使二进制加法的行为类似于(压缩)十进制加法

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我目前正在一个限制性环境中工作,其中唯一允许的类型是:

byte, byte[], short, short[].

我几乎可以肯定我无法导入外部库,因为我正在开发JavaCard,并且已经尝试过这样的事情,但结果并不好。

所以,这里我要管理一个大小为6字节的字节数组,它代表卡的余额(以欧元为单位),最后一个字节是美分,但这现在并不重要。

鉴于我无法访问整数,我不知道如何以我想要的方式添加两个字节。

让我们举个例子:

用户输入(添加)

0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x57
,对于用户来说,这意味着添加 57 美分。现在假设余额为
0x00 ... 0x26

我希望能够创建一个可以修改余额数组(带进位)的方法,添加后,分是83,并表示

0x83
。 我也必须处理减法,但我想我以后可以自己解决这个问题。

我的第一个猜测是屏蔽每个字节中的每个数字,并首先单独工作,但这让我无处可去。

我显然不是要求完整的解决方案,因为我相信我的问题几乎是不可能的,但如果您对如何解决这个问题有任何想法,我将非常感激。

那么如何在 Java Card 上将两个包含二进制编码小数的数组相互添加呢?


编辑 1:常见数组如下所示:

{ 0x00 , 0x00 , 0x01, 0x52, 0x45, 0x52}

并且将代表大端 BCD 编码整数中的 15 254 欧元和 52 美分。


编辑2:嗯,正如我怀疑的那样,我的卡不支持framework.math包,所以我不能使用BCDUtil或BigNumbers,这本来是有用的。

java javacard bcd
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下面的实现将逐字节、逐位地执行 BCD。这使得它能够使用在大多数智能卡处理器上高效的 8 位寄存器。它明确允许正确处理进位,并在溢出时返回进位。

/**
 * Adds two values to each other and stores it in the location of the first value.
 * The values are represented by big endian, packed BCD encoding with a static size.
 * No validation is performed if the arrays do indeed contain packed BCD;
 * the result of the calculation is indeterminate if the arrays contain anything other than packed BCD.
 * This calculation should be constant time;
 * it should only leak information about the values if one of the basic byte calculations leaks timing information.
 *
 * @param x the first buffer containing the packed BCD
 * @param xOff the offset in the first buffer of the packed BCD
 * @param y the second buffer containing the packed BCD
 * @param yOff the offset in the second buffer of the packed BCD
 * @param packedBytes the number of bytes that contain two BCD digits in both buffers
 * @return zero or one depending if the full calculation generates a carry, i.e. overflows
 * @throws ArrayIndexOutOfBoundsException if a packed BCD value is out of bounds
 */
public static byte addPackedBCD(byte[] x, short xOff, byte[] y, short yOff, short packedBytes) {
    // declare temporary variables, we'll handle bytes only
    byte xd, yd, zd, z;
    // set the initial carry to zero, c will only be 0 or 1
    byte c = 0;
    // go through the bytes backwards (least significant bytes first)
    // as we need to take the carry into account
    for (short i = (short) (packedBytes - 1); i >= 0; i--) {
        // retrieve the two least significant digits the current byte in the arrays
        xd = (byte) (x[xOff + i] & 0b00001111);
        yd = (byte) (y[yOff + i] & 0b00001111);
        // zd is the addition of the lower two BCD digits plus the carry
        zd = (byte) (xd + yd + c);
        // c is set to 1 if the final number is larger than 10, otherwise c is set to zero
        // i.e. the value is at least 16 or the value is at least 8 + 4 or 8 + 2
        c = (byte) (((zd & 0b10000) >> 4)
                | (((zd & 0b01000) >> 3)
                        & (((zd & 0b00100) >> 2) | ((zd & 0b00010) >> 1))));
        // subtract 10 if there is a carry and then assign the value to z
        z = (byte) (zd - c * 10);

