include/llvm/ADT/APFloat.h

   1 //== llvm/Support/APFloat.h - Arbitrary Precision Floating Point -*- C++ -*-==//
   2 //
   3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
   4 //
   5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
   6 // License. See LICENSE.TXT for details.
   7 //
   8 //===----------------------------------------------------------------------===//
   9 //
  10 // This file declares a class to represent arbitrary precision floating
  11 // point values and provide a variety of arithmetic operations on them.
  12 //
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14
  15 /*  A self-contained host- and target-independent arbitrary-precision
  16     floating-point software implementation.  It uses bignum integer
  17     arithmetic as provided by static functions in the APInt class.
  18     The library will work with bignum integers whose parts are any
  19     unsigned type at least 16 bits wide, but 64 bits is recommended.
  20
  21     Written for clarity rather than speed, in particular with a view
  22     to use in the front-end of a cross compiler so that target
  23     arithmetic can be correctly performed on the host.  Performance
  24     should nonetheless be reasonable, particularly for its intended
  25     use.  It may be useful as a base implementation for a run-time
  26     library during development of a faster target-specific one.
  27
  28     All 5 rounding modes in the IEEE-754R draft are handled correctly
  29     for all implemented operations.  Currently implemented operations
  30     are add, subtract, multiply, divide, fused-multiply-add,
  31     conversion-to-float, conversion-to-integer and
  32     conversion-from-integer.  New rounding modes (e.g. away from zero)
  33     can be added with three or four lines of code.
  34
  35     Four formats are built-in: IEEE single precision, double
  36     precision, quadruple precision, and x87 80-bit extended double
  37     (when operating with full extended precision).  Adding a new
  38     format that obeys IEEE semantics only requires adding two lines of
  39     code: a declaration and definition of the format.
  40
  41     All operations return the status of that operation as an exception
  42     bit-mask, so multiple operations can be done consecutively with
  43     their results or-ed together.  The returned status can be useful
  44     for compiler diagnostics; e.g., inexact, underflow and overflow
  45     can be easily diagnosed on constant folding, and compiler
  46     optimizers can determine what exceptions would be raised by
  47     folding operations and optimize, or perhaps not optimize,
  48     accordingly.
  49
  50     At present, underflow tininess is detected after rounding; it
  51     should be straight forward to add support for the before-rounding
  52     case too.
  53
  54     The library reads hexadecimal floating point numbers as per C99,
  55     and correctly rounds if necessary according to the specified
  56     rounding mode.  Syntax is required to have been validated by the
  57     caller.  It also converts floating point numbers to hexadecimal
  58     text as per the C99 %a and %A conversions.  The output precision
  59     (or alternatively the natural minimal precision) can be specified;
  60     if the requested precision is less than the natural precision the
  61     output is correctly rounded for the specified rounding mode.
  62
  63     It also reads decimal floating point numbers and correctly rounds
  64     according to the specified rounding mode.
  65
  66     Conversion to decimal text is not currently implemented.
  67
  68     Non-zero finite numbers are represented internally as a sign bit,
  69     a 16-bit signed exponent, and the significand as an array of
  70     integer parts.  After normalization of a number of precision P the
  71     exponent is within the range of the format, and if the number is
  72     not denormal the P-th bit of the significand is set as an explicit
  73     integer bit.  For denormals the most significant bit is shifted
  74     right so that the exponent is maintained at the format's minimum,
  75     so that the smallest denormal has just the least significant bit
  76     of the significand set.  The sign of zeroes and infinities is
  77     significant; the exponent and significand of such numbers is not
  78     stored, but has a known implicit (deterministic) value: 0 for the
  79     significands, 0 for zero exponent, all 1 bits for infinity
  80     exponent.  For NaNs the sign and significand are deterministic,
  81     although not really meaningful, and preserved in non-conversion
  82     operations.  The exponent is implicitly all 1 bits.
