使用按位运算[n的基数2中的对数]求n = 2**x的指数

mac*_*mac 14 python primes bit-manipulation logarithm bitwise-operators

是否有一种直接的方法只使用按位运算从2的幂提取指数?

编辑:虽然这个问题最初是关于按位操作的,但如果你想知道" 在Python中给出Y = 2 X时找到X的最快方法什么,这个线程也很好读"**

我目前试图优化的例程(拉宾-米勒素性测试),以降低一个偶数 N的形式2**s * d.我可以得到这个2**s部分:

two_power_s = N & -N
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但我找不到用逐位运算来提取" s " 的方法.我目前正在测试的解决方法没有太多满足(它们都非常慢)是:

  • 使用对数函数
  • 操纵2**s的二进制表示(即计算尾随零)
  • 在除法上循环2,直到结果为1

我正在使用python,但我认为这个问题的答案应该是语言无关的.

Gre*_*ell 6

"语言不可知"和担心性能几乎是不相容的概念.

大多数现代处理器都有一个CLZ指令,"计数前导零".在GCC中,您可以使用__builtin_clz(x)(对于缺少clz的目标也生成合理的,如果不是最快的代码).请注意,此CLZ未定义为零,因此如果在您的应用程序中重要,则需要额外的分支来捕获该情况.

在CELT(http://celt-codec.org)中,我们用于缺少CLZ的编译器的无分支CLZ由Timothy B. Terriberry编写:


int ilog(uint32 _v){
  int ret;
  int m;
  ret=!!_v;
  m=!!(_v&0xFFFF0000)<<4;
  _v>>=m;
  ret|=m;
  m=!!(_v&0xFF00)<<3;
  _v>>=m;
  ret|=m;
  m=!!(_v&0xF0)<<2;
  _v>>=m;
  ret|=m;
  m=!!(_v&0xC)<<1;
  _v>>=m;
  ret|=m;
  ret+=!!(_v&0x2);
  return ret;
}
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(评论表明,这比分支版本和基于查找表的版本更快)

但是如果性能非常重要,那么你可能不应该在python中实现这部分代码.


mac*_*mac 5

简短的回答

就python而言:

  • 所有找到2**x指数的最快方法是查找散列为2的幂的字典(参见代码中的" hashlookup ")
  • 最快的按位方法是在一个叫" unrolled_bitwise ".
  • 以前的两种方法都有明确定义(但可扩展)的上限.没有硬编码上限最快方法(扩展到python可以处理数字)是" log_e ".

初步说明

  1. 下面的所有速度测量都是通过设置为3 获得的timeit.Timer.repeat(testn, cycles),并由脚本自动调整以获得秒范围内的时间(注意:这个自动调整机制中有一个错误已经修复了18/02/2010).testncycles
  2. 并非所有方法都可以扩展,这就是为什么我没有测试2的各种幂的所有函数
  3. 我没有设法使一些提议的方法工作(该函数返回错误的结果).我还没有做一个循序渐进的调试会话:我包含了代码(注释)以防有人通过检查发现错误(或者想要自己执行调试)

结果

功能(2 5)**

hashlookup:          0.13s     100%
lookup:              0.15s     109%
stringcount:         0.29s     220%
unrolled_bitwise:    0.36s     272%
log_e:               0.60s     450%
bitcounter:          0.64s     479%
log_2:               0.69s     515%
ilog:                0.81s     609%
bitwise:             1.10s     821%
olgn:                1.42s    1065%
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func(2 31)**

hashlookup:          0.11s     100%
unrolled_bitwise:    0.26s     229%
log_e:               0.30s     268%
stringcount:         0.30s     270%
log_2:               0.34s     301%
ilog:                0.41s     363%
bitwise:             0.87s     778%
olgn:                1.02s     912%
bitcounter:          1.42s    1264%
Run Code Online (Sandbox Code Playgroud)

func(2 128)**

hashlookup:     0.01s     100%
stringcount:    0.03s     264%
log_e:          0.04s     315%
log_2:          0.04s     383%
olgn:           0.18s    1585%
bitcounter:     1.41s   12393%
Run Code Online (Sandbox Code Playgroud)

func(2 1024)**

log_e:          0.00s     100%
log_2:          0.01s     118%
stringcount:    0.02s     354%
olgn:           0.03s     707%
bitcounter:     1.73s   37695%
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import math, sys

def stringcount(v):
    """mac"""    
    return len(bin(v)) - 3

def log_2(v):
    """mac"""    
    return int(round(math.log(v, 2), 0)) # 2**101 generates 100.999999999

def log_e(v):
    """bp on mac"""    
    return int(round(math.log(v)/0.69314718055994529, 0))  # 0.69 == log(2)

def bitcounter(v):
    """John Y on mac"""
    r = 0
    while v > 1 :
        v >>= 1
        r += 1
    return r

def olgn(n) :
    """outis"""
    if n < 1:
        return -1
    low = 0
    high = sys.getsizeof(n)*8 # not the best upper-bound guesstimate, but...
    while True:
        mid = (low+high)//2
        i = n >> mid
        if i == 1:
            return mid
        if i == 0:
            high = mid-1
        else:
            low = mid+1

def hashlookup(v):
    """mac on brone -- limit: v < 2**131"""
#    def prepareTable(max_log2=130) :
#        hash_table = {}
#        for p in range(1, max_log2) :
#            hash_table[2**p] = p
#        return hash_table

    global hash_table
    return hash_table[v] 

def lookup(v):
    """brone -- limit: v < 2**11"""
#    def prepareTable(max_log2=10) :
#        log2s_table=[0]*((1<<max_log2)+1)
#        for i in range(max_log2+1):
#            log2s_table[1<<i]=i
#        return tuple(log2s_table)

    global log2s_table
    return log2s_table[v]

def bitwise(v):
    """Mark Byers -- limit: v < 2**32"""
    b = (0x2, 0xC, 0xF0, 0xFF00, 0xFFFF0000)
    S = (1, 2, 4, 8, 16)
    r = 0
    for i in range(4, -1, -1) :
        if (v & b[i]) :
            v >>= S[i];
            r |= S[i];
    return r

def unrolled_bitwise(v):
    """x4u on Mark Byers -- limit:   v < 2**33"""
    r = 0;
    if v > 0xffff : 
        v >>= 16
        r = 16;
    if v > 0x00ff :
        v >>=  8
        r += 8;
    if v > 0x000f :
        v >>=  4
        r += 4;
    if v > 0x0003 : 
        v >>=  2
        r += 2;
    return r + (v >> 1)

def ilog(v):
    """Gregory Maxwell - (Original code: B. Terriberry) -- limit: v < 2**32"""
    ret = 1
    m = (not not v & 0xFFFF0000) << 4;
    v >>= m;
    ret |= m;
    m = (not not v & 0xFF00) << 3;
    v >>= m;
    ret |= m;
    m = (not not v & 0xF0) << 2;
    v >>= m;
    ret |= m;
    m = (not not v & 0xC) << 1;
    v >>= m;
    ret |= m;
    ret += (not not v & 0x2);
    return ret - 1;


# following table is equal to "return hashlookup.prepareTable()" 
hash_table = {...} # numbers have been cut out to avoid cluttering the post

# following table is equal to "return lookup.prepareTable()" - cached for speed
log2s_table = (...) # numbers have been cut out to avoid cluttering the post
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