面试系列8返回整数中为1的位数(优化版)

来源:软件水平考试    发布时间:2012-11-05    软件水平考试视频    评论

原题:
  write the function int bitcount(short input) that takes a short as input and
  returns an int.  the function returns the number of bits set in the input
  variable.  for instance:
  bitcount(7) --> 3
  bitcount(2543) --> 9
  bitcount(11111) --> 9
  该题在《面试系列1...》中有解答,网友一修指出了答案的缺点,并给出了另外一个效率极高的算法,非常感谢,贴出来跟大家分享。 
/*
 * 平均效率比较低,最坏情况要循环sizeof(x) * 8次。
 * 看看下面这个函数,是针对32位的,至于其它位数稍加修改就可以了。
 *
 * return number of bits set
 */
unsigned int bitcount32(unsigned int x)
{
    x = (x & 0x55555555ul) + ((x >> 1) & 0x55555555ul); // 0-2 in 2 bits
    x = (x & 0x33333333ul) + ((x >> 2) & 0x33333333ul); // 0-4 in 4 bits
#if 1
    // version 1
    x = (x & 0x0f0f0f0ful) + ((x >> 4) & 0x0f0f0f0ful); // 0-8 in 8 bits
    x = (x & 0x00ff00fful) + ((x >> 8) & 0x00ff00fful); // 0-16 in 16 bits
    x = (x & 0x0000fffful) + ((x >> 16) & 0x0000fffful); // 0-31 in 32 bits
    return x;
#else
    // version 2
    x = (x + (x >> 4)) & 0x0f0f0f0ful; // 0-8 in 4 bits
    x += x >> 8; // 0-16 in 8 bits
    x += x >> 16; // 0-32 in 8 bits
    return x & 0xff;
#endif
}
补充一下:
因为网友一修给出的代码中注释比较少,而精炼的代码又比较难理解,所以我来说说我的看法,如果有不对的地方,还请大家多多指导。
关于二进制数的理解,二进制数每一位只能为0和1,因此在这个地方,我们可以理解为每一位都可以表示该位中包含1的数目。
看第一行代码:x = (x & 0x55555555ul) + ((x >> 1) & 0x55555555ul);
5的二进制是 0101,当x & 0x55555555ul得出的结果是保留了0, 2, 4, 6 ... , 30 位的值,即 0, 2, 4, 6 ,... , 30 位中包含1的数目;那么自然可以理解(x >> 1) & 0x55555555ul得出的结果是保留了1, 3, 5, 7, ... , 31 位的值,即 1, 3, 5, 7, ..., 31 位中包含1的数目。把两者相加起来:
    xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx
  +0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101
------------------------------------------------------------------------
    0x0x 0x0x 0x0x 0x0x 0x0x 0x0x 0x0x 0x0x                            (这里的x即为x中 0, 2, 4, ... , 30 位的值)
 
    0xxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx xxxx
  +0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101 0101
------------------------------------------------------------------------
    0y0y 0y0y 0y0y 0y0y 0y0y 0y0y 0y0y 0y0y                            (这里的y即为x中 1, 3, 5 , ... , 31 位的值)
 
    0x0x 0x0x 0x0x 0x0x 0x0x 0x0x 0x0x 0x0x
  +0y0y 0y0y 0y0y 0y0y 0y0y 0y0y 0y0y 0y0y
------------------------------------------------------------------------
    zz zz zz zz zz zz zz zz
    可以把32位的x数每两位看成一个最小单元,x+y的值z即为这个两位最小单元中,1的个数。可以看出,巧妙地把两个加数种0的空间用来保存进位。那么到现在为止,我们就得到了数x中,每两位为最小单位,每两位中的数值表示着这两位中1的个数。
    依此类推,接下来我们用同样的方法计算以4位为最小单位,4位中的数值表示该4位中1的个数,即:x = (x & 0x33333333ul) + ((x >> 2) & 0x33333333ul);
    然后是 8位, 16位,当计算到以32位为最小单位,32位中的数值表示该32位中1的个数的时候,答案就揭晓了。
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