  83
  84     TODO
  85     ====
  86
  87     Some features that may or may not be worth adding:
  88
  89     Binary to decimal conversion (hard).
  90
  91     Optional ability to detect underflow tininess before rounding.
  92
  93     New formats: x87 in single and double precision mode (IEEE apart
  94     from extended exponent range) (hard).
  95
  96     New operations: sqrt, IEEE remainder, C90 fmod, nextafter,
  97     nexttoward.
  98 */
  99
 100 #ifndef LLVM_FLOAT_H
 101 #define LLVM_FLOAT_H
 102
 103 // APInt contains static functions implementing bignum arithmetic.
 104 #include "llvm/ADT/APInt.h"
 105
 106 namespace llvm {
 107
 108   /* Exponents are stored as signed numbers.  */
 109   typedef signed short exponent_t;
 110
 111   struct fltSemantics;
 112
 113   /* When bits of a floating point number are truncated, this enum is
 114      used to indicate what fraction of the LSB those bits represented.
 115      It essentially combines the roles of guard and sticky bits.  */
 116   enum lostFraction {           // Example of truncated bits:
 117     lfExactlyZero,              // 000000
 118     lfLessThanHalf,             // 0xxxxx  x's not all zero
 119     lfExactlyHalf,              // 100000
 120     lfMoreThanHalf              // 1xxxxx  x's not all zero
 121   };
 122
 123   class APFloat {
 124   public:
 125
 126     /* We support the following floating point semantics.  */
 127     static const fltSemantics IEEEsingle;
 128     static const fltSemantics IEEEdouble;
 129     static const fltSemantics IEEEquad;
 130     static const fltSemantics PPCDoubleDouble;
 131     static const fltSemantics x87DoubleExtended;
 132     /* And this pseudo, used to construct APFloats that cannot
 133        conflict with anything real. */
 134     static const fltSemantics Bogus;
 135
 136     static unsigned int semanticsPrecision(const fltSemantics &);
 137
 138     /* Floating point numbers have a four-state comparison relation.  */
 139     enum cmpResult {
 140       cmpLessThan,
 141       cmpEqual,
 142       cmpGreaterThan,
 143       cmpUnordered
 144     };
 145
 146     /* IEEE-754R gives five rounding modes.  */
 147     enum roundingMode {
 148       rmNearestTiesToEven,
 149       rmTowardPositive,
 150       rmTowardNegative,
 151       rmTowardZero,
 152       rmNearestTiesToAway
 153     };
 154
 155     // Operation status.  opUnderflow or opOverflow are always returned
 156     // or-ed with opInexact.
 157     enum opStatus {
 158       opOK          = 0x00,
 159       opInvalidOp   = 0x01,
 160       opDivByZero   = 0x02,
 161       opOverflow    = 0x04,
 162       opUnderflow   = 0x08,
 163       opInexact     = 0x10
 164     };
 165
 166     // Category of internally-represented number.
 167     enum fltCategory {
 168       fcInfinity,
 169       fcNaN,
 170       fcNormal,
 171       fcZero
 172     };
 173
 174     // Constructors.
 175     APFloat(const fltSemantics &, const char *);
 176     APFloat(const fltSemantics &, integerPart);
 177     APFloat(const fltSemantics &, fltCategory, bool negative, unsigned type=0);
 178     explicit APFloat(double d);
 179     explicit APFloat(float f);
 180     explicit APFloat(const APInt &, bool isIEEE = false);
 181     APFloat(const APFloat &);
 182     ~APFloat();
 183
 184     // Convenience "constructors"
 185     static APFloat getZero(const fltSemantics &Sem, bool Negative = false) {
 186       return APFloat(Sem, fcZero, Negative);
 187     }
 188     static APFloat getInf(const fltSemantics &Sem, bool Negative = false) {
 189       return APFloat(Sem, fcInfinity, Negative);
 190     }
 191     /// getNaN - Factory for QNaN values.
 192     ///
 193     /// \param Negative - True iff the NaN generated should be negative.
 194     /// \param type - The unspecified fill bits for creating the NaN, 0 by
 195     /// default.  The value is truncated as necessary.
