Как посчитать количество установленных бит в 32-битном целом числе?

Question

8 битов, представляющих число 7, выглядят так:

00000111

Три бита установлены.

Что такое алгоритмы для определения количества установленных бит в 32-разрядном целом числе?

Answer 1

, если вы используете C ++, другой вариант - использовать метапрограммирование шаблона:

// 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;
}

использование будет:

// 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 )

Вы, конечно, могли бы расширить этот шаблон, чтобы использовать разные типы (даже автоматически определяемый размер битов), но для простоты я оставил его простым.

edit: забыл упомянуть, что это хорошо, потому что он должен работать в любом компиляторе C ++, и он просто развертывает ваш цикл для вас, если для счетчика битов используется постоянное значение (другими словами, я уверен, что это самый быстрый общий метод, который вы найдете)

Answer 2

Я написал быстрый макрос подсчета битов для машин RISC примерно в 1990 году. Он не использует расширенную арифметику (умножение, деление,%), выборки памяти (слишком медленные), ветвления (слишком медленные), но он предполагает CPU имеет 32-разрядный сдвиг барреля (другими словами, >> 1 и >> 32 занимают одинаковое количество циклов.) Предполагается, что небольшие константы (например, 6, 12, 24) ничего не стоят для загрузки в регистры, или хранятся во временных хранилищах и используются снова и снова.

С этими допущениями он рассчитывает 32 бита в 16 циклах / инструкциях на большинстве машин RISC. Обратите внимание, что 15 инструкций / циклов близки к нижней границе числа циклов или инструкций, потому что кажется, что требуется по крайней мере 3 инструкции (маска, сдвиг, оператор), чтобы сократить количество добавлений пополам, поэтому log_2 (32) = 5, 5 x 3 = 15 инструкций - это квази-нижняя граница.

#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;

Вот секрет первого и самого сложного шага:

input output
AB    CD             Note
00    00             = AB
01    01             = AB
10    01             = AB - (A >> 1) & 0x1
11    10             = AB - (A >> 1) & 0x1

поэтому, если я возьму 1-й столбец (A) выше, сдвину его вправо на 1 бит и вычту его из AB, я получу вывод (CD). Расширение до 3 бит аналогично; если хотите, вы можете проверить это с помощью булевой таблицы с 8 строками, как у меня выше.

• Дон Джиллис

Answer 3

Java JDK1.5

Integer.bitCount (п);

где n - число, чьи 1 должны быть подсчитаны.

проверьте также,

Integer.highestOneBit(n);
Integer.lowestOneBit(n);
Integer.numberOfLeadingZeros(n);
Integer.numberOfTrailingZeros(n);

//Beginning with the value 1, rotate left 16 times
     n = 1;
         for (int i = 0; i < 16; i++) {
            n = Integer.rotateLeft(n, 1);
            System.out.println(n);
         }

Answer 4

Мне особенно нравится этот пример из файла состояния:

#define BITCOUNT(x)    (((BX_(x)+(BX_(x)>>4)) & 0x0F0F0F0F) % 255)
#define BX_(x)         ((x) - (((x)>>1)&0x77777777)
                             - (((x)>>2)&0x33333333)
                             - (((x)>>3)&0x11111111))

Мне нравится больше всего, потому что это так красиво!

Answer 5

Я нашел реализацию подсчета битов в массиве с использованием инструкции SIMD (SSSE3 и AVX2). Он имеет в 2-2,5 раза лучшую производительность, чем при использовании встроенной функции __popcnt64.

SSSE3 версия:

#include <smmintrin.h>
#include <stdint.h>

const __m128i Z = _mm_set1_epi8(0x0);
const __m128i F = _mm_set1_epi8(0xF);
//Vector with pre-calculated bit count:
const __m128i T = _mm_setr_epi8(0, 1, 1, 2, 1, 2, 2, 3, 1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4);

uint64_t BitCount(const uint8_t * src, size_t size)
{
    __m128i _sum =  _mm128_setzero_si128();
    for (size_t i = 0; i < size; i += 16)
    {
        //load 16-byte vector
        __m128i _src = _mm_loadu_si128((__m128i*)(src + i));
        //get low 4 bit for every byte in vector
        __m128i lo = _mm_and_si128(_src, F);
        //sum precalculated value from T
        _sum = _mm_add_epi64(_sum, _mm_sad_epu8(Z, _mm_shuffle_epi8(T, lo)));
        //get high 4 bit for every byte in vector
        __m128i hi = _mm_and_si128(_mm_srli_epi16(_src, 4), F);
        //sum precalculated value from T
        _sum = _mm_add_epi64(_sum, _mm_sad_epu8(Z, _mm_shuffle_epi8(T, hi)));
    }
    uint64_t sum[2];
    _mm_storeu_si128((__m128i*)sum, _sum);
    return sum[0] + sum[1];
}

AVX2 версия:

