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9f35f6c558
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@@ -0,0 +1,558 @@
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||||
using System.Collections.Concurrent;
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using System.Runtime.CompilerServices;
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using System.Numerics;
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using UInt128 = System.UInt128;
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namespace PerfectNumbers.Core;
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public static class MersennePrimeFactorTester
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||||
{
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[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
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public static bool IsPrimeFactor(ulong p, ulong q, CancellationToken ct)
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||||
{
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if (q < 2UL || (q & 1UL) == 0)
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{
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return false;
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}
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||||
if ((q & 7UL) != 1UL && (q & 7UL) != 7UL)
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{
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return false;
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}
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if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
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return false;
|
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}
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if (!PrimeTester.IsPrimeInternal(q, ct))
|
||||
{
|
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return false;
|
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}
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if (p < 2UL || (p & 1UL) == 0)
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{
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return false;
|
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}
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ulong value = checked(p << 1);
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if ((q - 1UL) % value != 0UL)
|
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{
|
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return false;
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}
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ulong order = GetOrderOf2ModPrime(q, ct);
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return !ct.IsCancellationRequested && order == p;
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}
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private static readonly Dictionary<UInt128, UInt128> _orderCache = [];
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[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
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||||
internal static ulong GetOrderOf2ModPrime(ulong q, CancellationToken ct) =>
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||||
(ulong)GetOrderOf2ModPrime((UInt128)q, ct);
|
||||
|
||||
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
|
||||
internal static UInt128 GetOrderOf2ModPrime(UInt128 q, CancellationToken ct) =>
|
||||
OrderOf2ModPrime(q, ct);
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||||
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||||
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
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||||
private static UInt128 OrderOf2ModPrime(UInt128 q, CancellationToken ct)
|
||||
{
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||||
lock (_orderCache)
|
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{
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if (_orderCache.TryGetValue(q, out var cached))
|
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{
|
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return cached;
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}
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}
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UInt128 phi = q - 1;
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UInt128[] factors = phi <= ulong.MaxValue
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? Array.ConvertAll(Factor64((ulong)phi, ct), x => (UInt128)x)
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||||
: Factor128(phi, ct);
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UInt128 order = phi;
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UInt128 candidate, prime;
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int i, factorsCount = factors.Length;
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||||
for (i = 0; i < factorsCount; i++)
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{
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prime = factors[i];
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if (ct.IsCancellationRequested)
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{
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return 0;
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}