        // retrieve the two most significant digits the current byte in the arrays
        xd = (byte) ((x[xOff + i] >>> 4) & 0b00001111);
        yd = (byte) ((y[yOff + i] >>> 4) & 0b00001111);
        // zd is the addition of the higher two BCD digits plus the carry
        zd = (byte) (xd + yd + c);
        // c is set to 1 if the final number is larger than 10, otherwise c is set to zero
        // i.e. the value is at least 16 or the value is at least 8 + 4 or 8 + 2
        c = (byte) (((zd & 0b10000) >> 4)
                | (((zd & 0b01000) >> 3)
                        & (((zd & 0b00100) >> 2) | ((zd & 0b00010) >> 1))));
        // subtract 10 if there is a carry and then assign the value to the 4 msb digits of z
        z |= (zd - c * 10) << 4;

        // assign z to the first byte array
        x[xOff + i] = z;
    }

    // finally, return the last carry
    return c;
}

请注意,我仅针对包含单个字节/两个 BCD 数字的两个数组进行了测试。然而,进位是有效的,并且由于所有 65536 个组合都已经过测试,因此该方法必定是有效的。


最重要的是,您可能需要在执行任何操作之前测试打包 BCD 编码的正确性。可以将相同的方法集成到加法的

for
循环中,以提高效率。如上一个代码块所示,针对所有单字节值进行了测试。

/**
 * Checks if the buffer contains a valid packed BCD representation.
 * The values are represented by packed BCD encoding with a static size.
 * This calculation should be constant time;
 * it should only leak information about the values if one of the basic byte calculations leaks timing information.
 *
 * @param x the buffer containing the packed BCD
 * @param xOff the offset in the buffer of the packed BCD
 * @param packedBytes the number of bytes that packed BCD in the buffer
 * @return true if and only if the value is valid, packed BCD
 * @throws ArrayIndexOutOfBoundsException if the packed BCD value is out of bounds
 */
public static boolean validPackedBCD(byte[] x, short xOff, short packedBytes) {
    // declare temporary variable, we'll handle bytes only
    byte xdd;
    // c is the correctness of the digits; it will be off-zero if invalid encoding is encountered
    byte c = 0;

    short end = (short) (xOff + packedBytes);
    // go through the bytes, reusing xOff for efficiency
    for (; xOff < end; xOff++) {
        xdd = x[xOff];
        // c will be set to non-zero if the high bit of each encoded decimal is set ...
        // and either one of the two decimals is set as that would indicate a value of 10 or higher
        // i.e. only values 8 + 4 or 8 + 2 are 10 or higher if you look at the bits in the digits
        c |= ((xdd & 0b1000_1000) >> 2) & (((xdd & 0b0100_0100) >> 1) | (xdd & 0b0010_0010));
    }

    // finally, return the result - c is zero in case all bytes encode two packed BCD values
    return c == 0;
}

请注意,Java Card 中的

BCDUtil
也实现了这一点。然而,我确实不喜欢这种类设计,而且我认为它没有很好的记录,所以我决定采取不同的策略。它也在
javacardx
中,这意味着如果不实现,理论上它可能会抛出异常。


EJP 的答案不适用,除了表明所使用的编码是打包BCD 的编码之外。 Jones 提出的加法很快,但它没有显示如何处理 32 位字之间的进位:

请注意,如果该位置应该有进位,则总和的最高有效位将超过 9。此外,没有简单的方法来检测这种携带!

这当然是 Java Card 所必需的,因为它只有 16 位有符号短整型和基本类型整数。因此,琼斯提出的方法不能直接适用;任何利用 Jones 方法的答案都应该指出如何处理 Java Card 中使用的字节或 Shorts 之间的进位。

这不是真正的十六进制,它是压缩十进制,BCD 的形式之一。

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您可以一次进行一个字节的压缩十进制加法和减法,并带有内部进位。有一个技巧,如果需要的话,添加 6 来强制进位进入 MS 数字,然后如果有进位,则将其屏蔽并再次移出,以纠正 LS 数字。它太宽泛了,无法在这里解释。

请参阅

Jones 谈 BCD 算术

,其中展示了如何有效地使用 32 位字上的位操作数来实现压缩十进制算术。扩展到 64 位(即 16 个 BCD 数字)是微不足道的。

Donald E. Knuth,计算机编程的艺术,

卷。图 4A 的第 7.3.1 节练习 100 给出了加法和减法的算法,这些算法又很容易扩展到 64 位/16 BCD 数字。也可在

分册 1 中使用相同的章节编号。

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