Манипулирование с целыми числами произвольной длины
Постановка задачи:
Составить набор процедур манипулирования с целыми числами произвольной длины. Процедуры должны обеспечивать: формирование и ввод целых чисел произвольной длины, сложение, вычитание, сравнение и умножение целых чисел. Работоспособность процедур продемонстрировать на демонстрационной программе.
Использованные средства языка:
Модуль, реализующий целые числа произвольной длины, и тестовая программа написаны на языке С++.
Для представления целых чисел произвольной длины определен класс UNLIM. Операции над этими числами реализованы путем переопределения для класса UNLIM следующих операций:
+ (унарный и бинарный)
- (унарный и бинарный)
*
==
!=
<
>
<=
>=
<< (операция вывода класса OSTREAM) .
Структура данных:
Абсолютная величина числа произвольной длины хранится в памяти в виде массива типа CHAR. В каждом элементе массива может находится число от 0 до 99, то есть два разряда всего числа. В нулевом элементе хранятся младшие два разряда, в последнем элементе - старшие два разряда. Если число имеет нечетное количество разрядов, то в последнем элементе массива хранится один последний разряд, т.е. число от 0 до 9. Лидирующие нули в массиве не хранятся. Число 0 представлено массивом из одного элемента, в котором хранится 0.
С целью минимизировать копирование и расход памяти класс UNLIM реализован так, что на одно представление абсолютной величины могут ссылаться несколько чисел, при этом ведется учет ссылок.
Объект класса UNLIM состоит из поля SIGN - знака числа и поля PV - указателя на дескриптор представления абсолютной величины. Число 0 всегда имеет знак PLUS.
Дескриптор представления абсолютной величины числа представляет собой объект структуры DESCRIPTOR и имеет следующие поля:
body - указатель на массив, в котором хранится представление абсолютной величины числа;
len - длина массива body[] в байтах;
HowMany - количество ссылок на данное представление;
Реализация операций сравнения:
Из операций сравнения только < и != напрямую сравнивают числа, остальные операции выражены через эти две. При работе операций < и != сначала проверяются знаки и длины чисел, и только в случае их совпадения производится поразрядное сравнение чисел (в качестве разрядов здесь берутся целые байты - т.е. разряды в системе счисления с основанием 100).
Реализация операций арифметики:
Операция унарный + просто возвращает само число.
Операция унарный - возвращает новый объект класса UNLIM, который ссылается на то же представление модуля числа, что и аргумент, и имеет знак, противоположный знаку аргумента.
Операция бинарный + определена и для случаев, когда знаки операндов совпадают, и когда эти знаки различны.
В первом случае знак результата соответствует знаку одного (любого) из операндов, а модуль результата является результатом сложения модулей операндов. При этом если количество разрядов первого операнда равно A, а второго - B, то количество разрядов операнда может быть либо max(A,B), либо max(A,B)+1, поэтому при выделении памяти под массив для модуля результата берется второе значение. Никакой оптимизации этого массива после сложения модулей операндов не делается, так как в данном случае потеря памяти на лидирующие нули может быть максимум 1 байт, и выгоднее сэкономить на скорости, чем на памяти.
В случае, когда знаки операндов различны, знак результата равен знаку операнда с максимальным модулем, а модуль результата получатся вычитанием модуля операнда с минимальным модулем из модуля операнда с максимальным модулем. При этом под модуль результата выделяется массив длины, равной наибольшей из длин операндов, но после вычитания чисел он оптимизируется функцией optimize(), которая удаляет лидирующие нули (создает новый массив длины, необходимой для хранения модуля числа без лидирующих нулей, копирует в него все значащие разряды, переадресовывает ссылку дескриптора на этот массив и удаляет старый массив).
Сложение и вычитание модулей аргументов производится в системе счисления с основанием 100.
Операция бинарный - определена через унарный минус и бинарный плюс.
Операция * производится по технологии, аналогичной умножению в столбик. При этом все действия ведутся в системе счисления с основанием 100. Длина массива результата может быть равна либо сумме длин операндов, либо этой сумме минус 1. Эта ситуация аналогична той, которая была при сложении чисел с одинаковым знаком, и здесь тоже не делается оптимизации.