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while (order % prime == 0)
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{
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if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0;
|
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}
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candidate = order / prime;
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if (ModPow128(2, candidate, q, ct) == 1)
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{
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order = candidate;
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}
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else
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{
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break;
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}
|
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}
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}
|
||||
|
||||
if (!ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
lock (_orderCache)
|
||||
{
|
||||
_orderCache[q] = order;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
return order;
|
||||
}
|
||||
|
||||
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
|
||||
private static ulong ModPow64(ulong value, ulong exponent, ulong modulus, CancellationToken ct)
|
||||
{
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||||
ulong result = 1UL;
|
||||
ulong baseValue = value % modulus;
|
||||
ulong exp = exponent;
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while (exp != 0UL)
|
||||
{
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if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0UL;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if ((exp & 1UL) != 0UL)
|
||||
{
|
||||
result = MulMod64(result, baseValue, modulus);
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0UL;
|
||||
}
|
||||
|
||||
baseValue = MulMod64(baseValue, baseValue, modulus);
|
||||
exp >>= 1;
|
||||
}
|
||||
|
||||
return result;
|
||||
}
|
||||
|
||||
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
|
||||
private static ulong MulMod64(ulong a, ulong b, ulong mod) => (ulong)((UInt128)a * b % mod);
|
||||
|
||||
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
|
||||
private static UInt128 ModPow128(UInt128 value, UInt128 exponent, UInt128 modulus, CancellationToken ct)
|
||||
{
|
||||
UInt128 result = 1;
|
||||
UInt128 baseValue = value % modulus;
|
||||
UInt128 exp = exponent;
|
||||
|
||||
while (exp != 0)
|
||||
{
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if ((exp & 1) != 0)
|
||||
{
|
||||
result = MulMod128(result, baseValue, modulus);
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
baseValue = MulMod128(baseValue, baseValue, modulus);
|
||||
exp >>= 1;
|
||||
}
|
||||
|
||||
return result;
|
||||
}
|
||||
|
||||
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
|
||||
private static UInt128 MulMod128(UInt128 a, UInt128 b, UInt128 mod)
|
||||
{
|
||||
BigInteger product = (BigInteger)a * b;
|
||||
product %= (BigInteger)mod;
|
||||
return (UInt128)product;
|
||||
}
|
||||
|
||||
private static readonly ConcurrentBag<List<ulong>> ListPool = new();
|
||||
private static readonly ConcurrentBag<Dictionary<ulong, byte>> DictPool = new();
|
||||
private static readonly Dictionary<ulong, ulong[]> FactorCache = new();
|
||||
private static readonly object FactorCacheLock = new();
|
||||
|
||||
private static List<ulong> RentList() => ListPool.TryTake(out var list) ? list : new List<ulong>(4);
|
||||
|
||||
private static void ReturnList(List<ulong> list)
|
||||
{
|
||||
list.Clear();
|
||||
ListPool.Add(list);
|
||||
}
|
||||
|
||||
private static Dictionary<ulong, byte> RentDictionary() => DictPool.TryTake(out var dict) ? dict : new Dictionary<ulong, byte>();
|
||||
|
||||
private static void ReturnDictionary(Dictionary<ulong, byte> dict)
|
||||
{
|
||||
dict.Clear();
|
||||
DictPool.Add(dict);
|
||||
}
|
||||
|
||||
private static readonly ConcurrentBag<Dictionary<UInt128, byte>> DictPool128 = new();
|
||||
|
||||
private static Dictionary<UInt128, byte> RentDictionary128() =>
|
||||
DictPool128.TryTake(out var dict) ? dict : new Dictionary<UInt128, byte>();
|
||||
|
||||
private static void ReturnDictionary128(Dictionary<UInt128, byte> dict)
|
||||
{
|
||||
dict.Clear();
|
||||
DictPool128.Add(dict);
|
||||
}
|
||||
|
||||
private static ulong[] Factor64(ulong n, CancellationToken ct)
|
||||
{
|
||||
// lock (FactorCacheLock)
|
||||
// {
|
||||
// if (FactorCache.TryGetValue(n, out var cached))
|
||||
// {
|
||||
// return cached;
|
||||
// }
|
||||
// }
|
||||
|
||||
if (n == 1UL)
|
||||
{
|
||||
return [];
|
||||
}
|
||||
|
||||
var dict = RentDictionary();
|
||||
var queue = new Queue<ulong>();
|
||||
queue.Enqueue(n);
|
||||
|
||||
while (queue.Count != 0)
|
||||
{
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
|
||||
ulong m = queue.Dequeue();
|
||||
if (m == 1UL)
|
||||
{
|
||||
continue;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (PrimeTester.IsPrimeInternal(m, ct))
|
||||
{
|
||||
dict[m] = 1;
|
||||
continue;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
|
||||
ulong d = PollardRho(m, ct);
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
|
||||
queue.Enqueue(d);
|
||||
queue.Enqueue(m / d);
|
||||