 196     static APFloat getNaN(const fltSemantics &Sem, bool Negative = false,
 197                           unsigned type = 0) {
 198       return APFloat(Sem, fcNaN, Negative, type);
 199     }
 200
 201     /// Profile - Used to insert APFloat objects, or objects that contain
 202     ///  APFloat objects, into FoldingSets.
 203     void Profile(FoldingSetNodeID& NID) const;
 204
 205     /// @brief Used by the Bitcode serializer to emit APInts to Bitcode.
 206     void Emit(Serializer& S) const;
 207
 208     /// @brief Used by the Bitcode deserializer to deserialize APInts.
 209     static APFloat ReadVal(Deserializer& D);
 210
 211     /* Arithmetic.  */
 212     opStatus add(const APFloat &, roundingMode);
 213     opStatus subtract(const APFloat &, roundingMode);
 214     opStatus multiply(const APFloat &, roundingMode);
 215     opStatus divide(const APFloat &, roundingMode);
 216     /* IEEE remainder. */
 217     opStatus remainder(const APFloat &);
 218     /* C fmod, or llvm frem. */
 219     opStatus mod(const APFloat &, roundingMode);
 220     opStatus fusedMultiplyAdd(const APFloat &, const APFloat &, roundingMode);
 221
 222     /* Sign operations.  */
 223     void changeSign();
 224     void clearSign();
 225     void copySign(const APFloat &);
 226
 227     /* Conversions.  */
 228     opStatus convert(const fltSemantics &, roundingMode, bool *);
 229     opStatus convertToInteger(integerPart *, unsigned int, bool,
 230                               roundingMode, bool *) const;
 231     opStatus convertFromAPInt(const APInt &,
 232                               bool, roundingMode);
 233     opStatus convertFromSignExtendedInteger(const integerPart *, unsigned int,
 234                                             bool, roundingMode);
 235     opStatus convertFromZeroExtendedInteger(const integerPart *, unsigned int,
 236                                             bool, roundingMode);
 237     opStatus convertFromString(const char *, roundingMode);
 238     APInt bitcastToAPInt() const;
 239     double convertToDouble() const;
 240     float convertToFloat() const;
 241
 242     /* The definition of equality is not straightforward for floating point,
 243        so we won't use operator==.  Use one of the following, or write
 244        whatever it is you really mean. */
 245     // bool operator==(const APFloat &) const;     // DO NOT IMPLEMENT
 246
 247     /* IEEE comparison with another floating point number (NaNs
 248        compare unordered, 0==-0). */
 249     cmpResult compare(const APFloat &) const;
 250
 251     /* Bitwise comparison for equality (QNaNs compare equal, 0!=-0). */
 252     bool bitwiseIsEqual(const APFloat &) const;
 253
 254     /* Write out a hexadecimal representation of the floating point
 255        value to DST, which must be of sufficient size, in the C99 form
 256        [-]0xh.hhhhp[+-]d.  Return the number of characters written,
 257        excluding the terminating NUL.  */
 258     unsigned int convertToHexString(char *dst, unsigned int hexDigits,
 259                                     bool upperCase, roundingMode) const;
 260
 261     /* Simple queries.  */
 262     fltCategory getCategory() const { return category; }
 263     const fltSemantics &getSemantics() const { return *semantics; }
 264     bool isZero() const { return category == fcZero; }
 265     bool isNonZero() const { return category != fcZero; }
 266     bool isNaN() const { return category == fcNaN; }
 267     bool isInfinity() const { return category == fcInfinity; }
 268     bool isNegative() const { return sign; }
 269     bool isPosZero() const { return isZero() && !isNegative(); }
 270     bool isNegZero() const { return isZero() && isNegative(); }
 271
 272     APFloat& operator=(const APFloat &);
 273
 274     /* Return an arbitrary integer value usable for hashing. */
 275     uint32_t getHashValue() const;
 276
 277   private:
 278
 279     /* Trivial queries.  */
 280     integerPart *significandParts();
 281     const integerPart *significandParts() const;
