C语言中有效的位反转算法(从MSB-> LSB到LSB-> MSB)


243

实现以下目的的最有效算法是:

0010 0000 => 0000 0100

转换是从MSB-> LSB到LSB-> MSB。所有位都必须反转;也就是说,这不是字节序交换。


1
我认为适当的名称是按位运算。
Kredns

5
我认为您的意思是逆转,而不是轮换。
朱利诺

2
大多数ARM处理器对此都有内置的操作。ARM Cortex-M0没有,我发现使用每字节表交换位是最快的方法。
starblue 2014年

2
另请参阅Sean Eron Anderson的《Bit Twiddling Hacks》
jww 2015年

2
请定义“最佳”
Lee Taylor

Answers:


497

注意:以下所有算法均使用C语言,但应可移植到您选择的语言中(当它们不那么快时,请不要看着我:)

选件

低内存(32位int,32位计算机)(从此处开始):

unsigned int
reverse(register unsigned int x)
{
    x = (((x & 0xaaaaaaaa) >> 1) | ((x & 0x55555555) << 1));
    x = (((x & 0xcccccccc) >> 2) | ((x & 0x33333333) << 2));
    x = (((x & 0xf0f0f0f0) >> 4) | ((x & 0x0f0f0f0f) << 4));
    x = (((x & 0xff00ff00) >> 8) | ((x & 0x00ff00ff) << 8));
    return((x >> 16) | (x << 16));

}

从著名的Bit Twiddling Hacks页面

最快(查找表)

static const unsigned char BitReverseTable256[] = 
{
  0x00, 0x80, 0x40, 0xC0, 0x20, 0xA0, 0x60, 0xE0, 0x10, 0x90, 0x50, 0xD0, 0x30, 0xB0, 0x70, 0xF0, 
  0x08, 0x88, 0x48, 0xC8, 0x28, 0xA8, 0x68, 0xE8, 0x18, 0x98, 0x58, 0xD8, 0x38, 0xB8, 0x78, 0xF8, 
  0x04, 0x84, 0x44, 0xC4, 0x24, 0xA4, 0x64, 0xE4, 0x14, 0x94, 0x54, 0xD4, 0x34, 0xB4, 0x74, 0xF4, 
  0x0C, 0x8C, 0x4C, 0xCC, 0x2C, 0xAC, 0x6C, 0xEC, 0x1C, 0x9C, 0x5C, 0xDC, 0x3C, 0xBC, 0x7C, 0xFC, 
  0x02, 0x82, 0x42, 0xC2, 0x22, 0xA2, 0x62, 0xE2, 0x12, 0x92, 0x52, 0xD2, 0x32, 0xB2, 0x72, 0xF2, 
  0x0A, 0x8A, 0x4A, 0xCA, 0x2A, 0xAA, 0x6A, 0xEA, 0x1A, 0x9A, 0x5A, 0xDA, 0x3A, 0xBA, 0x7A, 0xFA,
  0x06, 0x86, 0x46, 0xC6, 0x26, 0xA6, 0x66, 0xE6, 0x16, 0x96, 0x56, 0xD6, 0x36, 0xB6, 0x76, 0xF6, 
  0x0E, 0x8E, 0x4E, 0xCE, 0x2E, 0xAE, 0x6E, 0xEE, 0x1E, 0x9E, 0x5E, 0xDE, 0x3E, 0xBE, 0x7E, 0xFE,
  0x01, 0x81, 0x41, 0xC1, 0x21, 0xA1, 0x61, 0xE1, 0x11, 0x91, 0x51, 0xD1, 0x31, 0xB1, 0x71, 0xF1,
  0x09, 0x89, 0x49, 0xC9, 0x29, 0xA9, 0x69, 0xE9, 0x19, 0x99, 0x59, 0xD9, 0x39, 0xB9, 0x79, 0xF9, 
  0x05, 0x85, 0x45, 0xC5, 0x25, 0xA5, 0x65, 0xE5, 0x15, 0x95, 0x55, 0xD5, 0x35, 0xB5, 0x75, 0xF5,
  0x0D, 0x8D, 0x4D, 0xCD, 0x2D, 0xAD, 0x6D, 0xED, 0x1D, 0x9D, 0x5D, 0xDD, 0x3D, 0xBD, 0x7D, 0xFD,
  0x03, 0x83, 0x43, 0xC3, 0x23, 0xA3, 0x63, 0xE3, 0x13, 0x93, 0x53, 0xD3, 0x33, 0xB3, 0x73, 0xF3, 
  0x0B, 0x8B, 0x4B, 0xCB, 0x2B, 0xAB, 0x6B, 0xEB, 0x1B, 0x9B, 0x5B, 0xDB, 0x3B, 0xBB, 0x7B, 0xFB,
  0x07, 0x87, 0x47, 0xC7, 0x27, 0xA7, 0x67, 0xE7, 0x17, 0x97, 0x57, 0xD7, 0x37, 0xB7, 0x77, 0xF7, 
  0x0F, 0x8F, 0x4F, 0xCF, 0x2F, 0xAF, 0x6F, 0xEF, 0x1F, 0x9F, 0x5F, 0xDF, 0x3F, 0xBF, 0x7F, 0xFF
};

unsigned int v; // reverse 32-bit value, 8 bits at time
unsigned int c; // c will get v reversed