Операция << - просто операция вывода класса OSTREAM, определенная для класса UNLIM. Сначала она выводит '-' если знак числа отрицательный, а затем само число поразрядно (по десятичным разрядам), начиная со старшего. При этом используется функция digit(number), которая возвращает значение десятичного разряда с номером number.
Функция- конструктор unlim(char*) обрабатывает инициализацию символьной строкой. При этом распознаются следующие ошибочные ситуации: инициализация пустой строкой; недопустимый символ в строке; строка содержит знак, но не содержит значения. Во всех этих случаях число инициализируется нулем.
Функция- конструктор unlim(unlim&) обрабатывает инициализацию другим объектом класса UNLIM.
Отчет тестовой программы
Проверка работы конструкторов:
Без инициализации:
unlim a;
a=0
Инициализация строкой:
unlim b="123"
b=123
unlim c="-123"
c=-123
unlim d="+123"
d=123
unlim e="+" Unlim class error: Sign without value. Value=0
e=0
unlim f="-" Unlim class error: Sign without value. Value=0
f=0
unlim g="aaa" Unlim class error: Not digit symbol in string. String ignored. Value=0
g=0
unlim h="4a123" Unlim class error: Not digit symbol in string. String ignored. Value=0
h=0
Проверка вывода, арифметики и сравнения:
Введено:
a=123
b=45
Результат:
a=123
b=45
a=-123 +a=123
a>b a>=b a!=b
a+b=168 a-b=78 a*b=5535
Введено:
a=+0000000000000000123
b=0000000000000000000000000000000045
Результат:
a=123
b=45
a=-123 +a=123
a>b a>=b a!=b
a+b=168 a-b=78 a*b=5535
Введено:
a=-123
b=-45
Результат:
a=-123
b=-45
a=123 +a=-123
a
a+b=-168 a-b=-78 a*b=5535
Введено:
a=123
b=-45
Результат:
a=123
b=-45
a=-123 +a=123
a>b a>=b a!=b
a+b=78 a-b=168 a*b=-5535
Введено:
a=-123
b=45
Результат:
a=-123
b=45
a=123 +a=-123
a
a+b=-78 a-b=-168 a*b=-5535
Введено:
a=1000000000000000000000000000000000000000000000
b=999999999999999999999999999999999999999999999
Результат:
a=1000000000000000000000000000000000000000000000
b=999999999999999999999999999999999999999999999
a=-1000000000000000000000000000000000000000000000 +a=1000000000000000000000000000000000000000000000
a>b a>=b a!=b
a+b=1999999999999999999999999999999999999999999999 a-b=1 a*b=999999999999999999999999999999999999999999999000000000000000000000000000000000000000000000
Введено:
a=-100000000000000000000000000000000000000000000
b=999999999999999999999999999999999999999999999
Результат:
a=-100000000000000000000000000000000000000000000
b=999999999999999999999999999999999999999999999
a=100000000000000000000000000000000000000000000 +a=-100000000000000000000000000000000000000000000
a
a+b=899999999999999999999999999999999999999999999 a-b=-1099999999999999999999999999999999999999999999 a*b=-99999999999999999999999999999999999999999999900000000000000000000000000000000000000000000
Введено:
a=+00000000000000
b=-00000000000000
Результат:
a=0
b=0
a=0 +a=0
a<=b a>=b a==b
a+b=0 a-b=0 a*b=0
programm1;
//#include
