代表数字7的8位像这样:
00000111
设置了三个比特。
确定32位整数中设置位数的算法是什么?
当前回答
我提供了另一个未提及的算法，称为并行，从这里取。它的优点是它是通用的，这意味着代码对于8、16、32、64和128位大小是相同的。
我检查了它的值的正确性和时间的数量为2^26位大小为8,16,32和64位。请看下面的时间安排。
该算法是第一个代码片段。这里提到另外两个只是为了参考，因为我测试和比较了它们。
算法是用c++编写的，是通用的，但它可以很容易地应用到旧的C中。
#include <type_traits>
#include <cstdint>
template <typename IntT>
inline size_t PopCntParallel(IntT n) {
// https://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#CountBitsSetParallel
using T = std::make_unsigned_t<IntT>;
T v = T(n);
v = v - ((v >> 1) & (T)~(T)0/3); // temp
v = (v & (T)~(T)0/15*3) + ((v >> 2) & (T)~(T)0/15*3); // temp
v = (v + (v >> 4)) & (T)~(T)0/255*15; // temp
return size_t((T)(v * ((T)~(T)0/255)) >> (sizeof(T) - 1) * 8); // count
}
下面是我比较的两种算法。一个是带有循环的Kernighan简单方法，从这里开始。
template <typename IntT>
inline size_t PopCntKernighan(IntT n) {
// http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#CountBitsSetKernighan
using T = std::make_unsigned_t<IntT>;
T v = T(n);
size_t c;
for (c = 0; v; ++c)
v &= v - 1; // Clear the least significant bit set
return c;
}
另一个是使用内置的__popcnt16()/__popcnt()/__popcnt64() MSVC的内在(doc在这里)。或CLang/GCC (doc)的__builtin_popcount。这个内在应该提供一个非常优化的版本，可能是硬件:
#ifdef _MSC_VER
// https://learn.microsoft.com/en-us/cpp/intrinsics/popcnt16-popcnt-popcnt64?view=msvc-160
#include <intrin.h>
#define popcnt16 __popcnt16
#define popcnt32 __popcnt
#define popcnt64 __popcnt64
#else
// https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Other-Builtins.html
#define popcnt16 __builtin_popcount
#define popcnt32 __builtin_popcount
#define popcnt64 __builtin_popcountll
#endif
template <typename IntT>
inline size_t PopCntBuiltin(IntT n) {
using T = std::make_unsigned_t<IntT>;
T v = T(n);
if constexpr(sizeof(IntT) <= 2)
return popcnt16(uint16_t(v));
else if constexpr(sizeof(IntT) <= 4)
return popcnt32(uint32_t(v));
else if constexpr(sizeof(IntT) <= 8)
return popcnt64(uint64_t(v));
else
static_assert([]{ return false; }());
}
以下是计时，以纳秒为单位。所有的计时都是对2^26个随机数进行的。比较了所有三种算法的计时以及8、16、32和64之间的所有比特大小。总的来说，所有测试在我的机器上花费了16秒。使用了高分辨率时钟。
08 bit Builtin 8.2 ns
08 bit Parallel 8.2 ns
08 bit Kernighan 26.7 ns
16 bit Builtin 7.7 ns
16 bit Parallel 7.7 ns
16 bit Kernighan 39.7 ns
32 bit Builtin 7.0 ns
32 bit Parallel 7.0 ns
32 bit Kernighan 47.9 ns
64 bit Builtin 7.5 ns
64 bit Parallel 7.5 ns
64 bit Kernighan 59.4 ns
128 bit Builtin 7.8 ns
128 bit Parallel 13.8 ns
128 bit Kernighan 127.6 ns
可以看到，所提供的并行算法(在三个算法中排名第一)与MSVC /CLang的固有算法一样好。
作为参考，下面是我用来测试所有函数的速度/时间/正确性的完整代码。
作为奖励，这段代码(不像上面的短代码片段)也测试128位大小，但只在CLang/GCC下(不是MSVC)，因为它们有unsigned __int128。
在网上试试!