// Option 1:
c = (BitReverseTable256[v & 0xff] << 24) | 
    (BitReverseTable256[(v >> 8) & 0xff] << 16) | 
    (BitReverseTable256[(v >> 16) & 0xff] << 8) |
    (BitReverseTable256[(v >> 24) & 0xff]);

// Option 2:
unsigned char * p = (unsigned char *) &v;
unsigned char * q = (unsigned char *) &c;
q[3] = BitReverseTable256[p[0]]; 
q[2] = BitReverseTable256[p[1]]; 
q[1] = BitReverseTable256[p[2]]; 
q[0] = BitReverseTable256[p[3]];

您可以将此想法扩展到64位int,或以内存为代价进行交换(假设您的L1数据高速缓存足够大),并使用64K条目查找表一次反转16位。


其他

简单

unsigned int v;     // input bits to be reversed
unsigned int r = v & 1; // r will be reversed bits of v; first get LSB of v
int s = sizeof(v) * CHAR_BIT - 1; // extra shift needed at end

for (v >>= 1; v; v >>= 1)
{   
  r <<= 1;
  r |= v & 1;
  s--;
}
r <<= s; // shift when v's highest bits are zero

更快(32位处理器)

unsigned char b = x;
b = ((b * 0x0802LU & 0x22110LU) | (b * 0x8020LU & 0x88440LU)) * 0x10101LU >> 16; 

更快(64位处理器)

unsigned char b; // reverse this (8-bit) byte
b = (b * 0x0202020202ULL & 0x010884422010ULL) % 1023;

如果要在32位上执行此操作int,只需反转每个字节中的位,然后反转字节的顺序即可。那是:

unsigned int toReverse;
unsigned int reversed;
unsigned char inByte0 = (toReverse & 0xFF);
unsigned char inByte1 = (toReverse & 0xFF00) >> 8;
unsigned char inByte2 = (toReverse & 0xFF0000) >> 16;
unsigned char inByte3 = (toReverse & 0xFF000000) >> 24;
reversed = (reverseBits(inByte0) << 24) | (reverseBits(inByte1) << 16) | (reverseBits(inByte2) << 8) | (reverseBits(inByte3);

结果

我对两个最有前途的解决方案进行了基准测试,即查找表和按位与(第一个)。测试机器是一台笔记本电脑,带有4GB DDR2-800和一个Core 2 Duo T7500 @ 2.4GHz,4MB L2缓存;YMMV。我用过gcc在64位Linux上 4.3.2。OpenMP(和GCC绑定)用于高分辨率计时器。

反向

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <omp.h>

unsigned int
reverse(register unsigned int x)
{
    x = (((x & 0xaaaaaaaa) >> 1) | ((x & 0x55555555) << 1));
    x = (((x & 0xcccccccc) >> 2) | ((x & 0x33333333) << 2));
    x = (((x & 0xf0f0f0f0) >> 4) | ((x & 0x0f0f0f0f) << 4));
    x = (((x & 0xff00ff00) >> 8) | ((x & 0x00ff00ff) << 8));
    return((x >> 16) | (x << 16));

}

int main()
{
    unsigned int *ints = malloc(100000000*sizeof(unsigned int));
    unsigned int *ints2 = malloc(100000000*sizeof(unsigned int));
    for(unsigned int i = 0; i < 100000000; i++)
      ints[i] = rand();

    unsigned int *inptr = ints;
    unsigned int *outptr = ints2;
    unsigned int *endptr = ints + 100000000;
    // Starting the time measurement
    double start = omp_get_wtime();
    // Computations to be measured
    while(inptr != endptr)
    {
      (*outptr) = reverse(*inptr);
      inptr++;
      outptr++;
    }
    // Measuring the elapsed time
    double end = omp_get_wtime();
    // Time calculation (in seconds)
    printf("Time: %f seconds\n", end-start);

    free(ints);
    free(ints2);

