我正在寻找确定长值是否为完美平方(即其平方根是另一个整数)的最快方法:

我使用内置的Math.sqrt()以简单的方式完成了这项工作函数,但我想知道是否有一种方法可以通过将自己限制为仅限整数的域。维护查找表是不切实际的(因为平方小于263的231.5个整数)。

下面是我现在做的非常简单明了的方法:

public final static boolean isPerfectSquare(long n)
{
  if (n < 0)
    return false;

  long tst = (long)(Math.sqrt(n) + 0.5);
  return tst*tst == n;
}

注意:我在许多Project Euler问题中都使用了这个函数。因此,其他人将永远不必维护此代码。而这种微优化实际上可能会有所不同,因为挑战的一部分是在不到一分钟的时间内完成每一个算法,而在某些问题中,这个函数需要调用数百万次。


我尝试了不同的解决方案:

经过详尽的测试,我发现不需要在Math.sqrt()的结果上加0.5,至少在我的机器上是这样。快速平方根逆运算速度更快,但对于n>=410881,它给出了错误的结果。然而,正如BobbyShaftoe所建议的,我们可以在n<410881时使用FISR黑客。牛顿的方法比Math.sqrt()慢得多。这可能是因为Math.sqr()使用了类似于牛顿方法的东西,但在硬件中实现,所以比Java快得多。此外,牛顿法仍然需要使用双精度。一个经过修改的牛顿方法使用了一些技巧,因此只涉及整数数学,需要一些技巧来避免溢出(我希望这个函数可以处理所有64位有符号的正整数),而且它仍然比math.sqrt()慢。二元斩更慢。这是有意义的,因为二进制斩波平均需要16次才能找到64位数字的平方根。根据John的测试,在C++中使用or语句比使用switch更快,但在Java和C#中,or和switch之间似乎没有区别。我还尝试创建一个查找表(作为64个布尔值的私有静态数组)。然后,我只说if(lookup[(int)(n&0x3F)]){test}else return false;,而不是switch或or语句;。令我惊讶的是,这(只是稍微)慢了一些。这是因为在Java中检查数组边界。


当前回答

这是最简单和最简洁的方法,尽管我不知道它在CPU周期方面的比较。如果您只想知道根是否是整数,那么这非常有用。如果你真的关心它是不是整数,你也可以弄清楚。这里有一个简单(纯)函数:

private static final MathContext precision = new MathContext(20);

private static final Function<Long, Boolean> isRootWhole = (n) -> {
    long digit = n % 10;
    if (digit == 2 || digit == 3 || digit == 7 || digit == 8) {
        return false;
    }
    return new BigDecimal(n).sqrt(precision).scale() == 0;
};

如果您不需要微优化,那么这个答案在简单性和可维护性方面更好。如果要计算负数,则需要相应地处理,并将绝对值发送到函数中。我包含了一个小的优化,因为由于二次残差mod 10,没有完美的正方形具有2、3、7或8的十位数。

在我的CPU上,在0-10000000上运行此算法平均每次计算需要1000-1100纳秒。

如果执行的计算次数较少,则早期的计算需要更长的时间。

我有一个负面评论,说我以前的编辑不适用于大量数据。OP提到了Longs,Long的最大完美正方形是9223372030926249001,因此该方法适用于所有Longs。

其他回答

可能是该问题的最佳算法是快速整数平方根算法https://stackoverflow.com/a/51585204/5191852

@Kde声称牛顿法的三次迭代对于32位整数的精度为±1就足够了。当然,64位整数需要更多的迭代,可能是6或7。

这是旧的Marchant计算器算法(抱歉,我没有参考)从十进制到二进制的修改,在Ruby中,专门针对这个问题进行了修改:

def isexactsqrt(v)
    value = v.abs
    residue = value
    root = 0
    onebit = 1
    onebit <<= 8 while (onebit < residue)
    onebit >>= 2 while (onebit > residue)
    while (onebit > 0)
        x = root + onebit
        if (residue >= x) then
            residue -= x
            root = x + onebit
        end
        root >>= 1
        onebit >>= 2
    end
    return (residue == 0)
end

这里有一个类似的处理方法(可能有编码风格/气味或笨拙的O/O——重要的是算法,C++不是我的母语)。在这种情况下,我们要查找残数==0:

#include <iostream>  

using namespace std;  
typedef unsigned long long int llint;

class ISqrt {           // Integer Square Root
    llint value;        // Integer whose square root is required
    llint root;         // Result: floor(sqrt(value))
    llint residue;      // Result: value-root*root
    llint onebit, x;    // Working bit, working value

public:

    ISqrt(llint v = 2) {    // Constructor
        Root(v);            // Take the root 
    };

    llint Root(llint r) {   // Resets and calculates new square root
        value = r;          // Store input
        residue = value;    // Initialise for subtracting down
        root = 0;           // Clear root accumulator
        
        onebit = 1;                 // Calculate start value of counter
        onebit <<= (8*sizeof(llint)-2);         // Set up counter bit as greatest odd power of 2 
        while (onebit > residue) {onebit >>= 2; };  // Shift down until just < value
        
        while (onebit > 0) {
            x = root ^ onebit;          // Will check root+1bit (root bit corresponding to onebit is always zero)
            if (residue >= x) {         // Room to subtract?
                residue -= x;           // Yes - deduct from residue
                root = x + onebit;      // and step root
            };
            root >>= 1;
            onebit >>= 2;
        };
        return root;                    
    };
    llint Residue() {           // Returns residue from last calculation
        return residue;                 
    };
};

int main() {
    llint big, i, q, r, v, delta;
    big = 0; big = (big-1);         // Kludge for "big number"
    ISqrt b;                            // Make q sqrt generator
    for ( i = big; i > 0 ; i /= 7 ) {   // for several numbers
        q = b.Root(i);                  // Get the square root
        r = b.Residue();                // Get the residue
        v = q*q+r;                      // Recalc original value
        delta = v-i;                    // And diff, hopefully 0
        cout << i << ": " << q << " ++ " << r << " V: " << v << " Delta: " << delta << "\n";
    };
    return 0;
};