#include <type_traits>
#include <cstdint>
using std::size_t;
#if defined(_MSC_VER) && !defined(__clang__)
#define IS_MSVC 1
#else
#define IS_MSVC 0
#endif
#if IS_MSVC
#define HAS128 false
#else
using int128_t = __int128;
using uint128_t = unsigned __int128;
#define HAS128 true
#endif
template <typename T> struct UnSignedT { using type = std::make_unsigned_t<T>; };
#if HAS128
template <> struct UnSignedT<int128_t> { using type = uint128_t; };
template <> struct UnSignedT<uint128_t> { using type = uint128_t; };
#endif
template <typename T> using UnSigned = typename UnSignedT<T>::type;
template <typename IntT>
inline size_t PopCntParallel(IntT n) {
// https://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#CountBitsSetParallel
using T = UnSigned<IntT>;
T v = T(n);
v = v - ((v >> 1) & (T)~(T)0/3); // temp
v = (v & (T)~(T)0/15*3) + ((v >> 2) & (T)~(T)0/15*3); // temp
v = (v + (v >> 4)) & (T)~(T)0/255*15; // temp
return size_t((T)(v * ((T)~(T)0/255)) >> (sizeof(T) - 1) * 8); // count
}
template <typename IntT>
inline size_t PopCntKernighan(IntT n) {
// http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#CountBitsSetKernighan
using T = UnSigned<IntT>;
T v = T(n);
size_t c;
for (c = 0; v; ++c)
v &= v - 1; // Clear the least significant bit set
return c;
}
#if IS_MSVC
// https://learn.microsoft.com/en-us/cpp/intrinsics/popcnt16-popcnt-popcnt64?view=msvc-160
#include <intrin.h>
#define popcnt16 __popcnt16
#define popcnt32 __popcnt
#define popcnt64 __popcnt64
#else
// https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/Other-Builtins.html
#define popcnt16 __builtin_popcount
#define popcnt32 __builtin_popcount
#define popcnt64 __builtin_popcountll
#endif
#define popcnt128(x) (popcnt64(uint64_t(x)) + popcnt64(uint64_t(x >> 64)))
template <typename IntT>
inline size_t PopCntBuiltin(IntT n) {
using T = UnSigned<IntT>;
T v = T(n);
if constexpr(sizeof(IntT) <= 2)
return popcnt16(uint16_t(v));
else if constexpr(sizeof(IntT) <= 4)
return popcnt32(uint32_t(v));
else if constexpr(sizeof(IntT) <= 8)
return popcnt64(uint64_t(v));
else if constexpr(sizeof(IntT) <= 16)
return popcnt128(uint128_t(v));
else
static_assert([]{ return false; }());
}
#include <random>
#include <vector>
#include <chrono>
#include <string>
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <map>
inline double Time() {
static auto const gtb = std::chrono::high_resolution_clock::now();
return std::chrono::duration_cast<std::chrono::duration<double>>(
std::chrono::high_resolution_clock::now() - gtb).count();
}
template <typename T, typename F>
void Test(std::string const & name, F f) {
std::mt19937_64 rng{123};
size_t constexpr bit_size = sizeof(T) * 8, ntests = 1 << 6, nnums = 1 << 14;
std::vector<T> nums(nnums);
for (size_t i = 0; i < nnums; ++i)
nums[i] = T(rng() % ~T(0));
static std::map<size_t, size_t> times;
double min_time = 1000;
for (size_t i = 0; i < ntests; ++i) {
double timer = Time();
size_t sum = 0;
for (size_t j = 0; j < nnums; j += 4)
sum += f(nums[j + 0]) + f(nums[j + 1]) + f(nums[j + 2]) + f(nums[j + 3]);
auto volatile vsum = sum;
min_time = std::min(min_time, (Time() - timer) / nnums);
if (times.count(bit_size) && times.at(bit_size) != sum)
std::cout << "Wrong bit cnt checksum!" << std::endl;
times[bit_size] = sum;
}
std::cout << std::setw(2) << std::setfill('0') << bit_size
<< " bit " << name << " " << std::fixed << std::setprecision(1)
<< min_time * 1000000000 << " ns" << std::endl;
}
int main() {
#define TEST(T) \
Test<T>("Builtin", PopCntBuiltin<T>); \
Test<T>("Parallel", PopCntParallel<T>); \
Test<T>("Kernighan", PopCntKernighan<T>); \
std::cout << std::endl;
TEST(uint8_t); TEST(uint16_t); TEST(uint32_t); TEST(uint64_t);
#if HAS128
TEST(uint128_t);
#endif
#undef TEST
}
其他回答
我给出了两个算法来回答这个问题，
package countSetBitsInAnInteger;
import java.util.Scanner;
public class UsingLoop {
public static void main(String[] args) {
Scanner in = new Scanner(System.in);
try {
System.out.println("Enter a integer number to check for set bits in it");
int n = in.nextInt();
System.out.println("Using while loop, we get the number of set bits as: " + usingLoop(n));
System.out.println("Using Brain Kernighan's Algorithm, we get the number of set bits as: " + usingBrainKernighan(n));
System.out.println("Using ");
}
finally {
in.close();
}
}
private static int usingBrainKernighan(int n) {
int count = 0;
while(n > 0) {
n& = (n-1);
count++;
}
return count;
}
/*
Analysis:
Time complexity = O(lgn)
Space complexity = O(1)
*/
private static int usingLoop(int n) {
int count = 0;
for(int i=0; i<32; i++) {
if((n&(1 << i)) != 0)
count++;
}
return count;
}
/*
Analysis:
Time Complexity = O(32) // Maybe the complexity is O(lgn)
Space Complexity = O(1)
*/
}
为什么不迭代地除以2呢?