    return 0;
}

reverse_lookup.c

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <omp.h>

static const unsigned char BitReverseTable256[] = 
{
  0x00, 0x80, 0x40, 0xC0, 0x20, 0xA0, 0x60, 0xE0, 0x10, 0x90, 0x50, 0xD0, 0x30, 0xB0, 0x70, 0xF0, 
  0x08, 0x88, 0x48, 0xC8, 0x28, 0xA8, 0x68, 0xE8, 0x18, 0x98, 0x58, 0xD8, 0x38, 0xB8, 0x78, 0xF8, 
  0x04, 0x84, 0x44, 0xC4, 0x24, 0xA4, 0x64, 0xE4, 0x14, 0x94, 0x54, 0xD4, 0x34, 0xB4, 0x74, 0xF4, 
  0x0C, 0x8C, 0x4C, 0xCC, 0x2C, 0xAC, 0x6C, 0xEC, 0x1C, 0x9C, 0x5C, 0xDC, 0x3C, 0xBC, 0x7C, 0xFC, 
  0x02, 0x82, 0x42, 0xC2, 0x22, 0xA2, 0x62, 0xE2, 0x12, 0x92, 0x52, 0xD2, 0x32, 0xB2, 0x72, 0xF2, 
  0x0A, 0x8A, 0x4A, 0xCA, 0x2A, 0xAA, 0x6A, 0xEA, 0x1A, 0x9A, 0x5A, 0xDA, 0x3A, 0xBA, 0x7A, 0xFA,
  0x06, 0x86, 0x46, 0xC6, 0x26, 0xA6, 0x66, 0xE6, 0x16, 0x96, 0x56, 0xD6, 0x36, 0xB6, 0x76, 0xF6, 
  0x0E, 0x8E, 0x4E, 0xCE, 0x2E, 0xAE, 0x6E, 0xEE, 0x1E, 0x9E, 0x5E, 0xDE, 0x3E, 0xBE, 0x7E, 0xFE,
  0x01, 0x81, 0x41, 0xC1, 0x21, 0xA1, 0x61, 0xE1, 0x11, 0x91, 0x51, 0xD1, 0x31, 0xB1, 0x71, 0xF1,
  0x09, 0x89, 0x49, 0xC9, 0x29, 0xA9, 0x69, 0xE9, 0x19, 0x99, 0x59, 0xD9, 0x39, 0xB9, 0x79, 0xF9, 
  0x05, 0x85, 0x45, 0xC5, 0x25, 0xA5, 0x65, 0xE5, 0x15, 0x95, 0x55, 0xD5, 0x35, 0xB5, 0x75, 0xF5,
  0x0D, 0x8D, 0x4D, 0xCD, 0x2D, 0xAD, 0x6D, 0xED, 0x1D, 0x9D, 0x5D, 0xDD, 0x3D, 0xBD, 0x7D, 0xFD,
  0x03, 0x83, 0x43, 0xC3, 0x23, 0xA3, 0x63, 0xE3, 0x13, 0x93, 0x53, 0xD3, 0x33, 0xB3, 0x73, 0xF3, 
  0x0B, 0x8B, 0x4B, 0xCB, 0x2B, 0xAB, 0x6B, 0xEB, 0x1B, 0x9B, 0x5B, 0xDB, 0x3B, 0xBB, 0x7B, 0xFB,
  0x07, 0x87, 0x47, 0xC7, 0x27, 0xA7, 0x67, 0xE7, 0x17, 0x97, 0x57, 0xD7, 0x37, 0xB7, 0x77, 0xF7, 
  0x0F, 0x8F, 0x4F, 0xCF, 0x2F, 0xAF, 0x6F, 0xEF, 0x1F, 0x9F, 0x5F, 0xDF, 0x3F, 0xBF, 0x7F, 0xFF
};

int main()
{
    unsigned int *ints = malloc(100000000*sizeof(unsigned int));
    unsigned int *ints2 = malloc(100000000*sizeof(unsigned int));
    for(unsigned int i = 0; i < 100000000; i++)
      ints[i] = rand();

    unsigned int *inptr = ints;
    unsigned int *outptr = ints2;
    unsigned int *endptr = ints + 100000000;
    // Starting the time measurement
    double start = omp_get_wtime();
    // Computations to be measured
    while(inptr != endptr)
    {
    unsigned int in = *inptr;  

    // Option 1:
    //*outptr = (BitReverseTable256[in & 0xff] << 24) | 
    //    (BitReverseTable256[(in >> 8) & 0xff] << 16) | 
    //    (BitReverseTable256[(in >> 16) & 0xff] << 8) |
    //    (BitReverseTable256[(in >> 24) & 0xff]);

    // Option 2:
    unsigned char * p = (unsigned char *) &(*inptr);
    unsigned char * q = (unsigned char *) &(*outptr);
    q[3] = BitReverseTable256[p[0]]; 
    q[2] = BitReverseTable256[p[1]]; 
    q[1] = BitReverseTable256[p[2]]; 
    q[0] = BitReverseTable256[p[3]];

      inptr++;
      outptr++;
    }
    // Measuring the elapsed time
    double end = omp_get_wtime();
    // Time calculation (in seconds)
    printf("Time: %f seconds\n", end-start);

    free(ints);
    free(ints2);

    return 0;
}

我在几种不同的优化条件下尝试了这两种方法,在每个级别上进行了3次试验,每个试验都随机抽取了1亿个样本unsigned ints。对于查找表选项,我尝试了按位hacks页面上给出的两种方案(选项1和2)。结果如下所示。

按位与

mrj10@mjlap:~/code$ gcc -fopenmp -std=c99 -o reverse reverse.c
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse
Time: 2.000593 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse
Time: 1.938893 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse
Time: 1.936365 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ gcc -fopenmp -std=c99 -O2 -o reverse reverse.c
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse
Time: 0.942709 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse
Time: 0.991104 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse
Time: 0.947203 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ gcc -fopenmp -std=c99 -O3 -o reverse reverse.c
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse
Time: 0.922639 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse
Time: 0.892372 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse
Time: 0.891688 seconds