#include <immintrin.h>
#include <stdint.h>

const __m256i Z = _mm256_set1_epi8(0x0);
const __m256i F = _mm256_set1_epi8(0xF);
//Vector with pre-calculated bit count:
const __m256i T = _mm256_setr_epi8(0, 1, 1, 2, 1, 2, 2, 3, 1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 
                                   0, 1, 1, 2, 1, 2, 2, 3, 1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4);

uint64_t BitCount(const uint8_t * src, size_t size)
{
    __m256i _sum =  _mm256_setzero_si256();
    for (size_t i = 0; i < size; i += 32)
    {
        //load 32-byte vector
        __m256i _src = _mm256_loadu_si256((__m256i*)(src + i));
        //get low 4 bit for every byte in vector
        __m256i lo = _mm256_and_si256(_src, F);
        //sum precalculated value from T
        _sum = _mm256_add_epi64(_sum, _mm256_sad_epu8(Z, _mm256_shuffle_epi8(T, lo)));
        //get high 4 bit for every byte in vector
        __m256i hi = _mm256_and_si256(_mm256_srli_epi16(_src, 4), F);
        //sum precalculated value from T
        _sum = _mm256_add_epi64(_sum, _mm256_sad_epu8(Z, _mm256_shuffle_epi8(T, hi)));
    }
    uint64_t sum[4];
    _mm256_storeu_si256((__m256i*)sum, _sum);
    return sum[0] + sum[1] + sum[2] + sum[3];
}

Answer 6

Я всегда использую это в конкурентном программировании, и его легко написать и эффективно:

#include <bits/stdc++.h>

using namespace std;

int countOnes(int n) {
    bitset<32> b(n);
    return b.count();
}

Answer 7

Вот переносной модуль (ANSI-C), который может тестировать каждый из ваших алгоритмов на любой архитектуре.

Ваш процессор имеет 9-битные байты? Нет проблем :-) На данный момент он реализует 2 алгоритма, алгоритм K & R и таблицу побайтного поиска. Таблица поиска в среднем в 3 раза быстрее алгоритма K & R. Если кто-то может придумать способ сделать алгоритм «Хакерского восторга» переносимым, не стесняйтесь добавить его.

#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

Answer 8

Быстрое решение C # с использованием предварительно рассчитанной таблицы подсчета битов с разветвлением на входном размере.

public static class BitCount
{
    public static uint GetSetBitsCount(uint n)
    {
        var counts = BYTE_BIT_COUNTS;
        return n <= 0xff ? counts[n]
             : n <= 0xffff ? counts[n & 0xff] + counts[n >> 8]
             : n <= 0xffffff ? counts[n & 0xff] + counts[(n >> 8) & 0xff] + counts[(n >> 16) & 0xff]
             : counts[n & 0xff] + counts[(n >> 8) & 0xff] + counts[(n >> 16) & 0xff] + counts[(n >> 24) & 0xff];
    }

    public static readonly uint[] BYTE_BIT_COUNTS = 
    {
        0, 1, 1, 2, 1, 2, 2, 3, 1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4,
        1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
        1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
        1, 2, 2, 3, 2, 3, 3, 4, 2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
        2, 3, 3, 4, 3, 4, 4, 5, 3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6,
        3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
        3, 4, 4, 5, 4, 5, 5, 6, 4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7,
        4, 5, 5, 6, 5, 6, 6, 7, 5, 6, 6, 7, 6, 7, 7, 8
    };
}

Answer 9

Есть много алгоритмов для подсчета установленных битов; но я думаю, что лучший - быстрее! Вы можете увидеть подробности на этой странице:

Битовые трюки

Я предлагаю это:

Подсчет битов, установленных в 14, 24 или 32-битных словах с использованием 64-битных инструкций

unsigned int v; // count the number of bits set in v
unsigned int c; // c accumulates the total bits set in v

// option 1, for at most 14-bit values in v:
c = (v * 0x200040008001ULL & 0x111111111111111ULL) % 0xf;

// option 2, for at most 24-bit values in v:
c =  ((v & 0xfff) * 0x1001001001001ULL & 0x84210842108421ULL) % 0x1f;
c += (((v & 0xfff000) >> 12) * 0x1001001001001ULL & 0x84210842108421ULL) 
     % 0x1f;

// option 3, for at most 32-bit values in v:
c =  ((v & 0xfff) * 0x1001001001001ULL & 0x84210842108421ULL) % 0x1f;
c += (((v & 0xfff000) >> 12) * 0x1001001001001ULL & 0x84210842108421ULL) % 
     0x1f;
c += ((v >> 24) * 0x1001001001001ULL & 0x84210842108421ULL) % 0x1f;

Для этого метода требуется 64-битный процессор с быстрым делением по модулю. Первый вариант занимает всего 3 операции; второй вариант занимает 10; а третий вариант занимает 15.

Answer 10

32-бит или нет? Я только пришел с этим методом на Java после прочтения " взлома интервью по кодированию ", 4-е издание, упражнение 5.5 (глава 5: Битовая манипуляция). Если младший значащий бит равен 1 приращению count, то сдвиг вправо целого числа.

public static int bitCount( int n){
    int count = 0;
    for (int i=n; i!=0; i = i >> 1){
        count += i & 1;
    }
    return count;
}

Я думаю, что это более интуитивно, чем решения с константой 0x33333333, независимо от того, насколько они быстры. Это зависит от вашего определения «лучший алгоритм».