count = 0
while n > 0
if (n % 2) == 1
count += 1
n /= 2
我同意这不是最快的，但是“最好”这个词有点含糊不清。我认为“最好”应该有一个清晰的元素
下面是PHP中的一些东西(所有PHP整数都是32位符号，因此是31位):
function bits_population($nInteger)
{
$nPop=0;
while($nInteger)
{
$nInteger^=(1<<(floor(1+log($nInteger)/log(2))-1));
$nPop++;
}
return $nPop;
}
32位还是32位?我只是在阅读了“破解编码面试”第4版练习5.5(第5章:位操作)后，在Java中使用了这种方法。如果最小有效位是1个增量计数，则右移该整数。
public static int bitCount( int n){
int count = 0;
for (int i=n; i!=0; i = i >> 1){
count += i & 1;
}
return count;
}
我认为这个比常数0x33333333的解更直观，不管它们有多快。这取决于你对“最佳算法”的定义。
这就是所谓的“汉明权重”，“popcount”或“横向相加”。
一些cpu有单独的内置指令来做这件事，而另一些cpu有并行指令来处理位向量。像x86的popcnt(在支持它的cpu上)这样的指令几乎肯定对单个整数来说是最快的。其他一些架构可能有一个缓慢的指令，实现了一个微编码循环，每个周期测试一个比特(需要引用-硬件popcount通常是快速的，如果它存在的话。)
“最佳”算法实际上取决于你所使用的CPU以及你的使用模式。
Your compiler may know how to do something that's good for the specific CPU you're compiling for, e.g. C++20 std::popcount(), or C++ std::bitset<32>::count(), as a portable way to access builtin / intrinsic functions (see another answer on this question). But your compiler's choice of fallback for target CPUs that don't have hardware popcnt might not be optimal for your use-case. Or your language (e.g. C) might not expose any portable function that could use a CPU-specific popcount when there is one.
不需要(或受益于)任何硬件支持的可移植算法
如果您的CPU有一个很大的缓存，并且您在一个紧密的循环中执行大量这些操作，那么预先填充的表查找方法可以非常快。然而，它可能会因为“缓存丢失”的代价而受到影响，在这种情况下，CPU必须从主存中获取一些表。(分别查找每个字节以保持表小。)如果你想要popcount的连续范围的数字，只有低字节改变的组256个数字，这是非常好的。
如果你知道你的字节大部分是0或1，那么就有针对这些情况的有效算法，例如在循环中使用bithack清除最低的集合，直到它变成0。
我相信一个非常好的通用算法是以下，称为“并行”或“可变精度SWAR算法”。我已经在一个类似C的伪语言中表达了这一点，你可能需要调整它以适用于特定的语言(例如使用uint32_t for c++和>>> in Java):
GCC10和clang 10.0可以识别这种模式/习惯用法，并在可用时将其编译为硬件popcnt或等效指令，为您提供两全其美的服务。(https://godbolt.org/z/qGdh1dvKK)
int numberOfSetBits(uint32_t i)
{
// Java: use int, and use >>> instead of >>. Or use Integer.bitCount()
// C or C++: use uint32_t
i = i - ((i >> 1) & 0x55555555); // add pairs of bits
i = (i & 0x33333333) + ((i >> 2) & 0x33333333); // quads
i = (i + (i >> 4)) & 0x0F0F0F0F; // groups of 8
return (i * 0x01010101) >> 24; // horizontal sum of bytes
}
对于JavaScript:强制为整数|0的性能:更改第一行为i = (i|0) - ((i >> 1) & 0x55555555);