查找表(选项1)

mrj10@mjlap:~/code$ gcc -fopenmp -std=c99 -o reverse_lookup reverse_lookup.c
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.201127 seconds              
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.196129 seconds              
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.235972 seconds              
mrj10@mjlap:~/code$ gcc -fopenmp -std=c99 -O2 -o reverse_lookup reverse_lookup.c
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 0.633042 seconds              
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 0.655880 seconds              
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 0.633390 seconds              
mrj10@mjlap:~/code$ gcc -fopenmp -std=c99 -O3 -o reverse_lookup reverse_lookup.c
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 0.652322 seconds              
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 0.631739 seconds              
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 0.652431 seconds  

查找表(选项2)

mrj10@mjlap:~/code$ gcc -fopenmp -std=c99 -o reverse_lookup reverse_lookup.c
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.671537 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.688173 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.664662 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ gcc -fopenmp -std=c99 -O2 -o reverse_lookup reverse_lookup.c
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.049851 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.048403 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.085086 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ gcc -fopenmp -std=c99 -O3 -o reverse_lookup reverse_lookup.c
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.082223 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.053431 seconds
mrj10@mjlap:~/code$ ./reverse_lookup
Time: 1.081224 seconds

结论

使用带有选项1的查找表如果您担心性能(字节寻址很慢)。如果您需要从系统中挤出内存的最后一个字节(并且您可能会关心位反转的性能),那么按位“与”方法的优化版本也不会太差劲。

警告

是的,我知道基准代码是一个完整的技巧。我们非常欢迎有关如何改进它的建议。我知道的事情:

  • 我无权使用ICC。这可能会更快(如果可以测试,请在评论中回复)。
  • 在一些具有较大L1D的现代微体系结构上,使用64K查找表可能效果很好。
  • -mtune = native不适用于-O2 / -O3(ld炸毁了一些疯狂的符号重新定义错误),因此我不相信为我的微体系结构调整生成的代码。
  • 使用SSE可能有一种更快的方法。我不知道该怎么做,但是有了快速复制,按位AND打包以及繁琐的指令,总有一些东西。
  • 我知道只有足够多的x86组件很危险。这是在-O3上为选项1生成的代码GCC,因此比我本人更了解的人可以查看一下:

32位

.L3:
movl    (%r12,%rsi), %ecx
movzbl  %cl, %eax
movzbl  BitReverseTable256(%rax), %edx
movl    %ecx, %eax
shrl    $24, %eax
mov     %eax, %eax
movzbl  BitReverseTable256(%rax), %eax
sall    $24, %edx
orl     %eax, %edx
movzbl  %ch, %eax
shrl    $16, %ecx
movzbl  BitReverseTable256(%rax), %eax
movzbl  %cl, %ecx
sall    $16, %eax
orl     %eax, %edx
movzbl  BitReverseTable256(%rcx), %eax
sall    $8, %eax
orl     %eax, %edx
movl    %edx, (%r13,%rsi)
addq    $4, %rsi
cmpq    $400000000, %rsi
jne     .L3

编辑:我也尝试uint64_t在计算机上使用类型,以查看是否有任何性能提升。性能比32位快大约10%,无论您是一次使用64位类型一次反转两个32位int类型上的位,还是实际上反转了64 位类型的一半,性能几乎都相同。位值。汇编代码如下所示(对于前一种情况,一次反转两种32位int类型的位):

.L3:
movq    (%r12,%rsi), %rdx
movq    %rdx, %rax
shrq    $24, %rax
andl    $255, %eax
movzbl  BitReverseTable256(%rax), %ecx
movzbq  %dl,%rax
movzbl  BitReverseTable256(%rax), %eax
salq    $24, %rax
orq     %rax, %rcx
movq    %rdx, %rax
shrq    $56, %rax
movzbl  BitReverseTable256(%rax), %eax
salq    $32, %rax
orq     %rax, %rcx
movzbl  %dh, %eax
shrq    $16, %rdx
movzbl  BitReverseTable256(%rax), %eax
salq    $16, %rax
orq     %rax, %rcx
movzbq  %dl,%rax
shrq    $16, %rdx
movzbl  BitReverseTable256(%rax), %eax
salq    $8, %rax
orq     %rax, %rcx
movzbq  %dl,%rax
shrq    $8, %rdx
movzbl  BitReverseTable256(%rax), %eax
salq    $56, %rax
orq     %rax, %rcx
movzbq  %dl,%rax
shrq    $8, %rdx
movzbl  BitReverseTable256(%rax), %eax
andl    $255, %edx
salq    $48, %rax
orq     %rax, %rcx
movzbl  BitReverseTable256(%rdx), %eax
salq    $40, %rax
orq     %rax, %rcx
movq    %rcx, (%r13,%rsi)
addq    $8, %rsi
cmpq    $400000000, %rsi
jne     .L3

2
-1为过于详细和透彻的帖子。j / k。+1。
mpen

8
这是一个有趣的练习,即使不是那么令人满意。如果没有别的,我希望看到这个过程对可能想要对一些更有价值的人进行基准测试的人具有建设性:)
Matt J

5
天哪!我想我已经发现...很可能是...一个真正的标本。我将不得不查阅我的文档,并做进一步的研究,但是有件事告诉我(上帝,救救我),这是迄今为止Stack Overflow迄今为止最伟大,最彻底和最有用的答案。甚至约翰·斯基特(John Skeet)都会感到震惊和感动!
zeboidlund 2012年