当观察到正方形的最后n位时,我检查了所有可能的结果。通过连续检查更多位,可以消除多达5/6的输入。我实际上是为了实现费马的因子分解算法而设计的,而且速度非常快。

public static boolean isSquare(final long val) {
   if ((val & 2) == 2 || (val & 7) == 5) {
     return false;
   }
   if ((val & 11) == 8 || (val & 31) == 20) {
     return false;
   }

   if ((val & 47) == 32 || (val & 127) == 80) {
     return false;
   }

   if ((val & 191) == 128 || (val & 511) == 320) {
     return false;
   }

   // if((val & a == b) || (val & c == d){
   //   return false;
   // }

   if (!modSq[(int) (val % modSq.length)]) {
        return false;
   }

   final long root = (long) Math.sqrt(val);
   return root * root == val;
}

伪代码的最后一位可用于扩展测试以消除更多值。上述测试针对k=0、1、2、3

a的形式为(3<<2k)-1b的形式为(2<<2k)c的形式为(2<<2k+2)-1d的形式为(2<<2k-1)*10

它首先测试它是否具有幂模为2的平方残差,然后根据最终模量进行测试,然后使用Math.sqrt进行最终测试。我从最上面的帖子中提出了这个想法,并试图扩展它。我感谢任何评论或建议。

更新:使用模数(modSq)和44352的模数基数的测试,我的测试在OP更新中的96%的时间内运行,最多可达1000000000。

sqrt调用并不完全准确,正如前面所提到的,但它很有趣,也很有启发性,因为它不会在速度方面影响其他答案。毕竟,sqrt的汇编语言指令序列很小。英特尔有一个硬件指令,我相信Java不会使用它,因为它不符合IEEE。

那么为什么速度慢呢?因为Java实际上是通过JNI调用一个C例程,而且这样做实际上比调用一个Java子程序慢,而Java子程序本身比内联调用慢。这很烦人,Java本应该想出更好的解决方案,即在必要时构建浮点库调用。哦,好吧。

在C++中,我怀疑所有复杂的替代方案都会失去速度,但我还没有检查过它们。我所做的,也是Java人会发现有用的,是一个简单的黑客,是a.Rex建议的特例测试的扩展。使用单个长值作为位数组,不检查边界。这样,您就有了64位布尔查找。

typedef unsigned long long UVLONG
UVLONG pp1,pp2;

void init2() {
  for (int i = 0; i < 64; i++) {
    for (int j = 0; j < 64; j++)
      if (isPerfectSquare(i * 64 + j)) {
    pp1 |= (1 << j);
    pp2 |= (1 << i);
    break;
      }
   }
   cout << "pp1=" << pp1 << "," << pp2 << "\n";  
}


inline bool isPerfectSquare5(UVLONG x) {
  return pp1 & (1 << (x & 0x3F)) ? isPerfectSquare(x) : false;
}

在我的core2双人游戏机上,PerfectSquare5的程序运行时间约为1/3。我怀疑,沿着相同的路线进一步调整可能会进一步缩短平均时间,但每次检查时,你都在用更多的测试来换取更多的消除,所以你不能在这条路上走得太远。

当然,你可以用同样的方法检查高6位,而不是单独测试阴性。

请注意,我所做的只是消除可能的正方形,但当我有一个潜在的情况时,我必须调用原始的内联的isPerfectSquare。

init2例程被调用一次以初始化pp1和pp2的静态值。请注意,在我的C++实现中,我使用的是无符号long-long,因此,既然有符号,就必须使用>>>运算符。

没有内在的必要对数组进行边界检查,但Java的优化器必须很快地解决这一问题,所以我不怪他们。

考虑到一般的比特长度(尽管我在这里使用了特定的类型),我试图设计如下的简单算法。最初需要对0,1,2或<0进行简单而明显的检查。以下是简单的,因为它不试图使用任何现有的数学函数。大多数运算符可以用逐位运算符替换。我还没有用任何基准数据进行测试。我既不是数学专家,也不是计算机算法设计专家,我很乐意看到你们指出这个问题。我知道那里有很多改进的机会。

int main()
{
    unsigned int c1=0 ,c2 = 0;  
    unsigned int x = 0;  
    unsigned int p = 0;  
    int k1 = 0;  
    scanf("%d",&p);  
    if(p % 2 == 0) {  
        x = p/2; 
    }  
    else {  
        x = (p/2) +1;  
    }  
    while(x) 
    {
        if((x*x) > p) {  
            c1 = x;  
            x = x/2; 
        }else {  
            c2 = x;  
            break;  
        }  
    }  
    if((p%2) != 0)  
        c2++;

    while(c2 < c1) 
    {  
        if((c2 * c2 ) == p) {  
            k1 = 1;  
            break;  
        }  
        c2++; 
    }  
    if(k1)  
        printf("\n Perfect square for %d", c2);  
    else  
        printf("\n Not perfect but nearest to :%d :", c2);  
    return 0;  
}