我想写一个函数，返回最接近的2的次幂数。例如，如果我的输入是789，输出应该是1024。有没有办法不使用任何循环，而只是使用一些位运算符?
当前回答
C / c++中用于整数输入的高效微软(例如Visual Studio 2017)特定解决方案。在检查最有效的1位的位置之前，通过递减处理输入完全匹配2的幂值的情况。
inline unsigned int ExpandToPowerOf2(unsigned int Value)
{
unsigned long Index;
_BitScanReverse(&Index, Value - 1);
return (1U << (Index + 1));
}
// - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
#if defined(WIN64) // The _BitScanReverse64 intrinsic is only available for 64 bit builds because it depends on x64
inline unsigned long long ExpandToPowerOf2(unsigned long long Value)
{
unsigned long Index;
_BitScanReverse64(&Index, Value - 1);
return (1ULL << (Index + 1));
}
#endif
这将为英特尔处理器生成5个左右的内联指令，类似如下:
dec eax
bsr rcx, rax
inc ecx
mov eax, 1
shl rax, cl
显然Visual Studio c++编译器并没有针对编译时值进行优化，但这里并没有大量的指令。
编辑:
如果你想让输入值1产生1(2的0次方)，对上面代码的一个小修改仍然会生成没有分支的直通指令。
inline unsigned int ExpandToPowerOf2(unsigned int Value)
{
unsigned long Index;
_BitScanReverse(&Index, --Value);
if (Value == 0)
Index = (unsigned long) -1;
return (1U << (Index + 1));
}
生成更多的指令。诀窍在于Index可以被一个测试后跟一个cmove指令所取代。
其他回答
next = pow(2, ceil(log(x)/log(2)));
这是通过找到你想要2乘以x的数字来实现的(取这个数字的对数，然后除以想要的底数的对数，详见维基百科)。然后把它四舍五入，得到最接近的整数幂。
这是一个比其他地方链接的按位方法更通用的方法(即更慢!)，但很好地了解数学，不是吗?
C / c++中用于整数输入的高效微软(例如Visual Studio 2017)特定解决方案。在检查最有效的1位的位置之前，通过递减处理输入完全匹配2的幂值的情况。
inline unsigned int ExpandToPowerOf2(unsigned int Value)
{
unsigned long Index;
_BitScanReverse(&Index, Value - 1);
return (1U << (Index + 1));
}
// - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
#if defined(WIN64) // The _BitScanReverse64 intrinsic is only available for 64 bit builds because it depends on x64
inline unsigned long long ExpandToPowerOf2(unsigned long long Value)
{
unsigned long Index;
_BitScanReverse64(&Index, Value - 1);
return (1ULL << (Index + 1));
}
#endif
这将为英特尔处理器生成5个左右的内联指令，类似如下:
dec eax
bsr rcx, rax
inc ecx
mov eax, 1
shl rax, cl
显然Visual Studio c++编译器并没有针对编译时值进行优化，但这里并没有大量的指令。
编辑:
如果你想让输入值1产生1(2的0次方)，对上面代码的一个小修改仍然会生成没有分支的直通指令。
inline unsigned int ExpandToPowerOf2(unsigned int Value)
{
unsigned long Index;
_BitScanReverse(&Index, --Value);
if (Value == 0)
Index = (unsigned long) -1;
return (1U << (Index + 1));
}
生成更多的指令。诀窍在于Index可以被一个测试后跟一个cmove指令所取代。
c++ 14 clp2的constexpr版本
#include <iostream>
#include <type_traits>
// Closest least power of 2 minus 1. Returns 0 if n = 0.
template <typename UInt, std::enable_if_t<std::is_unsigned<UInt>::value,int> = 0>
constexpr UInt clp2m1(UInt n, unsigned i = 1) noexcept
{ return i < sizeof(UInt) * 8 ? clp2m1(UInt(n | (n >> i)),i << 1) : n; }
/// Closest least power of 2 minus 1. Returns 0 if n <= 0.
template <typename Int, std::enable_if_t<std::is_integral<Int>::value && std::is_signed<Int>::value,int> = 0>
constexpr auto clp2m1(Int n) noexcept
{ return clp2m1(std::make_unsigned_t<Int>(n <= 0 ? 0 : n)); }
/// Closest least power of 2. Returns 2^N: 2^(N-1) < n <= 2^N. Returns 0 if n <= 0.
template <typename Int, std::enable_if_t<std::is_integral<Int>::value,int> = 0>
constexpr auto clp2(Int n) noexcept
{ return clp2m1(std::make_unsigned_t<Int>(n-1)) + 1; }
/// Next power of 2. Returns 2^N: 2^(N-1) <= n < 2^N. Returns 1 if n = 0. Returns 0 if n < 0.
