c++ 20 std:: popcount

以下建议已合并http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2019/p0553r4.html，并应将其添加到<bit>头。

我希望用法是这样的:

#include <bit>
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << std::popcount(0x55) << std::endl;
}

当支持GCC时，我会尝试一下，GCC 9.1.0带有g++-9 -std=c++2a仍然不支持它。

提案说:

标题:< > 命名空间STD { // 25.5.6，计数 模板类T > < conexpr int popcount(T x) noexcept;

and:

模板类T > < conexpr int popcount(T x) noexcept; 约束:T是无符号整数类型(3.9.1 [basic.fundamental])。 返回:x值中的1位数。

std::rotl和std::rotr也被添加来执行循环位旋转:c++中循环移位(旋转)操作的最佳实践

这也可以正常工作:

int ans = 0;
while(num) {
  ans += (num & 1);
  num = num >> 1;
}    
return ans;

这里有一个到目前为止还没有提到的解决方案，使用位字段。下面的程序使用4种不同的方法对100000000个16位整数数组中的设置位进行计数。计时结果在括号中给出(在MacOSX上，使用gcc -O3):

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

#define LENGTH 100000000

typedef struct {
    unsigned char bit0 : 1;
    unsigned char bit1 : 1;
    unsigned char bit2 : 1;
    unsigned char bit3 : 1;
    unsigned char bit4 : 1;
    unsigned char bit5 : 1;
    unsigned char bit6 : 1;
    unsigned char bit7 : 1;
} bits;

unsigned char sum_bits(const unsigned char x) {
    const bits *b = (const bits*) &x;
    return b->bit0 + b->bit1 + b->bit2 + b->bit3 \
         + b->bit4 + b->bit5 + b->bit6 + b->bit7;
}

int NumberOfSetBits(int i) {
    i = i - ((i >> 1) & 0x55555555);
    i = (i & 0x33333333) + ((i >> 2) & 0x33333333);
    return (((i + (i >> 4)) & 0x0F0F0F0F) * 0x01010101) >> 24;
}

#define out(s) \
    printf("bits set: %lu\nbits counted: %lu\n", 8*LENGTH*sizeof(short)*3/4, s);

int main(int argc, char **argv) {
    unsigned long i, s;
    unsigned short *x = malloc(LENGTH*sizeof(short));
    unsigned char lut[65536], *p;
    unsigned short *ps;
    int *pi;

    /* set 3/4 of the bits */
    for (i=0; i<LENGTH; ++i)
        x[i] = 0xFFF0;

    /* sum_bits (1.772s) */
    for (i=LENGTH*sizeof(short), p=(unsigned char*) x, s=0; i--; s+=sum_bits(*p++));
    out(s);

    /* NumberOfSetBits (0.404s) */
    for (i=LENGTH*sizeof(short)/sizeof(int), pi=(int*)x, s=0; i--; s+=NumberOfSetBits(*pi++));
    out(s);

    /* populate lookup table */
    for (i=0, p=(unsigned char*) &i; i<sizeof(lut); ++i)
        lut[i] = sum_bits(p[0]) + sum_bits(p[1]);

    /* 256-bytes lookup table (0.317s) */
    for (i=LENGTH*sizeof(short), p=(unsigned char*) x, s=0; i--; s+=lut[*p++]);
    out(s);

    /* 65536-bytes lookup table (0.250s) */
    for (i=LENGTH, ps=x, s=0; i--; s+=lut[*ps++]);
    out(s);

    free(x);
    return 0;
}

虽然位域版本非常可读，但计时结果显示它比NumberOfSetBits()慢了4倍以上。基于查找表的实现仍然要快得多，特别是对于一个65 kB的表。

一个快速的c#解决方案，使用预先计算的字节位计数表，并根据输入大小进行分支。

public static class BitCount
{
    public static uint GetSetBitsCount(uint n)
    {
        var counts = BYTE_BIT_COUNTS;
        return n <= 0xff ? counts[n]
             : n <= 0xffff ? counts[n & 0xff] + counts[n >> 8]
             : n <= 0xffffff ? counts[n & 0xff] + counts[(n >> 8) & 0xff] + counts[(n >> 16) & 0xff]
             : counts[n & 0xff] + counts[(n >> 8) & 0xff] + counts[(n >> 16) & 0xff] + counts[(n >> 24) & 0xff];
    }

    public static readonly uint[] BYTE_BIT_COUNTS =
    {
        0, 1, 1, 2, 1, 2, 2, 3, 1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4,
        1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
        1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
        1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
        3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
        4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7, 5, 6, 6, 7, 6, 7, 7, 8
    };
}

int countBits(int x)
{
    int n = 0;
    if (x) do n++;
           while(x=x&(x-1));
    return n;
}   

或者:

int countBits(int x) { return (x)? 1+countBits(x&(x-1)): 0; }

在我最初的回答7年半之后，@PeterMortensen质疑这是否是有效的C语法。我发布了一个在线编译器的链接，显示它实际上是完全有效的语法(代码如下)。

#include <stdio.h>
int countBits(int x)
{
    int n = 0;
    if (x) do n++;           /* Totally Normal Valid code. */
           while(x=x&(x-1)); /* Nothing to see here.       */
    return n;
}   
 
int main(void) {
    printf("%d\n", countBits(25));
    return 0;
}
 

输出:

3

如果你想重新写清楚，它看起来是这样的:

if (x)
{
    do
    {
        n++;
    } while(x=x&(x-1));
}

但在我看来，这太过分了。

然而，我也意识到函数可以变得更短，但可能更神秘，写为:

int countBits(int x)
{
    int n = 0;
    while (x) x=(n++,x&(x-1));
    return n;
}   

我总是在竞争性编程中使用它，它很容易写，而且效率很高:

#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

int countOnes(int n) {
    bitset<32> b(n);
    return b.count();
}