今天我需要一个简单的算法来检查一个数字是否是2的幂。
该算法需要:
简单的
适用于任何ulong值。
我想出了这个简单的算法:
private bool IsPowerOfTwo(ulong number)
{
if (number == 0)
return false;
for (ulong power = 1; power > 0; power = power << 1)
{
// This for loop used shifting for powers of 2, meaning
// that the value will become 0 after the last shift
// (from binary 1000...0000 to 0000...0000) then, the 'for'
// loop will break out.
if (power == number)
return true;
if (power > number)
return false;
}
return false;
}
但后来我想:如何检查log2x是否恰好是一个整数呢?当我检查2^63+1时，Math.Log()因为四舍五入而返回恰好63。我检查了2的63次方是否等于原来的数，结果是正确的，因为计算是双倍的，而不是精确的数字。
private bool IsPowerOfTwo_2(ulong number)
{
double log = Math.Log(number, 2);
double pow = Math.Pow(2, Math.Round(log));
return pow == number;
}
这对于给定的错误值返回true: 9223372036854775809。
有没有更好的算法?
在C中，我测试了I && !(I & (I - 1)技巧，并将其与__builtin_popcount(I)进行比较，在Linux上使用gcc，使用-mpopcnt标志，以确保使用CPU的POPCNT指令。我的测试程序计算了0到2^31之间2的幂的整数个数。
起初，我认为I && !(I & (I - 1)快10%，即使我验证了在我使用__builtin_popcount的反汇编中使用了POPCNT。
然而，我意识到我已经包含了一个if语句，分支预测可能在位旋转版本上做得更好。我删除了if和POPCNT，结果更快，正如预期的那样。
结果:
英特尔(R)酷睿(TM) i7-4771 CPU最大3.90GHz
Timing (i & !(i & (i - 1))) trick
30
real 0m13.804s
user 0m13.799s
sys 0m0.000s
Timing POPCNT
30
real 0m11.916s
user 0m11.916s
sys 0m0.000s
AMD Ryzen Threadripper 2950X 16核处理器最大3.50GHz
Timing (i && !(i & (i - 1))) trick
30
real 0m13.675s
user 0m13.673s
sys 0m0.000s
Timing POPCNT
30
real 0m13.156s
user 0m13.153s
sys 0m0.000s
请注意，这里英特尔的CPU似乎比AMD的比特旋转稍慢，但有一个更快的POPCNT;AMD的POPCNT没有提供这么多的提升。
popcnt_test.c:
#include "stdio.h"
// Count # of integers that are powers of 2 up to 2^31;
int main() {
int n;
for (int z = 0; z < 20; z++){
n = 0;
for (unsigned long i = 0; i < 1<<30; i++) {
#ifdef USE_POPCNT
n += (__builtin_popcount(i)==1); // Was: if (__builtin_popcount(i) == 1) n++;
#else
n += (i && !(i & (i - 1))); // Was: if (i && !(i & (i - 1))) n++;
#endif
}
}
printf("%d\n", n);
return 0;
}
运行测试:
gcc popcnt_test.c -O3 -o test.exe
gcc popcnt_test.c -O3 -DUSE_POPCNT -mpopcnt -o test-popcnt.exe
echo "Timing (i && !(i & (i - 1))) trick"
time ./test.exe
echo
echo "Timing POPCNT"
time ./test-opt.exe
解决这个问题有一个简单的技巧:
bool IsPowerOfTwo(ulong x)
{
return (x & (x - 1)) == 0;
}
注意，这个函数对于0报告为真，因为0不是2的幂。如果你想排除这种情况，以下是方法:
bool IsPowerOfTwo(ulong x)
{
return (x != 0) && ((x & (x - 1)) == 0);
}
解释
首先，MSDN定义中的按位二进制&运算符:
二进制和操作符是为整型和bool类型预定义的。为
整型，&计算其操作数的逻辑位与。
对于bool操作数，&计算其操作数的逻辑与;那
Is，当且仅当它的两个操作数都为真时，结果为真。
现在让我们来看看这一切是如何发生的:
该函数返回布尔值(true / false)，并接受一个unsigned long类型的传入参数(在本例中为x)。为了简单起见，让我们假设有人传递了值4，并像这样调用函数:
bool b = IsPowerOfTwo(4)
现在我们将x的每一次出现都替换为4:
return (4 != 0) && ((4 & (4-1)) == 0);
我们已经知道4 != 0的值为真，到目前为止还不错。但是:
((4 & (4-1)) == 0)
当然，这可以转化为:
((4 & 3) == 0)
但是4和3到底是什么呢?
4的二进制表示是100,3的二进制表示是011(记住&取这些数字的二进制表示)。所以我们有:
100 = 4
011 = 3
想象一下这些值像基本加法一样堆积起来。&运算符表示，如果两个值都等于1，则结果为1，否则为0。1 & 1 = 1,1 & 0 = 0,0 & 0 = 0, 0 & 1 = 0。我们来算算:
100
011
----
000
结果就是0。所以我们回过头来看看return语句现在转换成了什么:
return (4 != 0) && ((4 & 3) == 0);
现在翻译过来就是:
return true && (0 == 0);
return true && true;
我们都知道true && true就是true，这表明在我们的例子中，4是2的幂。
