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

我很好奇原始旋转有多快。在我的机器(i7@2600)上，1,500,150,000次迭代的平均值为27.28 ns(在131,071个64位整数的随机集上)。

优点:占用内存少，代码简单。我想说它也没有那么大。对于任何输入(128个算术SHIFT运算+ 64个逻辑and运算+ 64个逻辑OR运算)，所需的时间都是可预测的常量。

我比较了@Matt J获得的最佳时间，他有公认的答案。如果我没有看错他的答案，他得到的最好结果是0.631739秒，100万次迭代，这导致平均每次旋转631 ns。

我使用的代码片段如下:

unsigned long long reverse_long(unsigned long long x)
{
    return (((x >> 0) & 1) << 63) |
           (((x >> 1) & 1) << 62) |
           (((x >> 2) & 1) << 61) |
           (((x >> 3) & 1) << 60) |
           (((x >> 4) & 1) << 59) |
           (((x >> 5) & 1) << 58) |
           (((x >> 6) & 1) << 57) |
           (((x >> 7) & 1) << 56) |
           (((x >> 8) & 1) << 55) |
           (((x >> 9) & 1) << 54) |
           (((x >> 10) & 1) << 53) |
           (((x >> 11) & 1) << 52) |
           (((x >> 12) & 1) << 51) |
           (((x >> 13) & 1) << 50) |
           (((x >> 14) & 1) << 49) |
           (((x >> 15) & 1) << 48) |
           (((x >> 16) & 1) << 47) |
           (((x >> 17) & 1) << 46) |
           (((x >> 18) & 1) << 45) |
           (((x >> 19) & 1) << 44) |
           (((x >> 20) & 1) << 43) |
           (((x >> 21) & 1) << 42) |
           (((x >> 22) & 1) << 41) |
           (((x >> 23) & 1) << 40) |
           (((x >> 24) & 1) << 39) |
           (((x >> 25) & 1) << 38) |
           (((x >> 26) & 1) << 37) |
           (((x >> 27) & 1) << 36) |
           (((x >> 28) & 1) << 35) |
           (((x >> 29) & 1) << 34) |
           (((x >> 30) & 1) << 33) |
           (((x >> 31) & 1) << 32) |
           (((x >> 32) & 1) << 31) |
           (((x >> 33) & 1) << 30) |
           (((x >> 34) & 1) << 29) |
           (((x >> 35) & 1) << 28) |
           (((x >> 36) & 1) << 27) |
           (((x >> 37) & 1) << 26) |
           (((x >> 38) & 1) << 25) |
           (((x >> 39) & 1) << 24) |
           (((x >> 40) & 1) << 23) |
           (((x >> 41) & 1) << 22) |
           (((x >> 42) & 1) << 21) |
           (((x >> 43) & 1) << 20) |
           (((x >> 44) & 1) << 19) |
           (((x >> 45) & 1) << 18) |
           (((x >> 46) & 1) << 17) |
           (((x >> 47) & 1) << 16) |
           (((x >> 48) & 1) << 15) |
           (((x >> 49) & 1) << 14) |
           (((x >> 50) & 1) << 13) |
           (((x >> 51) & 1) << 12) |
           (((x >> 52) & 1) << 11) |
           (((x >> 53) & 1) << 10) |
           (((x >> 54) & 1) << 9) |
           (((x >> 55) & 1) << 8) |
           (((x >> 56) & 1) << 7) |
           (((x >> 57) & 1) << 6) |
           (((x >> 58) & 1) << 5) |
           (((x >> 59) & 1) << 4) |
           (((x >> 60) & 1) << 3) |
           (((x >> 61) & 1) << 2) |
           (((x >> 62) & 1) << 1) |
           (((x >> 63) & 1) << 0);
}

2015-04-26 17:56:43

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

这个线程引起了我的注意，因为它处理了一个简单的问题，即使对于现代CPU也需要大量的工作(CPU周期)。有一天我也站在那里，有同样的¤#%“#”问题。我得翻几百万字节。然而，我知道我所有的目标系统都是基于现代英特尔的，所以让我们开始优化到极致!!

所以我使用了Matt J的查找代码作为基础。我正在基准测试的系统是i7 haswell 4700eq。

Matt J的查找位翻转400亿字节:大约0.272秒。

然后我继续尝试，看看英特尔的ISPC编译器是否可以向量化反向的算术。c。

我不打算在这里用我的发现来烦你，因为我尝试了很多来帮助编译器找到东西，无论如何，我最终得到了大约0.15秒的性能来bitflip 400亿字节。这是一个伟大的减少，但对于我的应用程序，这仍然是方式方式太慢。

所以人们让我展示世界上最快的基于英特尔的bitflipper。定时:

时间到bitflip 400000000字节:0.050082秒!!!!!