#include
#include
//#include
#include "unlimit.h"
#define CR "\n"
void main()
{
ofstream r("report.txt",1);
ostream_withassign rc;
rc=cout;
cout<<"\nТестовая программа для класса UNLIM\n"
<<"(целые числа с произвольной точностью)\n"
;
cout=r;
r <<"Отчет тестовой программы\n"
<<"\nПроверка работы конструкторов:\n"
<<" Без инициализации:\n"
;
r <<" unlim a;\n";
unlim a;
r
<<" a="<
<<"
Инициализация строкой:\n"
<<"
unlim b=\"123\"\n";
unlim
b="123";
r
<<" b="<
<<"
unlim c=\"-123\"\n";
unlim
c="-123";
r
<<" c="<
<<"
unlim d=\"+123\"\n";
unlim
d="+123";
r
<<" d="<
<<"
unlim e=\"+\"\n";
unlim
e="+";
r
<<" e="<
<<"
unlim f=\"-\"\n";
unlim
f="-";
r
<<" f="<
<<"
unlim g=\"aaa\"\n";
unlim
g="aaa";
r
<<" g="<
<<"
unlim h=\"4a123\"\n";
unlim
h="4a123";
r
<<" h="<
<<"Проверка
вывода, арифметики и сравнения:\n\n";
while
( a!="0" || b!="0" )
{
cout=rc;
cout<<"\nВводите
одно за другим 2 числа; для окончания -
оба нули\n";
char
aa[128],
bb[128];
cout<<"
a=";
cin
>>aa;
cout<<"
b=";
cin
>>bb;
cout=r;
r
<<"Введено:\n"
<<"
a="<
<<"
b="<
<<"\nРезультат:\n"
;
a=aa;
b=bb;
r
<<" a="<
<<"-a="<<-a<
if
(a
if
(a>b) r<<"a>b ";
if
(a<=b) r<<"a<=b ";
if
(a>=b) r<<"a>=b ";
if
(a!=b) r<<"a!=b\n";
if
(a==b) r<<"a==b\n";
r
<<"\na+b="<<(a+b)<
<<"a-b="<<(a-b)<
<<"a*b="<<(a*b)
<<"\n\n--------------------------------------------------\n\n"
;
}
}
programm2;
#define
COUNT unsigned int
#define
TRUE 1
#define
FALSE 0
#define
ILLEGAL 10
enum
{
PLUS,
MINUS
};
extern
class unlim
{
public:
unlim(char*);
unlim();
unlim(unlim&);
~unlim();
unlim
&operator
= (char*),
&operator
= (unlim&);
friend
int
operator
== (unlim&,unlim&),
operator
!= (unlim&,unlim&),
operator
> (unlim&,unlim&),
operator
>= (unlim&,unlim&),
operator
< (unlim&,unlim&),
operator
<= (unlim&,unlim&);
friend
unlim
operator
+ (unlim&), // unary
operator
- (unlim&), // unary
operator
+ (unlim&,unlim&), // binary
operator
- (unlim&,unlim&), // binary
operator
* (unlim&,unlim&),
abs(unlim&);
friend
ostream
&operator
<< (ostream&,unlim&);
private:
struct
descriptor
{
char
*body;
COUNT
len,
HowMany;
};
descriptor
*pv;
//pointer to value descriptor
char
sign,
digit(COUNT
number);
char
&operator
[](COUNT i) {return pv->body[i];}
void
init0(),
//init by zero
NotDigit(),
//message "no digit" & init0
optimize(),
//optimize length of body
error(char*);
//display error message
};
inline
int operator ==(unlim &a,unlim &b)
{
return
!(a!=b);
}
inline
int operator <=(unlim &a,unlim &b)
{
return
(a
}
inline
int operator >=(unlim &a,unlim &b)
{
return
!(a
}
inline
int operator >(unlim &a,unlim &b)
{
return
!(a
}
inline
unlim operator +(unlim &x)
{
return
x;
}
programm3;
#include
#include
#include
#include
#define
COUNT unsigned int
#define
TRUE 1
#define
FALSE 0
#define
ILLEGAL 10
enum
{
PLUS,
MINUS
};
class
unlim
{
public:
unlim(char*);
unlim();
unlim(unlim&);
~unlim();
unlim
&operator
= (char*),
&operator
