假设N < 9,080,191, Miller-Rabin's Primality检验的确定性实现

import sys

def miller_rabin_pass(a, n):
    d = n - 1
    s = 0
    while d % 2 == 0:
        d >>= 1
        s += 1

    a_to_power = pow(a, d, n)
    if a_to_power == 1:
        return True
    for i in range(s-1):
        if a_to_power == n - 1:
            return True
        a_to_power = (a_to_power * a_to_power) % n
    return a_to_power == n - 1


def miller_rabin(n):
    if n <= 2:
        return n == 2

    if n < 2_047:
        return miller_rabin_pass(2, n)

    return all(miller_rabin_pass(a, n) for a in (31, 73))


n = int(sys.argv[1])
primes = [2]
for p in range(3,n,2):
  if miller_rabin(p):
    primes.append(p)
print len(primes)

根据维基百科(http://en.wikipedia.org/wiki/Miller -Rabin_primality_test)上的文章，对于a = 37和73，测试N < 9,080,191足以判断N是否为合数。

我从原始米勒-拉宾测试的概率实现中改编了源代码:https://www.literateprograms.org/miller-rabin_primality_test__python_.html

很抱歉打扰，但erat2()在算法中有一个严重的缺陷。

在搜索下一个合成时，我们只需要测试奇数。 Q p都是奇数;那么q+p是偶数，不需要检验，但q+2*p总是奇数。这消除了while循环条件中的“if even”测试，并节省了大约30%的运行时。

当我们在它:而不是优雅的'D.pop(q,None)'获取和删除方法，使用'if q in D: p=D[q]，del D[q]'，这是两倍的速度!至少在我的机器上(P3-1Ghz)。 所以我建议这个聪明算法的实现:

def erat3( ):
    from itertools import islice, count

    # q is the running integer that's checked for primeness.
    # yield 2 and no other even number thereafter
    yield 2
    D = {}
    # no need to mark D[4] as we will test odd numbers only
    for q in islice(count(3),0,None,2):
        if q in D:                  #  is composite
            p = D[q]
            del D[q]
            # q is composite. p=D[q] is the first prime that
            # divides it. Since we've reached q, we no longer
            # need it in the map, but we'll mark the next
            # multiple of its witnesses to prepare for larger
            # numbers.
            x = q + p+p        # next odd(!) multiple
            while x in D:      # skip composites
                x += p+p
            D[x] = p
        else:                  # is prime
            # q is a new prime.
            # Yield it and mark its first multiple that isn't
            # already marked in previous iterations.
            D[q*q] = q
            yield q

随着时间的推移，我收集了几个质数筛子。我电脑上最快的是这样的:

from time import time
# 175 ms for all the primes up to the value 10**6
def primes_sieve(limit):
    a = [True] * limit
    a[0] = a[1] = False
    #a[2] = True
    for n in xrange(4, limit, 2):
        a[n] = False
    root_limit = int(limit**.5)+1
    for i in xrange(3,root_limit):
        if a[i]:
            for n in xrange(i*i, limit, 2*i):
                a[n] = False
    return a

LIMIT = 10**6
s=time()
primes = primes_sieve(LIMIT)
print time()-s

我在这里找到了一个纯Python 2素数生成器，在Willy Good的评论中，它比rwh2_primes快。

def primes235(limit):
yield 2; yield 3; yield 5
if limit < 7: return
modPrms = [7,11,13,17,19,23,29,31]
gaps = [4,2,4,2,4,6,2,6,4,2,4,2,4,6,2,6] # 2 loops for overflow
ndxs = [0,0,0,0,1,1,2,2,2,2,3,3,4,4,4,4,5,5,5,5,5,5,6,6,7,7,7,7,7,7]
lmtbf = (limit + 23) // 30 * 8 - 1 # integral number of wheels rounded up
lmtsqrt = (int(limit ** 0.5) - 7)
lmtsqrt = lmtsqrt // 30 * 8 + ndxs[lmtsqrt % 30] # round down on the wheel
buf = [True] * (lmtbf + 1)
for i in xrange(lmtsqrt + 1):
    if buf[i]:
        ci = i & 7; p = 30 * (i >> 3) + modPrms[ci]
        s = p * p - 7; p8 = p << 3
        for j in range(8):
            c = s // 30 * 8 + ndxs[s % 30]
            buf[c::p8] = [False] * ((lmtbf - c) // p8 + 1)
            s += p * gaps[ci]; ci += 1
for i in xrange(lmtbf - 6 + (ndxs[(limit - 7) % 30])): # adjust for extras
    if buf[i]: yield (30 * (i >> 3) + modPrms[i & 7])

我的结果:

$ time ./prime_rwh2.py 1e8
5761455 primes found < 1e8

real    0m3.201s
user    0m2.609s
sys     0m0.578s
$ time ./prime_wheel.py 1e8
5761455 primes found < 1e8

real    0m2.710s
user    0m2.469s
sys     0m0.219s

.．.在我最近的中档笔记本电脑(i5 8265U 1.6GHz)上运行Ubuntu Win 10。

这是一个mod 30轮筛，跳过倍数2,3和5。对我来说，它在2.5e9左右的时候工作得很好，那时我的笔记本电脑开始用完8G内存，需要大量交换。

我喜欢对30取余，因为它只有8个余数不是2 3 5的倍数。这允许使用移位和“&”进行乘法，除法和mod，并应该允许将一个mod 30轮的结果打包到一个字节中。我把威利的代码变成了一个分段的mod 30轮筛，以消除大N的抖动，并张贴在这里。

还有一个更快的Javascript版本，它是分段的，并使用了一个mod 210轮(没有2,3,5或7的倍数)@GordonBGood与一个深入的解释，这对我很有用。

我对这个问题反应迟钝，但这似乎是一个有趣的练习。我使用numpy，这可能是作弊，我怀疑这个方法是最快的，但它应该是清楚的。它筛选一个仅引用其下标的布尔数组，并从所有True值的下标中引出质数。不需要取模。

import numpy as np
def ajs_primes3a(upto):
    mat = np.ones((upto), dtype=bool)
    mat[0] = False
    mat[1] = False
    mat[4::2] = False
    for idx in range(3, int(upto ** 0.5)+1, 2):
        mat[idx*2::idx] = False
    return np.where(mat == True)[0]

到目前为止，我尝试过的最快的方法是基于Python烹饪书erat2函数:

import itertools as it
def erat2a( ):
    D = {  }
    yield 2
    for q in it.islice(it.count(3), 0, None, 2):
        p = D.pop(q, None)
        if p is None:
            D[q*q] = q
            yield q
        else:
            x = q + 2*p
            while x in D:
                x += 2*p
            D[x] = p

关于加速的解释，请看下面的答案。