// Bitflip using AVX2 - The fastest Intel based bitflip in the world!!
// Made by Anders Cedronius 2014 (anders.cedronius (you know what) gmail.com)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <omp.h>

using namespace std;

#define DISPLAY_HEIGHT  4
#define DISPLAY_WIDTH   32
#define NUM_DATA_BYTES  400000000

// Constants (first we got the mask, then the high order nibble look up table and last we got the low order nibble lookup table)
__attribute__ ((aligned(32))) static unsigned char k1[32*3]={
        0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,
        0x00,0x08,0x04,0x0c,0x02,0x0a,0x06,0x0e,0x01,0x09,0x05,0x0d,0x03,0x0b,0x07,0x0f,0x00,0x08,0x04,0x0c,0x02,0x0a,0x06,0x0e,0x01,0x09,0x05,0x0d,0x03,0x0b,0x07,0x0f,
        0x00,0x80,0x40,0xc0,0x20,0xa0,0x60,0xe0,0x10,0x90,0x50,0xd0,0x30,0xb0,0x70,0xf0,0x00,0x80,0x40,0xc0,0x20,0xa0,0x60,0xe0,0x10,0x90,0x50,0xd0,0x30,0xb0,0x70,0xf0
};

// The data to be bitflipped (+32 to avoid the quantization out of memory problem)
__attribute__ ((aligned(32))) static unsigned char data[NUM_DATA_BYTES+32]={};

extern "C" {
void bitflipbyte(unsigned char[],unsigned int,unsigned char[]);
}

int main()
{

    for(unsigned int i = 0; i < NUM_DATA_BYTES; i++)
    {
        data[i] = rand();
    }

    printf ("\r\nData in(start):\r\n");
    for (unsigned int j = 0; j < 4; j++)
    {
        for (unsigned int i = 0; i < DISPLAY_WIDTH; i++)
        {
            printf ("0x%02x,",data[i+(j*DISPLAY_WIDTH)]);
        }
        printf ("\r\n");
    }

    printf ("\r\nNumber of 32-byte chunks to convert: %d\r\n",(unsigned int)ceil(NUM_DATA_BYTES/32.0));

    double start_time = omp_get_wtime();
    bitflipbyte(data,(unsigned int)ceil(NUM_DATA_BYTES/32.0),k1);
    double end_time = omp_get_wtime();

    printf ("\r\nData out:\r\n");
    for (unsigned int j = 0; j < 4; j++)
    {
        for (unsigned int i = 0; i < DISPLAY_WIDTH; i++)
        {
            printf ("0x%02x,",data[i+(j*DISPLAY_WIDTH)]);
        }
        printf ("\r\n");
    }
    printf("\r\n\r\nTime to bitflip %d bytes: %f seconds\r\n\r\n",NUM_DATA_BYTES, end_time-start_time);

    // return with no errors
    return 0;
}

printf是用来调试的。

这是主要的工作:

bits 64
global bitflipbyte

bitflipbyte:    
        vmovdqa     ymm2, [rdx]
        add         rdx, 20h
        vmovdqa     ymm3, [rdx]
        add         rdx, 20h
        vmovdqa     ymm4, [rdx]
bitflipp_loop:
        vmovdqa     ymm0, [rdi] 
        vpand       ymm1, ymm2, ymm0 
        vpandn      ymm0, ymm2, ymm0 
        vpsrld      ymm0, ymm0, 4h 
        vpshufb     ymm1, ymm4, ymm1 
        vpshufb     ymm0, ymm3, ymm0         
        vpor        ymm0, ymm0, ymm1
        vmovdqa     [rdi], ymm0
        add     rdi, 20h
        dec     rsi
        jnz     bitflipp_loop
        ret

代码占用32个字节，然后屏蔽掉蚕食。高啃角右移了4。然后使用vpshufb和ymm4 / ymm3作为查找表。我可以使用一个单独的查找表，但我将不得不在ORing再次一起啃啃之前向左移动。

还有更快的翻转比特的方法。但我被绑定到单线程和CPU，所以这是我能实现的最快速度。你能做一个快一点的版本吗?

关于使用Intel C/ c++编译器内在等效命令，请不要发表任何评论…

2014-06-05 10:55:28

当然，玩弄比特的黑客的明显来源是: http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#BitReverseObvious

2009-04-14 07:49:09

C语言中位反转的高效算法(从MSB->LSB到LSB->MSB)

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