3
请记住,微基准测试的一个特殊缺陷(在许多其他基准中)是它倾向于人为地偏爱基于查找表的解决方案。由于基准测试是在循环中重复执行一个操作,因此通常会发现使用仅适合L1的查找表是最快的,因为每次都不会出现L1缓存,因此所有内容都会每次都到达L1。在实际用例中,该操作通常会与其他导致某些高速缓存压力的操作交织在一起。错过RAM所花费的时间可能比平常长10或100倍,但这在基准测试中被忽略。
BeeOnRope

2
结果是,如果两个解决方案很接近,我经常会选择非LUT解决方案(或LUT较小的解决方案),因为LUT在现实世界中的影响可能很严重。更好的办法是“现场”对每个解决方案进行基准测试-在实际应用中,该解决方案实际用于大型应用程序中。当然,我们并不总是有时间这样做,我们也不总是知道什么是现实的输入。
BeeOnRope

80

该线程引起了我的注意,因为它处理的是一个简单的问题,即使对于现代CPU来说,也需要大量工作(CPU周期)。有一天,我也遇到了同样的¤#%“#”问题。我不得不翻转数百万个字节。但是我知道我所有的目标系统都是基于Intel的现代系统,所以让我们开始进行优化!!!

因此,我使用了Matt J的查找代码作为基础。我基准测试的系统是i7 haswell 4700eq。

Matt J的查找位翻转4000亿个字节:约0.272秒。

然后,我继续尝试查看英特尔的ISPC编译器是否可以反向执行矢量运算。c。

我不会在这里烦恼我的发现,因为我做了很多尝试来帮助编译器查找内容,无论如何,我最终获得了大约0.15秒的性能来翻转400000000字节。这是一个很大的减少,但是对于我的应用程序来说仍然太慢了。

所以人们让我展示世界上最快的基于Intel的bitflipper。时钟在:

翻转400000000字节的时间:0.050082秒!!!!!

// Bitflip using AVX2 - The fastest Intel based bitflip in the world!!
// Made by Anders Cedronius 2014 (anders.cedronius (you know what) gmail.com)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <omp.h>

using namespace std;

#define DISPLAY_HEIGHT  4
#define DISPLAY_WIDTH   32
#define NUM_DATA_BYTES  400000000

// Constants (first we got the mask, then the high order nibble look up table and last we got the low order nibble lookup table)
__attribute__ ((aligned(32))) static unsigned char k1[32*3]={
        0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,0x0f,
        0x00,0x08,0x04,0x0c,0x02,0x0a,0x06,0x0e,0x01,0x09,0x05,0x0d,0x03,0x0b,0x07,0x0f,0x00,0x08,0x04,0x0c,0x02,0x0a,0x06,0x0e,0x01,0x09,0x05,0x0d,0x03,0x0b,0x07,0x0f,
        0x00,0x80,0x40,0xc0,0x20,0xa0,0x60,0xe0,0x10,0x90,0x50,0xd0,0x30,0xb0,0x70,0xf0,0x00,0x80,0x40,0xc0,0x20,0xa0,0x60,0xe0,0x10,0x90,0x50,0xd0,0x30,0xb0,0x70,0xf0
};

// The data to be bitflipped (+32 to avoid the quantization out of memory problem)
__attribute__ ((aligned(32))) static unsigned char data[NUM_DATA_BYTES+32]={};

extern "C" {
void bitflipbyte(unsigned char[],unsigned int,unsigned char[]);
}

int main()
{

    for(unsigned int i = 0; i < NUM_DATA_BYTES; i++)
    {
        data[i] = rand();
    }

    printf ("\r\nData in(start):\r\n");
    for (unsigned int j = 0; j < 4; j++)
    {
        for (unsigned int i = 0; i < DISPLAY_WIDTH; i++)
        {
            printf ("0x%02x,",data[i+(j*DISPLAY_WIDTH)]);
        }
        printf ("\r\n");
    }

    printf ("\r\nNumber of 32-byte chunks to convert: %d\r\n",(unsigned int)ceil(NUM_DATA_BYTES/32.0));

    double start_time = omp_get_wtime();
    bitflipbyte(data,(unsigned int)ceil(NUM_DATA_BYTES/32.0),k1);
    double end_time = omp_get_wtime();

    printf ("\r\nData out:\r\n");
    for (unsigned int j = 0; j < 4; j++)
    {
        for (unsigned int i = 0; i < DISPLAY_WIDTH; i++)
        {
            printf ("0x%02x,",data[i+(j*DISPLAY_WIDTH)]);
        }
        printf ("\r\n");
    }
    printf("\r\n\r\nTime to bitflip %d bytes: %f seconds\r\n\r\n",NUM_DATA_BYTES, end_time-start_time);

