C语言中位反转的高效算法(从MSB->LSB到LSB->MSB)

实现以下目标最有效的算法是什么:

0010 0000 => 0000 0100

从MSB->LSB转换为LSB->MSB。所有位都必须反转;也就是说，这不是字节交换。

当前回答

好吧，这肯定不会是一个像Matt J的答案，但希望它仍然有用。

size_t reverse(size_t n, unsigned int bytes)
{
    __asm__("BSWAP %0" : "=r"(n) : "0"(n));
    n >>= ((sizeof(size_t) - bytes) * 8);
    n = ((n & 0xaaaaaaaaaaaaaaaa) >> 1) | ((n & 0x5555555555555555) << 1);
    n = ((n & 0xcccccccccccccccc) >> 2) | ((n & 0x3333333333333333) << 2);
    n = ((n & 0xf0f0f0f0f0f0f0f0) >> 4) | ((n & 0x0f0f0f0f0f0f0f0f) << 4);
    return n;
}

这与Matt的最佳算法完全相同，除了有一个叫做BSWAP的小指令，它交换64位数字的字节(而不是位)。所以b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0变成了b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7。由于我们处理的是32位数字，所以需要将字节交换后的数字向下移动32位。这只留给我们交换每个字节的8位的任务，这是完成的，瞧!我们做完了。

计时:在我的机器上，Matt的算法每次试验只需0.52秒。我的每次试验大约耗时0.42秒。我认为快20%还不错。

如果你担心指令BSWAP的可用性，维基百科列出了指令BSWAP是与1989年推出的80846一起添加的。值得注意的是，维基百科还指出，这条指令只适用于32位寄存器，这显然不是我的机器上的情况，它只适用于64位寄存器。

此方法同样适用于任何整型数据类型，因此可以通过传递所需的字节数来简单地推广该方法:

    size_t reverse(size_t n, unsigned int bytes)
    {
        __asm__("BSWAP %0" : "=r"(n) : "0"(n));
        n >>= ((sizeof(size_t) - bytes) * 8);
        n = ((n & 0xaaaaaaaaaaaaaaaa) >> 1) | ((n & 0x5555555555555555) << 1);
        n = ((n & 0xcccccccccccccccc) >> 2) | ((n & 0x3333333333333333) << 2);
        n = ((n & 0xf0f0f0f0f0f0f0f0) >> 4) | ((n & 0x0f0f0f0f0f0f0f0f) << 4);
        return n;
    }

它可以被称为:

    n = reverse(n, sizeof(char));//only reverse 8 bits
    n = reverse(n, sizeof(short));//reverse 16 bits
    n = reverse(n, sizeof(int));//reverse 32 bits
    n = reverse(n, sizeof(size_t));//reverse 64 bits

编译器应该能够优化掉额外的形参(假设编译器内联了函数)，对于sizeof(size_t)情况，右移将被完全删除。注意，如果传递sizeof(char)， GCC至少不能删除BSWAP和右移。

2013-06-08 00:11:32

其他回答

假设你有一个比特数组，怎么样: 1. 从MSB开始，将比特一个一个地推入堆栈。 2. 从这个堆栈弹出位到另一个数组(如果你想节省空间，也可以是同一个数组)，将第一个弹出位放入MSB，然后从那里继续到较低的有效位。

Stack stack = new Stack();
Bit[] bits = new Bit[] { 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0 };

for (int i = 0; i < bits.Length; i++) 
{
    stack.push(bits[i]);
}

for (int i = 0; i < bits.Length; i++)
{
    bits[i] = stack.pop();
}

2009-04-14 03:15:44

对于喜欢递归的人来说，这是另一个解决方案。

这个想法很简单。将输入除以一半并交换两部分，继续直到达到单个位。

Illustrated in the example below.

Ex : If Input is 00101010   ==> Expected output is 01010100

1. Divide the input into 2 halves 
    0010 --- 1010

2. Swap the 2 Halves
    1010     0010

3. Repeat the same for each half.
    10 -- 10 ---  00 -- 10
    10    10      10    00

    1-0 -- 1-0 --- 1-0 -- 0-0
    0 1    0 1     0 1    0 0

Done! Output is 01010100

这里有一个递归函数来求解。(注意，我使用了unsigned int，所以它可以用于sizeof(unsigned int)*8位的输入。

递归函数有两个参数-需要位的值要反转的值和值中的比特数。

int reverse_bits_recursive(unsigned int num, unsigned int numBits)
{
    unsigned int reversedNum;;
    unsigned int mask = 0;

    mask = (0x1 << (numBits/2)) - 1;

    if (numBits == 1) return num;
    reversedNum = reverse_bits_recursive(num >> numBits/2, numBits/2) |
                   reverse_bits_recursive((num & mask), numBits/2) << numBits/2;
    return reversedNum;
}

int main()
{
    unsigned int reversedNum;
    unsigned int num;

    num = 0x55;
    reversedNum = reverse_bits_recursive(num, 8);
    printf ("Bit Reversal Input = 0x%x Output = 0x%x\n", num, reversedNum);

    num = 0xabcd;
    reversedNum = reverse_bits_recursive(num, 16);
    printf ("Bit Reversal Input = 0x%x Output = 0x%x\n", num, reversedNum);

    num = 0x123456;
    reversedNum = reverse_bits_recursive(num, 24);
    printf ("Bit Reversal Input = 0x%x Output = 0x%x\n", num, reversedNum);

    num = 0x11223344;
    reversedNum = reverse_bits_recursive(num,32);
    printf ("Bit Reversal Input = 0x%x Output = 0x%x\n", num, reversedNum);
}

