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?
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
如果你使用c++,另一个选择是使用模板元编程:
// recursive template to sum bits in an int
template <int BITS>
int countBits(int val) {
// return the least significant bit plus the result of calling ourselves with
// .. the shifted value
return (val & 0x1) + countBits<BITS-1>(val >> 1);
}
// template specialisation to terminate the recursion when there's only one bit left
template<>
int countBits<1>(int val) {
return val & 0x1;
}
用法如下:
// to count bits in a byte/char (this returns 8)
countBits<8>( 255 )
// another byte (this returns 7)
countBits<8>( 254 )
// counting bits in a word/short (this returns 1)
countBits<16>( 256 )
当然,你可以进一步扩展这个模板来使用不同的类型(甚至是自动检测位大小),但为了清晰起见,我让它保持简单。
edit:忘了说这很好,因为它应该在任何c++编译器中工作,它基本上只是为你展开循环,如果一个常量值用于比特计数(换句话说,我很确定这是你能找到的最快的通用方法)
其他回答
大约在1990年,我为RISC机器编写了一个快速比特计数宏。它不使用高级算术(乘法,除法,%),内存提取(太慢),分支(太慢),但它确实假设CPU有一个32位的桶移位器(换句话说,>> 1和>> 32占用相同的周期)。它假定小常数(如6、12、24)加载到寄存器中不需要花费任何代价,或者存储在临时变量中并反复重用。
在这些假设下,在大多数RISC机器上,它在大约16个周期/指令中计算32位。注意,15条指令/周期接近于周期或指令数量的下界,因为似乎至少需要3条指令(掩码、移位、运算符)才能将加数的数量减半,因此log_2(32) = 5,5 x 3 = 15条指令是准下界。
#define BitCount(X,Y) \
Y = X - ((X >> 1) & 033333333333) - ((X >> 2) & 011111111111); \
Y = ((Y + (Y >> 3)) & 030707070707); \
Y = (Y + (Y >> 6)); \
Y = (Y + (Y >> 12) + (Y >> 24)) & 077;
这是第一步也是最复杂的一步:
input output
AB CD Note
00 00 = AB
01 01 = AB
10 01 = AB - (A >> 1) & 0x1
11 10 = AB - (A >> 1) & 0x1
所以如果我取上面的第一列(A),右移1位,然后从AB减去它,我就得到了输出(CD)。扩展到3位类似;如果你愿意,你可以用一个8行布尔表来检查它。
不吉利
几个悬而未决的问题:-
如果这个数是负的呢? 如果这个数字是1024,那么“迭代除以2”方法将迭代10次。
我们可以修改算法以支持负数:-
count = 0
while n != 0
if ((n % 2) == 1 || (n % 2) == -1
count += 1
n /= 2
return count
现在为了克服第二个问题,我们可以编写这样的算法:-
int bit_count(int num)
{
int count=0;
while(num)
{
num=(num)&(num-1);
count++;
}
return count;
}
完整参考请参见:
http://goursaha.freeoda.com/Miscellaneous/IntegerBitCount.html
摘自《黑客的喜悦》第66页,图5-2
int pop(unsigned x)
{
x = x - ((x >> 1) & 0x55555555);
x = (x & 0x33333333) + ((x >> 2) & 0x33333333);
x = (x + (x >> 4)) & 0x0F0F0F0F;
x = x + (x >> 8);
x = x + (x >> 16);
return x & 0x0000003F;
}
执行大约20条指令(依赖于arch),没有分支。黑客的喜悦是令人愉快的!强烈推荐。
这是一个可移植的模块(ANSI-C),它可以在任何架构上对每个算法进行基准测试。
你的CPU有9位字节?目前它实现了2个算法,K&R算法和一个字节查找表。查找表的平均速度比K&R算法快3倍。如果有人能想出办法使“黑客的喜悦”算法可移植,请随意添加它。
#ifndef _BITCOUNT_H_
#define _BITCOUNT_H_
/* Return the Hamming Wieght of val, i.e. the number of 'on' bits. */
int bitcount( unsigned int );
/* List of available bitcount algorithms.
* onTheFly: Calculate the bitcount on demand.
*
* lookupTalbe: Uses a small lookup table to determine the bitcount. This
* method is on average 3 times as fast as onTheFly, but incurs a small
* upfront cost to initialize the lookup table on the first call.
*
* strategyCount is just a placeholder.
