伪代码中的位反转

源-要反转的>字节b00101100 Destination ->反转，也需要为unsigned类型，这样符号位就不会向下传播

复制到临时，因此原始不受影响，还需要为unsigned类型，以便符号位不会自动移位

bytecopy = b0010110

循环8://执行8次 测试字节拷贝是否< 0(负)

    set bit8 (msb) of reversed = reversed | b10000000 

else do not set bit8

shift bytecopy left 1 place
bytecopy = bytecopy << 1 = b0101100 result

shift result right 1 place
reversed = reversed >> 1 = b00000000
8 times no then up^ LOOP8
8 times yes then done.

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…

Anders Cedronius的答案为那些拥有支持AVX2的x86 CPU的人提供了一个很好的解决方案。对于没有AVX支持的x86平台或非x86平台，以下任何一种实现都应该工作良好。

第一个代码是经典二进制分区方法的一个变体，编码的目的是最大限度地利用shift-plus-logic习惯用法，这种习惯用法在各种ARM处理器上都很有用。此外，它使用动态掩码生成，这对于需要多个指令来加载每个32位掩码值的RISC处理器是有益的。x86平台的编译器应该在编译时而不是运行时使用常量传播来计算所有掩码。

/* Classic binary partitioning algorithm */
inline uint32_t brev_classic (uint32_t a)
{
    uint32_t m;
    a = (a >> 16) | (a << 16);                            // swap halfwords
    m = 0x00ff00ff; a = ((a >> 8) & m) | ((a << 8) & ~m); // swap bytes
    m = m^(m << 4); a = ((a >> 4) & m) | ((a << 4) & ~m); // swap nibbles
    m = m^(m << 2); a = ((a >> 2) & m) | ((a << 2) & ~m);
    m = m^(m << 1); a = ((a >> 1) & m) | ((a << 1) & ~m);
    return a;
}

在“计算机编程艺术”的第4A卷中，D. Knuth展示了反转位的聪明方法，这比经典的二进制分区算法所需的操作少得令人惊讶。一个这样的32位操作数算法，我在TAOCP中找不到，在Hacker’s Delight网站上的这个文档中显示。

/* Knuth's algorithm from http://www.hackersdelight.org/revisions.pdf. Retrieved 8/19/2015 */
inline uint32_t brev_knuth (uint32_t a)
{
    uint32_t t;
    a = (a << 15) | (a >> 17);
    t = (a ^ (a >> 10)) & 0x003f801f; 
    a = (t + (t << 10)) ^ a;
    t = (a ^ (a >>  4)) & 0x0e038421; 
    a = (t + (t <<  4)) ^ a;
    t = (a ^ (a >>  2)) & 0x22488842; 
    a = (t + (t <<  2)) ^ a;
    return a;
}

使用Intel编译器C/ c++编译器13.1.3.198，上述两个函数都能很好地自动向量化XMM寄存器。它们也可以手动向量化，而不需要很多努力。

在我的IvyBridge Xeon E3 1270v2上，使用自动向量化代码，1亿uint32_t字在0.070秒内使用brev_classic()位反转，0.068秒使用brev_knuth()位反转。我注意确保我的基准测试不受系统内存带宽的限制。

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。

这是32位，如果我们考虑8位，我们需要改变大小。

    void bitReverse(int num)
    {
        int num_reverse = 0;
        int size = (sizeof(int)*8) -1;
        int i=0,j=0;
        for(i=0,j=size;i<=size,j>=0;i++,j--)
        {
            if((num >> i)&1)
            {
                num_reverse = (num_reverse | (1<<j));
            }
        }
        printf("\n rev num = %d\n",num_reverse);
    }

按LSB->MSB顺序读取输入整数“num”，并按MSB->LSB顺序存储在num_reverse中。

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