    // return with no errors
    return 0;
}

printf用于调试。

这是主力军:

bits 64
global bitflipbyte

bitflipbyte:    
        vmovdqa     ymm2, [rdx]
        add         rdx, 20h
        vmovdqa     ymm3, [rdx]
        add         rdx, 20h
        vmovdqa     ymm4, [rdx]
bitflipp_loop:
        vmovdqa     ymm0, [rdi] 
        vpand       ymm1, ymm2, ymm0 
        vpandn      ymm0, ymm2, ymm0 
        vpsrld      ymm0, ymm0, 4h 
        vpshufb     ymm1, ymm4, ymm1 
        vpshufb     ymm0, ymm3, ymm0         
        vpor        ymm0, ymm0, ymm1
        vmovdqa     [rdi], ymm0
        add     rdi, 20h
        dec     rsi
        jnz     bitflipp_loop
        ret

该代码占用32个字节,然后掩盖了半字节。高半字节右移4。然后我将vpshufb和ymm4 / ymm3用作查找表。我可以使用单个查找表,但是随后我必须先向左移动,然后再对四字节进行“或”运算。

甚至还有更快的方式来翻转位。但是我只能使用单线程和CPU,所以这是我能达到的最快速度。您可以制作一个更快的版本吗?

请不要对使用英特尔C / C ++编译器固有等效命令发表评论...


2
您应该为此获得更多的赞誉。我知道这应该是可行的pshub,因为毕竟最好的popcount也可以做到!如果不适合您,我会在这里写的。荣誉
Iwillnotexist Idonotexist 2015年

3
谢谢!'popcnt'是我的另一个最喜欢的主题;)查看我的BMI2版本:result = __ tzcnt_u64(〜_pext_u64(data [i],data [i])));
Anders Cedronius

3
命名asm文件:bitflip_asm.s然后:yasm -f elf64 bitflip_asm.s命名c文件:bitflip.c然后:g ++ -fopenmp bitflip.c bitflip_asm.o -o bitflip就是这样。
Anders Cedronius '16

4
英特尔CPU具有的执行单元popcnttzcnt以及pext所有端口1.所以每次pexttzcnt成本你popcnt吞吐量。如果您的数据在L1D高速缓存中很热,则在AVX2 pshufb上对英特尔CPU进行阵列计数的最快方法是。(Ryzen每时钟popcnt吞吐量有4个,因此可能是最佳的,但是Bulldozer系列每4个时钟popcnt r64,r64吞吐量有一个... agner.org/optimize)。
彼得·科德斯

4
我自己正在使用内部版本。但是,当我回答问题时,我发布了我所拥有的内容,并且从以前的文章中知道,一旦我编写汇编器,总会聪明地指出我应该在内部函数中做到这一点。当我开发程​​序时,我会先编写汇编程序,然后,当我喜欢结果时,我会转向内在函数。就是我..当我只有“测试”汇编程序版本时,我刚好发布了答案。
安德斯·塞德罗尼乌斯

16

对于喜欢递归的人来说,这是另一种解决方案。

这个想法很简单。将输入除以一半,交换两半,继续直到达到单比特。

Illustrated in the example below.

Ex : If Input is 00101010   ==> Expected output is 01010100

1. Divide the input into 2 halves 
    0010 --- 1010

2. Swap the 2 Halves
    1010     0010

3. Repeat the same for each half.
    10 -- 10 ---  00 -- 10
    10    10      10    00

    1-0 -- 1-0 --- 1-0 -- 0-0
    0 1    0 1     0 1    0 0

Done! Output is 01010100

这是一个递归函数来解决。(请注意,我使用了无符号整数,因此它可以用于最大为sizeof(unsigned int)* 8位的输入。

递归函数采用2个参数-需要反转其位的值以及该值中的位数。

int reverse_bits_recursive(unsigned int num, unsigned int numBits)
{
    unsigned int reversedNum;;
    unsigned int mask = 0;

    mask = (0x1 << (numBits/2)) - 1;

    if (numBits == 1) return num;
    reversedNum = reverse_bits_recursive(num >> numBits/2, numBits/2) |
                   reverse_bits_recursive((num & mask), numBits/2) << numBits/2;
    return reversedNum;
}

int main()
{
    unsigned int reversedNum;
    unsigned int num;

    num = 0x55;
    reversedNum = reverse_bits_recursive(num, 8);
    printf ("Bit Reversal Input = 0x%x Output = 0x%x\n", num, reversedNum);

    num = 0xabcd;
    reversedNum = reverse_bits_recursive(num, 16);
    printf ("Bit Reversal Input = 0x%x Output = 0x%x\n", num, reversedNum);

    num = 0x123456;
    reversedNum = reverse_bits_recursive(num, 24);
    printf ("Bit Reversal Input = 0x%x Output = 0x%x\n", num, reversedNum);

    num = 0x11223344;
    reversedNum = reverse_bits_recursive(num,32);
    printf ("Bit Reversal Input = 0x%x Output = 0x%x\n", num, reversedNum);
}

这是输出:

Bit Reversal Input = 0x55 Output = 0xaa
Bit Reversal Input = 0xabcd Output = 0xb3d5
Bit Reversal Input = 0x123456 Output = 0x651690
Bit Reversal Input = 0x11223344 Output = 0x22cc4488