*/
enum strategy { onTheFly, lookupTable, strategyCount };
/* String represenations of the algorithm names */
extern const char *strategyNames[];
/* Choose which bitcount algorithm to use. */
void setStrategy( enum strategy );
#endif
.
#include <limits.h>
#include "bitcount.h"
/* The number of entries needed in the table is equal to the number of unique
* values a char can represent which is always UCHAR_MAX + 1*/
static unsigned char _bitCountTable[UCHAR_MAX + 1];
static unsigned int _lookupTableInitialized = 0;
static int _defaultBitCount( unsigned int val ) {
int count;
/* Starting with:
* 1100 - 1 == 1011, 1100 & 1011 == 1000
* 1000 - 1 == 0111, 1000 & 0111 == 0000
*/
for ( count = 0; val; ++count )
val &= val - 1;
return count;
}
/* Looks up each byte of the integer in a lookup table.
*
* The first time the function is called it initializes the lookup table.
*/
static int _tableBitCount( unsigned int val ) {
int bCount = 0;
if ( !_lookupTableInitialized ) {
unsigned int i;
for ( i = 0; i != UCHAR_MAX + 1; ++i )
_bitCountTable[i] =
( unsigned char )_defaultBitCount( i );
_lookupTableInitialized = 1;
}
for ( ; val; val >>= CHAR_BIT )
bCount += _bitCountTable[val & UCHAR_MAX];
return bCount;
}
static int ( *_bitcount ) ( unsigned int ) = _defaultBitCount;
const char *strategyNames[] = { "onTheFly", "lookupTable" };
void setStrategy( enum strategy s ) {
switch ( s ) {
case onTheFly:
_bitcount = _defaultBitCount;
break;
case lookupTable:
_bitcount = _tableBitCount;
break;
case strategyCount:
break;
}
}
/* Just a forwarding function which will call whichever version of the
* algorithm has been selected by the client
*/
int bitcount( unsigned int val ) {
return _bitcount( val );
}
#ifdef _BITCOUNT_EXE_
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
/* Use the same sequence of pseudo random numbers to benmark each Hamming
* Weight algorithm.
*/
void benchmark( int reps ) {
clock_t start, stop;
int i, j;
static const int iterations = 1000000;
for ( j = 0; j != strategyCount; ++j ) {
setStrategy( j );
srand( 257 );
start = clock( );
for ( i = 0; i != reps * iterations; ++i )
bitcount( rand( ) );
stop = clock( );
printf
( "\n\t%d psudoe-random integers using %s: %f seconds\n\n",
reps * iterations, strategyNames[j],
( double )( stop - start ) / CLOCKS_PER_SEC );
}
}
int main( void ) {
int option;
while ( 1 ) {
printf( "Menu Options\n"
"\t1.\tPrint the Hamming Weight of an Integer\n"
"\t2.\tBenchmark Hamming Weight implementations\n"
"\t3.\tExit ( or cntl-d )\n\n\t" );
if ( scanf( "%d", &option ) == EOF )
break;
switch ( option ) {
case 1:
printf( "Please enter the integer: " );
if ( scanf( "%d", &option ) != EOF )
printf
( "The Hamming Weight of %d ( 0x%X ) is %d\n\n",
option, option, bitcount( option ) );
break;
case 2:
printf
( "Please select number of reps ( in millions ): " );
if ( scanf( "%d", &option ) != EOF )
benchmark( option );
break;
case 3:
goto EXIT;
break;
default:
printf( "Invalid option\n" );
}
}
EXIT:
printf( "\n" );
return 0;
}
#endif
我觉得很无聊,于是对三种方法进行了十亿次迭代。编译器是gcc -O3。CPU就是第一代Macbook Pro里装的东西。
最快的是3.7秒:
static unsigned char wordbits[65536] = { bitcounts of ints between 0 and 65535 };
static int popcount( unsigned int i )
{
return( wordbits[i&0xFFFF] + wordbits[i>>16] );
}
第二名是相同的代码,但查找的是4个字节而不是2个半字。这花了大约5.5秒。
第三名是“横向加法”法,用时8.6秒。
第四名是GCC的__builtin_popcount(),仅为11秒。
一次一个比特的计数方法要慢得多,我厌倦了等待它完成。
因此,如果您最关心的是性能,那么请使用第一种方法。如果您关心它,但又不想在上面花费64Kb的RAM,那么可以使用第二种方法。否则,请使用可读的(但速度较慢)一次一位的方法。
很难想象在什么情况下你会想要使用比特旋转方法。
编辑:这里也有类似的结果。