这是所有讨论过的算法中最糟糕的行为，因此可以有效地处理您抛出的任何使用模式或值。(它的性能不依赖于普通cpu的数据，在普通cpu中，包括乘法在内的所有整数操作都是常量时间。“简单”输入不会让它变得更快，但它仍然相当不错。)
引用:
https://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html https://catonmat.net/low-level-bit-hacks用于bithack基础知识，例如如何减去1翻转连续的零。 https://en.wikipedia.org/wiki/Hamming_weight http://gurmeet.net/puzzles/fast-bit-counting-routines/ http://aggregate.ee.engr.uky.edu/MAGIC/人口% 20计数% 20(% 20计数)
这个SWAR bithack如何工作:
i = i - ((i >> 1) & 0x55555555);
第一步是屏蔽的优化版本，以隔离奇数/偶数位，移动以对齐它们，并添加。这有效地在2位累加器(SWAR = SIMD Within A Register)中进行16个独立的加法。比如(i & 0x55555555) + ((i>>1) & 0x55555555)。
下一步是取这16个2位累加器中的奇/偶8个，然后再次相加，得到8个4位累加器。我…这次不可能进行优化，所以它只是在移动之前/之后进行遮罩。使用相同的0x33…两次都是常量，而不是0xccc…在为需要单独在寄存器中构造32位常量的isa编译时，在移位之前进行转换是一件好事。
(i + (i >> 4)) & 0x0F0F0F0F的最后一个移位和添加步骤将扩大为4个8位累加器。它在加后而不是加前进行掩码，因为如果设置了所有对应的4位输入位，则任何4位累加器中的最大值为4。4+4 = 8仍然适合4位，所以在I + (I >> 4)中，啃食元素之间的进位是不可能的。
到目前为止，这只是使用SWAR技术和一些聪明的优化的相当普通的SIMD。继续相同的模式2步可以扩大到2x 16位，然后1x 32位计数。但在硬件快速相乘的机器上，有一种更有效的方法:
一旦我们有足够少的“元素”，一个神奇常数的乘法可以把所有的元素加起来变成最上面的元素。在本例中是字节元素。乘法是通过左移和加法完成的，因此x * 0x01010101的乘法得到x + (x<<8) + (x<<16) + (x<<24)。我们的8位元素足够宽(并且包含足够小的计数)，因此不会产生进位到前8位。
它的64位版本可以使用0x0101010101010101乘数在64位整数中处理8x 8位元素，并使用>>56提取高字节。所以它不需要任何额外的步骤，只是更大的常数。这是当硬件popcnt指令未启用时，GCC在x86系统上对__builtin_popcountll使用的方法。如果您可以为此使用内置或内在函数，那么这样做可以让编译器有机会进行特定于目标的优化。
对于更宽的向量具有完整的SIMD(例如计算整个数组)
这种逐位swar算法可以在多个向量元素中同时进行并行运算，而不是在单个整数寄存器中进行并行运算，从而在具有SIMD但没有可用popcount指令的cpu上实现加速。(例如x86-64代码必须在任何CPU上运行，而不仅仅是Nehalem或更高版本。)
然而，对popcount使用矢量指令的最佳方法通常是使用变量-shuffle并行地对每个字节每次4位进行表查找。(4位索引保存在向量寄存器中的16项表)。
在Intel cpu上，硬件64位popcnt指令的性能比SSSE3 PSHUFB位并行实现的性能好2倍，但前提是编译器的性能恰到好处。否则，上交所可能会大幅领先。较新的编译器版本意识到popcnt对Intel的错误依赖问题。
https://github.com/WojciechMula/sse-popcount state-of-the-art x86 SIMD popcount for SSSE3, AVX2, AVX512BW, AVX512VBMI, or AVX512 VPOPCNT. Using Harley-Seal across vectors to defer popcount within an element. (Also ARM NEON) Counting 1 bits (population count) on large data using AVX-512 or AVX-2 related: https://github.com/mklarqvist/positional-popcount - separate counts for each bit-position of multiple 8, 16, 32, or 64-bit integers. (Again, x86 SIMD including AVX-512 which is really good at this, with vpternlogd making Harley-Seal very good.)