这种方法是否无法在24位示例(第3个)上使用?我对C和按位运算符不太熟悉,但是从您对该方法的解释中,我猜是24-> 12-> 6-> 3(3位不均匀地拆分)。正如numBitsint一样,当您将3乘以2除以函数param时,它将舍入为1?
布伦南

13

好吧,这肯定不会像Matt J那样回答,但希望它仍然有用。

size_t reverse(size_t n, unsigned int bytes)
{
    __asm__("BSWAP %0" : "=r"(n) : "0"(n));
    n >>= ((sizeof(size_t) - bytes) * 8);
    n = ((n & 0xaaaaaaaaaaaaaaaa) >> 1) | ((n & 0x5555555555555555) << 1);
    n = ((n & 0xcccccccccccccccc) >> 2) | ((n & 0x3333333333333333) << 2);
    n = ((n & 0xf0f0f0f0f0f0f0f0) >> 4) | ((n & 0x0f0f0f0f0f0f0f0f) << 4);
    return n;
}

这与Matt的最佳算法完全相同,只是有一条称为BSWAP的小指令可以交换64位数字的字节(而不是位)。所以b7,b6,b5,b4,b3,b2,b1,b0变成b0,b1,b2,b3,b4,b5,b6,b7。由于我们使用的是32位数字,因此需要将字节交换的数字下移32位。这就剩下了交换每个字节的8位的任务,瞧!我们完成了。

时间:在我的机器上,Matt的算法每次试用运行时间约为0.52秒。每次审判,矿井跑了大约0.42秒。我认为速度提高20%还不错。

如果您担心指令BSWAP的可用性,那么Wikipedia会将BSSWAP指令添加为1989年推出的80846。在我的机器上的情况下,它仅适用于64位寄存器。

此方法对于任何整数数据类型都将同样有效,因此可以通过传递所需的字节数来简化该方法:

    size_t reverse(size_t n, unsigned int bytes)
    {
        __asm__("BSWAP %0" : "=r"(n) : "0"(n));
        n >>= ((sizeof(size_t) - bytes) * 8);
        n = ((n & 0xaaaaaaaaaaaaaaaa) >> 1) | ((n & 0x5555555555555555) << 1);
        n = ((n & 0xcccccccccccccccc) >> 2) | ((n & 0x3333333333333333) << 2);
        n = ((n & 0xf0f0f0f0f0f0f0f0) >> 4) | ((n & 0x0f0f0f0f0f0f0f0f) << 4);
        return n;
    }

然后可以这样称呼:

    n = reverse(n, sizeof(char));//only reverse 8 bits
    n = reverse(n, sizeof(short));//reverse 16 bits
    n = reverse(n, sizeof(int));//reverse 32 bits
    n = reverse(n, sizeof(size_t));//reverse 64 bits

编译器应该能够优化掉多余的参数(假设编译器内联了函数),并且对于这种sizeof(size_t)情况,右移将被完全消除。请注意,如果GCC至少已通过,则无法删除BSWAP并向右移动sizeof(char)


2
根据英特尔指令集参考卷2A(intel.com/content/www/us/en/processors/…),有两条BSWAP指令:BSWAP r32(在32位寄存器上工作),编码为0F C8 + rd和BSWAP r64(适用于64位寄存器),其编码为REX.W + 0F C8 + rd。
Nubok

您说它可以像这样使用:“ n = reverse(n,sizeof(size_t)); // reverse 64 bits”但是,除非所有常量都扩展到64bit,否则它只会给出32bits的结果。
rajkosto

@rajkosto为C的++ 11个允许的类型整数常量的包括unsigned long long int其必须至少为64位,如每这里这里
SirGuy

好?我只是说,如果要对64位值进行处理,则必须扩展文字(例如,它们为0xf0f0f0f0f0f0f0f0f0ull),否则结果的高32位将全部为0。
rajkosto

@rajkosto啊,我误解了您的第一条评论,现在我已经解决了
SirGuy

13

Anders Cedronius的答案为拥有x86 CPU和AVX2支持的人们提供了一个很好的解决方案。对于不支持AVX的x86平台或非x86平台,以下两种实现方式都应该可以正常工作。

第一个代码是经典二进制分区方法的一种变体,其编码目的是最大限度地利用对各种ARM处理器有用的shift-plus-logic习惯用法。此外,它使用动态掩码生成,这对于RISC处理器可能是有益的,否则该RISC处理器需要多个指令来加载每个32位掩码值。x86平台的编译器应使用常量传播在编译时而不是运行时计算所有掩码。

/* Classic binary partitioning algorithm */
inline uint32_t brev_classic (uint32_t a)
{
    uint32_t m;
    a = (a >> 16) | (a << 16);                            // swap halfwords
    m = 0x00ff00ff; a = ((a >> 8) & m) | ((a << 8) & ~m); // swap bytes
    m = m^(m << 4); a = ((a >> 4) & m) | ((a << 4) & ~m); // swap nibbles
    m = m^(m << 2); a = ((a >> 2) & m) | ((a << 2) & ~m);
    m = m^(m << 1); a = ((a >> 1) & m) | ((a << 1) & ~m);
    return a;
}