 282     unsigned int partCount() const;
 283
 284     /* Significand operations.  */
 285     integerPart addSignificand(const APFloat &);
 286     integerPart subtractSignificand(const APFloat &, integerPart);
 287     lostFraction addOrSubtractSignificand(const APFloat &, bool subtract);
 288     lostFraction multiplySignificand(const APFloat &, const APFloat *);
 289     lostFraction divideSignificand(const APFloat &);
 290     void incrementSignificand();
 291     void initialize(const fltSemantics *);
 292     void shiftSignificandLeft(unsigned int);
 293     lostFraction shiftSignificandRight(unsigned int);
 294     unsigned int significandLSB() const;
 295     unsigned int significandMSB() const;
 296     void zeroSignificand();
 297
 298     /* Arithmetic on special values.  */
 299     opStatus addOrSubtractSpecials(const APFloat &, bool subtract);
 300     opStatus divideSpecials(const APFloat &);
 301     opStatus multiplySpecials(const APFloat &);
 302     opStatus modSpecials(const APFloat &);
 303
 304     /* Miscellany.  */
 305     void makeNaN(unsigned = 0);
 306     opStatus normalize(roundingMode, lostFraction);
 307     opStatus addOrSubtract(const APFloat &, roundingMode, bool subtract);
 308     cmpResult compareAbsoluteValue(const APFloat &) const;
 309     opStatus handleOverflow(roundingMode);
 310     bool roundAwayFromZero(roundingMode, lostFraction, unsigned int) const;
 311     opStatus convertToSignExtendedInteger(integerPart *, unsigned int, bool,
 312                                           roundingMode, bool *) const;
 313     opStatus convertFromUnsignedParts(const integerPart *, unsigned int,
 314                                       roundingMode);
 315     opStatus convertFromHexadecimalString(const char *, roundingMode);
 316     opStatus convertFromDecimalString (const char *, roundingMode);
 317     char *convertNormalToHexString(char *, unsigned int, bool,
 318                                    roundingMode) const;
 319     opStatus roundSignificandWithExponent(const integerPart *, unsigned int,
 320                                           int, roundingMode);
 321
 322     APInt convertFloatAPFloatToAPInt() const;
 323     APInt convertDoubleAPFloatToAPInt() const;
 324     APInt convertF80LongDoubleAPFloatToAPInt() const;
 325     APInt convertPPCDoubleDoubleAPFloatToAPInt() const;
 326     void initFromAPInt(const APInt& api, bool isIEEE = false);
 327     void initFromFloatAPInt(const APInt& api);
 328     void initFromDoubleAPInt(const APInt& api);
 329     void initFromF80LongDoubleAPInt(const APInt& api);
 330     void initFromPPCDoubleDoubleAPInt(const APInt& api);
 331
 332     void assign(const APFloat &);
 333     void copySignificand(const APFloat &);
 334     void freeSignificand();
 335
 336     /* What kind of semantics does this value obey?  */
 337     const fltSemantics *semantics;
 338
 339     /* Significand - the fraction with an explicit integer bit.  Must be
 340        at least one bit wider than the target precision.  */
 341     union Significand
 342     {
 343       integerPart part;
 344       integerPart *parts;
 345     } significand;
 346
 347     /* The exponent - a signed number.  */
 348     exponent_t exponent;
 349
 350     /* What kind of floating point number this is.  */
 351     /* Only 2 bits are required, but VisualStudio incorrectly sign extends
 352        it.  Using the extra bit keeps it from failing under VisualStudio */
 353     fltCategory category: 3;
 354
 355     /* The sign bit of this number.  */
 356     unsigned int sign: 1;
 357
 358     /* For PPCDoubleDouble, we have a second exponent and sign (the second
 359        significand is appended to the first one, although it would be wrong to
 360        regard these as a single number for arithmetic purposes).  These fields
 361        are not meaningful for any other type. */
 362     exponent_t exponent2 : 11;
 363     unsigned int sign2: 1;
 364   };
 365 } /* namespace llvm */
 366
 367 #endif /* LLVM_FLOAT_H */