template <typename Int, std::enable_if_t<std::is_integral<Int>::value,int> = 0>
constexpr auto np2(Int n) noexcept
{ return clp2m1(std::make_unsigned_t<Int>(n)) + 1; }
template <typename T>
void test(T v) { std::cout << clp2(v) << std::endl; }
int main()
{
test(-5); // 0
test(0); // 0
test(8); // 8
test(31); // 32
test(33); // 64
test(789); // 1024
test(char(260)); // 4
test(unsigned(-1) - 1); // 0
test<long long>(unsigned(-1) - 1); // 4294967296
return 0;
}
对于任何unsigned类型，构建在Bit Twiddling Hacks上:
#include <climits>
#include <type_traits>
template <typename UnsignedType>
UnsignedType round_up_to_power_of_2(UnsignedType v) {
static_assert(std::is_unsigned<UnsignedType>::value, "Only works for unsigned types");
v--;
for (size_t i = 1; i < sizeof(v) * CHAR_BIT; i *= 2) //Prefer size_t "Warning comparison between signed and unsigned integer"
{
v |= v >> i;
}
return ++v;
}
这里并没有真正的循环，因为编译器在编译时知道迭代的次数。
试图为这个问题找到一个“终极”解决方案。下面的代码
针对的是C语言(不是c++)， 使用编译器内置生成有效的代码(CLZ或BSR指令)，如果编译器支持任何， 是便携式的(标准C和没有汇编)，除了内置，和 处理所有未定义的行为。
如果你用c++编写，你可以适当地调整代码。注意，c++ 20引入了std::bit_ceil，它做了完全相同的事情，只是在某些条件下行为可能是未定义的。
#include <limits.h>
#ifdef _MSC_VER
# if _MSC_VER >= 1400
/* _BitScanReverse is introduced in Visual C++ 2005 and requires
<intrin.h> (also introduced in Visual C++ 2005). */
#include <intrin.h>
#pragma intrinsic(_BitScanReverse)
#pragma intrinsic(_BitScanReverse64)
# define HAVE_BITSCANREVERSE 1
# endif
#endif
/* Macro indicating that the compiler supports __builtin_clz().
The name HAVE_BUILTIN_CLZ seems to be the most common, but in some
projects HAVE__BUILTIN_CLZ is used instead. */
#ifdef __has_builtin
# if __has_builtin(__builtin_clz)
# define HAVE_BUILTIN_CLZ 1
# endif
#elif defined(__GNUC__)
# if (__GNUC__ > 3)
# define HAVE_BUILTIN_CLZ 1
# elif defined(__GNUC_MINOR__)
# if (__GNUC__ == 3 && __GNUC_MINOR__ >= 4)
# define HAVE_BUILTIN_CLZ 1
# endif
# endif
#endif
/**
* Returns the smallest power of two that is not smaller than x.
*/
unsigned long int next_power_of_2_long(unsigned long int x)
{
if (x <= 1) {
return 1;
}
x--;
#ifdef HAVE_BITSCANREVERSE
if (x > (ULONG_MAX >> 1)) {
return 0;
} else {
unsigned long int index;
(void) _BitScanReverse(&index, x);
return (1UL << (index + 1));
}
#elif defined(HAVE_BUILTIN_CLZ)
if (x > (ULONG_MAX >> 1)) {
return 0;
}
return (1UL << (sizeof(x) * CHAR_BIT - __builtin_clzl(x)));
#else
/* Solution from "Bit Twiddling Hacks"
<http://www.graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#RoundUpPowerOf2>
but converted to a loop for smaller code size.
("gcc -O3" will unroll this.) */
{
unsigned int shift;
for (shift = 1; shift < sizeof(x) * CHAR_BIT; shift <<= 1) {
x |= (x >> shift);
}
}
return (x + 1);
#endif
}
unsigned int next_power_of_2(unsigned int x)
{
if (x <= 1) {
return 1;
}
x--;
#ifdef HAVE_BITSCANREVERSE
if (x > (UINT_MAX >> 1)) {
return 0;
} else {
unsigned long int index;
(void) _BitScanReverse(&index, x);
return (1U << (index + 1));
}
#elif defined(HAVE_BUILTIN_CLZ)
if (x > (UINT_MAX >> 1)) {
return 0;
}
return (1U << (sizeof(x) * CHAR_BIT - __builtin_clz(x)));
#else
{
unsigned int shift;
for (shift = 1; shift < sizeof(x) * CHAR_BIT; shift <<= 1) {
x |= (x >> shift);
}
}
return (x + 1);
#endif
}
unsigned long long next_power_of_2_long_long(unsigned long long x)
{
if (x <= 1) {
return 1;
}
x--;
#if (defined(HAVE_BITSCANREVERSE) && \
ULLONG_MAX == 18446744073709551615ULL)
if (x > (ULLONG_MAX >> 1)) {
return 0;
} else {
/* assert(sizeof(__int64) == sizeof(long long)); */
unsigned long int index;
(void) _BitScanReverse64(&index, x);
return (1ULL << (index + 1));
}
#elif defined(HAVE_BUILTIN_CLZ)
if (x > (ULLONG_MAX >> 1)) {
return 0;
}
return (1ULL << (sizeof(x) * CHAR_BIT - __builtin_clzll(x)));
#else
{
unsigned int shift;
for (shift = 1; shift < sizeof(x) * CHAR_BIT; shift <<= 1) {
x |= (x >> shift);
}
}
return (x + 1);
#endif
}
