m_domain.Identity());}
403
404        const Element& Identity() const
405                {return m_domain.Identity();}
406
407        const Element& Add(const Element &a, const Element &b) const
408                {return m_domain.Add(a, b);}
409
410        Element& Accumulate(Element &a, const Element &b) const
411                {return m_domain.Accumulate(a, b);}
412
413        const Element& Inverse(const Element &a) const
414                {return m_domain.Inverse(a);}
415
416        const Element& Subtract(const Element &a, const Element &b) const
417                {return m_domain.Subtract(a, b);}
418
419        Element& Reduce(Element &a, const Element &b) const
420                {return m_domain.Reduce(a, b);}
421
422        const Element& Double(const Element &a) const
423                {return m_domain.Double(a);}
424
425        bool IsUnit(const Element &a) const
426                {return m_domain.IsUnit(m_domain.Gcd(a, m_modulus));}
427
428        const Element& MultiplicativeIdentity() const
429                {return m_domain.MultiplicativeIdentity();}
430
431        const Element& Multiply(const Element &a, const Element &b) const
432                {return m_domain.Mod(m_domain.Multiply(a, b), m_modulus);}
433
434        const Element& Square(const Element &a) const
435                {return m_domain.Mod(m_domain.Square(a), m_modulus);}
436
437        const Element& MultiplicativeInverse(const Element &a) const;
438
439        bool operator==(const QuotientRing<T> &rhs) const
440                {return m_domain == rhs.m_domain && m_modulus == rhs.m_modulus;}
441
442protected:
443        EuclideanDomain m_domain;
444        Element m_modulus;
445};
446
447NAMESPACE_END
448
449#ifdef CRYPTOPP_MANUALLY_INSTANTIATE_TEMPLATES
450#include "algebra.cpp"
451#endif
452
453#endif
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.