}
|
||||
|
||||
ulong[] result = [.. dict.Keys];
|
||||
// lock (FactorCacheLock)
|
||||
// {
|
||||
// FactorCache[n] = result;
|
||||
// }
|
||||
|
||||
ReturnDictionary(dict);
|
||||
return result;
|
||||
}
|
||||
|
||||
private static UInt128[] Factor128(UInt128 n, CancellationToken ct)
|
||||
{
|
||||
if (n == 1)
|
||||
{
|
||||
return [];
|
||||
}
|
||||
|
||||
var dict = RentDictionary128();
|
||||
var queue = new Queue<UInt128>();
|
||||
queue.Enqueue(n);
|
||||
|
||||
while (queue.Count != 0)
|
||||
{
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
|
||||
UInt128 m = queue.Dequeue();
|
||||
if (m == 1)
|
||||
{
|
||||
continue;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (IsPrime128(m, ct))
|
||||
{
|
||||
dict[m] = 1;
|
||||
continue;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
|
||||
UInt128 d = PollardRho128(m, ct);
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
|
||||
queue.Enqueue(d);
|
||||
queue.Enqueue(m / d);
|
||||
}
|
||||
|
||||
var result = new UInt128[dict.Count];
|
||||
int index = 0;
|
||||
foreach (var key in dict.Keys)
|
||||
{
|
||||
result[index++] = key;
|
||||
}
|
||||
|
||||
ReturnDictionary128(dict);
|
||||
return result;
|
||||
}
|
||||
|
||||
private static ulong PollardRho(ulong n, CancellationToken ct)
|
||||
{
|
||||
if ((n & 1UL) == 0UL)
|
||||
{
|
||||
return 2UL;
|
||||
}
|
||||
|
||||
var rng = new Random(1234567);
|
||||
|
||||
ulong c, d, x, y, diff;
|
||||
while (true)
|
||||
{
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0UL;
|
||||
}
|
||||
|
||||
c = (ulong)rng.Next(2, int.MaxValue);
|
||||
x = (ulong)rng.Next(2, int.MaxValue);
|
||||
y = x;
|
||||
d = 1UL;
|
||||
|
||||
while (d == 1UL)
|
||||
{
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0UL;
|
||||
}
|
||||
|
||||
x = (MulMod64(x, x, n) + c) % n;
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0UL;
|
||||
}
|
||||
|
||||
y = (MulMod64(y, y, n) + c) % n;
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0UL;
|
||||
}
|
||||
|
||||
y = (MulMod64(y, y, n) + c) % n;
|
||||
diff = x > y ? x - y : y - x;
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0UL;
|
||||
}
|
||||
|
||||
d = Gcd(diff, n, ct);
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (d != n)
|
||||
{
|
||||
return d;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
|
||||
private static ulong Gcd(ulong a, ulong b, CancellationToken ct)
|
||||
{
|
||||
ulong t;
|
||||
while (b != 0UL)
|
||||
{
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 1UL; // We're returning 1 to avoid division by 0 in any place
|
||||
}
|
||||
|
||||
t = a % b;
|
||||
a = b;
|
||||
b = t;
|
||||
}
|
||||
|
||||
return a;
|
||||
}
|
||||
|
||||
private static bool IsPrime128(UInt128 n, CancellationToken ct)
|
||||
{
|
||||
if (n <= 3)
|
||||
{
|
||||
return n >= 2;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if ((n & 1) == 0)
|
||||
{
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
BigInteger bn = (BigInteger)n;
|
||||
BigInteger d = bn - 1;
|
||||
int s = 0;
|
||||
while ((d & 1) == 0)
|
||||
{
|
||||
d >>= 1;
|
||||
s++;
|
||||
}
|
||||
|
||||
BigInteger[] bases = [2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 29, 31, 37];
|
||||
for (int i = 0; i < bases.Length; i++)
|
||||
{
|
||||
BigInteger a = bases[i];
|
||||
if (a >= bn)
|
||||
{
|
||||
continue;
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
BigInteger x = BigInteger.ModPow(a, d, bn);
|
||||
if (x == 1 || x == bn - 1)
|
||||
{
|
||||
continue;
|
||||
}
|
||||
|
||||
bool cont = false;
|
||||
for (int r = 1; r < s; r++)
|
||||
{
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
|
||||
x = BigInteger.ModPow(x, 2, bn);
|
||||
if (x == bn - 1)
|
||||
{
|
||||
cont = true;
|
||||
break;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (!cont)
|
||||
{
|
||||
return false;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
return true;
|
||||
}
|
||||
|
||||
private static UInt128 PollardRho128(UInt128 n, CancellationToken ct)
|
||||
{
|
||||
if ((n & 1) == 0)
|
||||
{
|
||||
return 2;
|
||||
}
|
||||
|
||||
var rng = new Random(1234567);
|
||||
|
||||
UInt128 c, d, x, y, diff;
|
||||
while (true)
|
||||
{
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
c = (UInt128)rng.NextInt64(2, long.MaxValue);
|
||||
x = (UInt128)rng.NextInt64(2, long.MaxValue);
|
||||
y = x;
|
||||
d = 1;
|
||||
|
||||
while (d == 1)
|
||||
{
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
x = (MulMod128(x, x, n) + c) % n;
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
y = (MulMod128(y, y, n) + c) % n;
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
y = (MulMod128(y, y, n) + c) % n;
|
||||
diff = x > y ? x - y : y - x;
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 0;
|
||||
}
|
||||
|
||||
d = Gcd128(diff, n, ct);
|
||||
}
|
||||
|
||||
if (d != n)
|
||||
{
|
||||
return d;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
|
||||
[MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
|
||||
private static UInt128 Gcd128(UInt128 a, UInt128 b, CancellationToken ct)
|
||||
{
|
||||
UInt128 t;
|
||||
while (b != 0)
|
||||
{
|
||||
if (ct.IsCancellationRequested)
|
||||
{
|
||||
return 1;
|
||||
}
|
||||
|
||||
t = a % b;
|
||||
a = b;
|
||||
b = t;
|
||||
}
|
||||
|
||||
return a;
|
||||
}
|
||||
}
|
||||
Reference in new issue
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