输出如下:

Bit Reversal Input = 0x55 Output = 0xaa
Bit Reversal Input = 0xabcd Output = 0xb3d5
Bit Reversal Input = 0x123456 Output = 0x651690
Bit Reversal Input = 0x11223344 Output = 0x22cc4488

2012-01-27 23:55:43

对于其他可能遇到这个问题的网络搜索者，这里有一个总结(针对C和JavaScript)。

对于JavaScript的完整解决方案，我们可以首先生成表:

const BIT_REVERSAL_TABLE = new Array(256)

for (var i = 0; i < 256; ++i) {
  var v = i, r = i, s = 7;
  for (v >>>= 1; v; v >>>= 1) {
    r <<= 1;
    r |= v & 1;
    --s;
  }
  BIT_REVERSAL_TABLE[i] = (r << s) & 0xff;
}

这给了我们BIT_REVERSAL_TABLE，这是@MattJ发布的:

const BIT_REVERSAL_TABLE = new Uint8Array([      
  0x00, 0x80, 0x40, 0xc0, 0x20, 0xa0, 0x60, 0xe0, 0x10, 0x90, 0x50, 0xd0, 0x30, 0xb0, 0x70, 0xf0, 
  0x08, 0x88, 0x48, 0xc8, 0x28, 0xa8, 0x68, 0xe8, 0x18, 0x98, 0x58, 0xd8, 0x38, 0xb8, 0x78, 0xf8, 
  0x04, 0x84, 0x44, 0xc4, 0x24, 0xa4, 0x64, 0xe4, 0x14, 0x94, 0x54, 0xd4, 0x34, 0xb4, 0x74, 0xf4, 
  0x0c, 0x8c, 0x4c, 0xcc, 0x2c, 0xac, 0x6c, 0xec, 0x1c, 0x9c, 0x5c, 0xdc, 0x3c, 0xbc, 0x7c, 0xfc, 
  0x02, 0x82, 0x42, 0xc2, 0x22, 0xa2, 0x62, 0xe2, 0x12, 0x92, 0x52, 0xd2, 0x32, 0xb2, 0x72, 0xf2, 
  0x0a, 0x8a, 0x4a, 0xca, 0x2a, 0xaa, 0x6a, 0xea, 0x1a, 0x9a, 0x5a, 0xda, 0x3a, 0xba, 0x7a, 0xfa,
  0x06, 0x86, 0x46, 0xc6, 0x26, 0xa6, 0x66, 0xe6, 0x16, 0x96, 0x56, 0xd6, 0x36, 0xb6, 0x76, 0xf6, 
  0x0e, 0x8e, 0x4e, 0xce, 0x2e, 0xae, 0x6e, 0xee, 0x1e, 0x9e, 0x5e, 0xde, 0x3e, 0xbe, 0x7e, 0xfe,
  0x01, 0x81, 0x41, 0xc1, 0x21, 0xa1, 0x61, 0xe1, 0x11, 0x91, 0x51, 0xd1, 0x31, 0xb1, 0x71, 0xf1,
  0x09, 0x89, 0x49, 0xc9, 0x29, 0xa9, 0x69, 0xe9, 0x19, 0x99, 0x59, 0xd9, 0x39, 0xb9, 0x79, 0xf9, 
  0x05, 0x85, 0x45, 0xc5, 0x25, 0xa5, 0x65, 0xe5, 0x15, 0x95, 0x55, 0xd5, 0x35, 0xb5, 0x75, 0xf5,
  0x0d, 0x8d, 0x4d, 0xcd, 0x2d, 0xad, 0x6d, 0xed, 0x1d, 0x9d, 0x5d, 0xdd, 0x3d, 0xbd, 0x7d, 0xfd,
  0x03, 0x83, 0x43, 0xc3, 0x23, 0xa3, 0x63, 0xe3, 0x13, 0x93, 0x53, 0xd3, 0x33, 0xb3, 0x73, 0xf3, 
  0x0b, 0x8b, 0x4b, 0xcb, 0x2b, 0xab, 0x6b, 0xeb, 0x1b, 0x9b, 0x5b, 0xdb, 0x3b, 0xbb, 0x7b, 0xfb,
  0x07, 0x87, 0x47, 0xc7, 0x27, 0xa7, 0x67, 0xe7, 0x17, 0x97, 0x57, 0xd7, 0x37, 0xb7, 0x77, 0xf7, 
  0x0f, 0x8f, 0x4f, 0xcf, 0x2f, 0xaf, 0x6f, 0xef, 0x1f, 0x9f, 0x5f, 0xdf, 0x3f, 0xbf, 0x7f, 0xff
])