= (unlim&);
friend
int
operator
== (unlim&,unlim&),
operator
!= (unlim&,unlim&),
operator
> (unlim&,unlim&),
operator
>= (unlim&,unlim&),
operator
< (unlim&,unlim&),
operator
<= (unlim&,unlim&);
friend
unlim
operator
+ (unlim&), // unary
operator
- (unlim&), // unary
operator
+ (unlim&,unlim&), // binary
operator
- (unlim&,unlim&), // binary
operator
* (unlim&,unlim&),
abs(unlim&);
friend
ostream
&operator
<< (ostream&,unlim&);
private:
struct
descriptor
{
char
*body;
COUNT
len,
HowMany;
};
descriptor
*pv;
//pointer to value descriptor
char
sign,
digit(COUNT
number);
char
&operator [](COUNT i) {return pv->body[i];}
void
init0(),
//init by zero
NotDigit(),
//message "no digit" & init0
optimize(),
//optimize length of body
error(char*);
//display error message
};
inline
void unlim::error(char *message)
{
cout
<<"Unlim class error: "
<
<<"\n";
}
void
unlim::init0()
{
(pv->body)=new
char;
*(pv->body)=0;
(pv->len)=1;
sign=PLUS;
}
char
unlim::digit(COUNT number)
{
if
( number>=(pv->len) )
return
ILLEGAL;
char
byte=(pv->body)[number/2];
if
(number%2==0)
return
byte%10;
else
return
byte/10;
}
unlim::unlim()
{
pv=new
descriptor;
init0();
(pv->HowMany)=1;
}
unlim::~unlim()
{
if
( --(pv->HowMany)==0 )
{
delete
pv->body;
delete
pv;
}
}
char
DecVal(char symbol)
{
if
( isdigit(symbol) )
return
symbol-'0';
return
ILLEGAL;
}
unlim::unlim(char
*string)
{
pv=new
descriptor;
(pv->HowMany)=1;
COUNT
Length=strlen(string);
if
(Length==0)
{
error("Empty
string assigned. Value=0");
init0();
return;
}
else
{
COUNT
LeftLimit=0;
switch
(string[0])
{
case
'-':
sign=MINUS;
LeftLimit=1;
break;
case
'+':
LeftLimit=1;
default:
sign=PLUS;
}
if
(Length-LeftLimit==0)
{
error("Sign
without value. Value=0");
init0();
return;
}
else
{
while
(string[LeftLimit]=='0')
LeftLimit++;
if
( (Length-=LeftLimit)==0 )
{
init0();
return;
}
COUNT
DestLength=Length/2+Length%2;
(pv->body)=new
char[DestLength];
for
( COUNT si=Length+LeftLimit-1, ki=0 ; ki
{
char
a=DecVal(string[si]);
if
(a==ILLEGAL)
{
NotDigit();
return;
}
(pv->body)[ki]=a;
if
(si!=LeftLimit)
{
char
a=DecVal(string[si-1]);
if
(a==ILLEGAL)
{
NotDigit();
return;
}
(pv->body)[ki]+=10*a;
}
}
(pv->len)=Length;
}
}
}
void
unlim::NotDigit()
{
error("Not
digit symbol in string. String ignored. Value=0");
delete
pv->body;
init0();
}
unlim::unlim(unlim
&arg)
{
(arg.pv)->HowMany++;
pv=arg.pv;
sign=arg.sign;
}
unlim
&unlim::operator=(unlim &arg)
{
(arg.pv)->HowMany++;
if
( --(pv->HowMany)==0 )
{
delete
pv->body;
delete
pv;
}
pv=arg.pv;
sign=arg.sign;
return
*this;
}
unlim
&unlim::operator=(char *string)
{
return
*this=unlim(string);
}
ostream
&operator<<(ostream &s,unlim &x)
{
if
(x.sign==MINUS)
s
<< "-";
for
( COUNT i=((x.pv)->len) ; i>0 ; i-- )
s
<< int(x.digit(i-1));
return
s;
}
int
operator!=(unlim &a,unlim &b)
{
if
( (a.pv)->len != (b.pv)->len)
return
TRUE;
if
(a.sign!=b.sign)
return
TRUE;
COUNT