8位、16位和32位无符号整数的算法可以在这里找到:

function reverseBits8(n) {
  return BIT_REVERSAL_TABLE[n]
}

function reverseBits16(n) {
  return (BIT_REVERSAL_TABLE[(n >> 8) & 0xff] |
    BIT_REVERSAL_TABLE[n & 0xff] << 8)
}

function reverseBits32(n) {
  return (BIT_REVERSAL_TABLE[n & 0xff] << 24) |
    (BIT_REVERSAL_TABLE[(n >>> 8) & 0xff] << 16) |
    (BIT_REVERSAL_TABLE[(n >>> 16) & 0xff] << 8) |
    BIT_REVERSAL_TABLE[(n >>> 24) & 0xff];
}

注意，32位版本不能在JavaScript中工作(必须转换为使用bigint，这很简单)，但应该可以在64位语言中工作:

log8(0b11000100)
log16(0b1110001001001100)
log32(0b11110010111110111100110010101011)

// 0b11000100 => 0b00100011
// 0b1110001001001100 => 0b0011001001000111
// doesn't work in JS it seems:
// 0b11110010111110111100110010101011 => 0b0-101010110011000010000010110001

function log8(n) {
  console.log(`${bits(n, 8)} => ${bits(reverseBits8(n), 8)}`)
}

function log16(n) {
  console.log(`${bits(n, 16)} => ${bits(reverseBits16(n), 16)}`)
}

function log32(n) {
  console.log(`${bits(n, 32)} => ${bits(reverseBits32(n), 32)}`)
}

function bits(n, size) {
  return `0b${n.toString(2).padStart(size, '0')}`
}

注意:这个解决方案适用于JavaScript的32位:

function reverseBits32(n) {
  let res = 0;
  for (let i = 0; i < 32; i++) {
    res = (res << 1) + (n & 1);
    n = n >>> 1;
  }

  return res >>> 0;
}

所有3个基于表格的解决方案都可以在C中正常工作。下面是一个粗略的C版本:

#include <stdlib.h>

static uint8_t* BIT_REVERSAL_TABLE;

uint8_t* 
make_bit_reversal_table() {
  uint8_t *table = malloc(256 * sizeof(uint8_t));
  uint8_t i;
  for (i = 0; i < 256 ; ++i) {
    uint8_t v = i;
    uint8_t r = i;
    uint8_t s = 7;
    for (v = v >> 1; v; v = v >> 1) {
      r <<= 1;
      r |= v & 1;
      --s;
    }
    table[i] = (r << s) & 0xff;
  }
  return table;
}

uint8_t 
reverse_bits_8(uint8_t n) {
  return BIT_REVERSAL_TABLE[n];
}

uint16_t
reverse_bits_16(uint16_t n)
{
  return (BIT_REVERSAL_TABLE[(n >> 8) & 0xff]
    | BIT_REVERSAL_TABLE[n & 0xff] << 8);
}

uint32_t
reverse_bits_32(uint32_t n) {
  return (BIT_REVERSAL_TABLE[n & 0xff] << 24) 
    | (BIT_REVERSAL_TABLE[(n >> 8) & 0xff] << 16) 
    | (BIT_REVERSAL_TABLE[(n >> 16) & 0xff] << 8) 
    | BIT_REVERSAL_TABLE[(n >> 24) & 0xff];
}

int 
main(void) {
  BIT_REVERSAL_TABLE = make_bit_reversal_table();
  return 0;
}

2022-04-20 05:16:56

我的简单解决方案

BitReverse(IN)
    OUT = 0x00;
    R = 1;      // Right mask   ...0000.0001
    L = 0;      // Left mask    1000.0000...
    L = ~0; 
    L = ~(i >> 1);
    int size = sizeof(IN) * 4;  // bit size

    while(size--){
        if(IN & L) OUT = OUT | R; // start from MSB  1000.xxxx
        if(IN & R) OUT = OUT | L; // start from LSB  xxxx.0001
        L = L >> 1;
        R = R << 1; 
    }
    return OUT;

2016-08-17 12:52:56

我认为下面是我所知道的最简单的方法。MSB是输入，LSB是“反向”输出:

unsigned char rev(char MSB) {
    unsigned char LSB=0;  // for output
    _FOR(i,0,8) {
        LSB= LSB << 1;
        if(MSB&1) LSB = LSB | 1;
        MSB= MSB >> 1;
    }
    return LSB;
}

//    It works by rotating bytes in opposite directions. 
//    Just repeat for each byte.

2014-06-09 17:35:01

C语言中位反转的高效算法(从MSB->LSB到LSB->MSB)

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