length=((a.pv)->len)/2+((a.pv)->len)%2;
for
( COUNT i=0 ; i
if
(a[i]!=b[i])
return
TRUE;
return
FALSE;
}
int
operator<(unlim &a,unlim &b)
{
if
(a.sign!=b.sign)
return
a.sign==MINUS;
if
( (a.pv)->len == (b.pv)->len )
{
COUNT
i=((a.pv)->len)-1;
while
( a.digit(i) == b.digit(i) )
{
if
(i==0)
return
FALSE;
i--;
}
char
aLess=
a.digit(i) < b.digit(i),
SignPlus=
a.sign==PLUS;
return
( aLess && SignPlus) || ( !aLess && !SignPlus );
}
else
{
char
aShort=
(a.pv)->len < (b.pv)->len,
SignPlus=
a.sign==PLUS;
return
( aShort && SignPlus ) || ( !aShort && !SignPlus );
}
}
inline
int operator ==(unlim &a,unlim &b)
{
return
!(a!=b);
}
inline
int operator <=(unlim &a,unlim &b)
{
return
(a
}
inline
int operator >=(unlim &a,unlim &b)
{
return
!(a
}
inline
int operator >(unlim &a,unlim &b)
{
return
!(a
}
inline
unlim operator +(unlim &x)
{
return
x;
}
unlim
abs(unlim &x)
{
unlim
r=x;
r.sign=PLUS;
return
r;
}
unlim
operator -(unlim &x)
{
if
( (x.pv)->len==1 && x[0]==0 )
{
unlim
y;
return
y;
}
unlim
y=x;
if
(x.sign==PLUS)
y.sign=MINUS;
else
y.sign=PLUS;
return
y;
}
void
unlim::optimize()
{
COUNT
i=pv->len/2+pv->len%2-1;
char
optimized=FALSE;
while
(pv->body[i]==0)
{
optimized=TRUE;
if
(i--==0)
{
init0();
return;
}
}
if
(optimized)
{
char
*NewBody=new char[++i];
for
(COUNT ni=0;ni
NewBody[ni]=pv->body[ni];
delete
pv->body;
pv->body=NewBody;
pv->len=(i--)*2;
}
if
( (pv->body[i]/10)==0 && (pv->len%2)==0 )
pv->len--;
}
inline
COUNT max (COUNT a,COUNT b)
{
return
(a>b)?a:b;
}
unlim
operator +(unlim &a,unlim &b)
{
unlim
r;
delete
(r.pv)->body;
if
(a.sign==b.sign)
{
r.sign=a.sign;
COUNT
rlen=max(
(a.pv)->len,(b.pv)->len )+1,
alen=(a.pv)->len/2+(a.pv)->len%2,
blen=(b.pv)->len/2+(b.pv)->len%2;
(r.pv)->len=rlen;
rlen=rlen/2+rlen%2;
(r.pv)->body=new
char[rlen];
*(r.pv)->body=0;
for
(COUNT i=0;i
{
unsigned
char sum=( i
r[i]+=sum%100;
r[i+1]=sum/100;
}
if
( r.digit( (r.pv)->len-1 )==0 )
(r.pv)->len--;
}
else
{
unlim
aa=a,
bb=b;
if
(abs(a)
{
aa=b;
bb=a;
}
r.sign=aa.sign;
COUNT
rlen=(aa.pv)->len,
blen=(bb.pv)->len/2+(bb.pv)->len%2;
(r.pv)->len=rlen;
rlen=rlen/2+rlen%2;
(r.pv)->body=new
char[rlen];
*(r.pv)->body=0;
for
(COUNT i=0;i
{
char
sub=aa[i]-( i
if
(sub<0)
{
r[i+1]=-1;
sub+=100;
}
else
r[i+1]=0;
r[i]=sub;
}
r.optimize();
}
return
r;
}
unlim
operator -(unlim &a,unlim &b)
{
return
a+(-b);
}
unlim
operator *(unlim &a,unlim &b)
{
unlim
r;
delete
(r.pv)->body;
if
(a.sign==b.sign)
r.sign=PLUS;
else
r.sign=MINUS;
COUNT
rlen=(a.pv)->len+(b.pv)->len,
alen=(a.pv)->len/2+(a.pv)->len%2,
blen=(b.pv)->len/2+(b.pv)->len%2;
(r.pv)->len=rlen;
rlen=rlen/2+rlen%2;
(r.pv)->body=new
char[rlen];
COUNT
i;
for
(i=0;i
r[i]=0;
for
(i=0;i
{
unsigned
int
next=0,
mul;
for(COUNT
j=0;j
{
next+=r[i+j];
mul=a[i]*b[j]+next;
r[i+j]=mul%100;
next=mul/100;
}
r[i+blen]=next;
}
if
( r.digit((r.pv)->len-1)==0 )
(r.pv)->len--;
if
( r.digit((r.pv)->len-1)==0 )
r.init0();
return
r;
}