在“计算机程序设计的艺术”第4A卷中,D。Knuth展示了一种巧妙的方式来反转位,这令人惊讶地比传统的二进制分区算法需要更少的操作。我在TAOCP中找不到这种针对32位操作数的算法,该文档在Hacker's Delight网站上显示。

/* Knuth's algorithm from http://www.hackersdelight.org/revisions.pdf. Retrieved 8/19/2015 */
inline uint32_t brev_knuth (uint32_t a)
{
    uint32_t t;
    a = (a << 15) | (a >> 17);
    t = (a ^ (a >> 10)) & 0x003f801f; 
    a = (t + (t << 10)) ^ a;
    t = (a ^ (a >>  4)) & 0x0e038421; 
    a = (t + (t <<  4)) ^ a;
    t = (a ^ (a >>  2)) & 0x22488842; 
    a = (t + (t <<  2)) ^ a;
    return a;
}

使用Intel编译器C / C ++编译器13.1.3.198,以上两个函数都可以自动向量化,从而很好地定位 XMM寄存器。也可以手动将其矢量化,而无需付出很多努力。

在我的IvyBridge Xeon E3 1270v2上,使用自动矢量化代码,uint32_t使用0.070秒brev_classic()和使用0.068秒,对1亿个单词进行了位反转brev_knuth()。我注意确保基准不受系统内存带宽的限制。


2
@JoelSnyder我假设您主要指的是“很多魔术数字” brev_knuth()?“黑客的喜悦”中PDF的归属似乎表明这些数字直接来自Knuth本人。我不能声称已经充分理解了Knuth对TAOCP中基本设计原理的描述,以解释常数的派生方式,或者对于任意字长如何推导常数和移位因子。
njuffa

8

假设您有一个位数组,该如何做:1.从MSB开始,将位逐个推入堆栈。2.将堆栈中的位弹出到另一个数组(如果要节省空间,则弹出同一数组),将第一个弹出的位放到MSB中,然后从那里继续删除低位。

Stack stack = new Stack();
Bit[] bits = new Bit[] { 0, 0, 1, 0, 0, 0, 0, 0 };

for (int i = 0; i < bits.Length; i++) 
{
    stack.push(bits[i]);
}

for (int i = 0; i < bits.Length; i++)
{
    bits[i] = stack.pop();
}

3
这一次让我微笑:)我很乐意看到这个C#解决方案的基准对我上述优化C.概述的之一
马特Ĵ

大声笑...但是,嘿!“最佳算法”中的形容词“最佳”是一个很主观的东西:D
Frederick The Fool

7

本机ARM指令“ rbit”可以用1个cpu周期和1个额外的cpu寄存器来完成此操作,这是不可能的。


6

对于人类来说,这不是没有工作! ...但是非常适合一台机器

这是2015年,距第一次提出此问题已有6年。此后,编译器已成为我们的主人,而我们作为人类的工作只是帮助他们。那么,向机器传达意图的最佳方法是什么?

比特反转是如此普遍,以至于您不得不怀疑为什么x86不断增长的ISA没有包含一次性执行指令。

原因是:如果您将真正的简洁意图提供给编译器,则位反转仅需要大约20个CPU周期。让我向您展示如何制作reverse()并使用它:

#include <inttypes.h>
#include <stdio.h>

uint64_t reverse(const uint64_t n,
                 const uint64_t k)
{
        uint64_t r, i;
        for (r = 0, i = 0; i < k; ++i)
                r |= ((n >> i) & 1) << (k - i - 1);
        return r;
}

int main()
{
        const uint64_t size = 64;
        uint64_t sum = 0;
        uint64_t a;
        for (a = 0; a < (uint64_t)1 << 30; ++a)
                sum += reverse(a, size);
        printf("%" PRIu64 "\n", sum);
        return 0;
}

使用Clang版本> = 3.6,-O3,-march = native(已通过Haswell测试)编译此示例程序,使用新的AVX2指令提供了具有艺术品品质的代码,运行时长为11秒,可处理约10亿个reverse()。每个reverse()约为10 ns,假设2 GHz的CPU周期为0.5 ns,则我们处于20个CPU周期之内。

  • 对于单个大型阵列,一次访问RAM所需的时间可以容纳10个reverse()!
  • 您可以在两次访问L2缓存LUT的时间中放入1 reverse()。

警告:此示例代码应作为一个不错的基准保持数年,但一旦编译器足够聪明地优化main()以便仅打印最终结果而不真正计算任何内容,它将最终开始显示其年龄。但是现在它可以用来展示reverse()。


Bit-reversal is so common...我不知道 我几乎每天都在使用处理比特级数据的代码,而我从未想起曾经有这种特定需求。在什么情况下需要?-并不是说它本身不是一个有趣的问题。
500-内部服务器错误

@ 500-InternalServerError我最终在语法推断中需要多次使用快速,简洁的数据结构来使用此功能。编码为位数组的普通二叉树最终以“大端”顺序推断语法。但是,为了更好地概括,如果您构建一个树(位数组),并通过位反转排列交换节点,则学习到的语法字符串应为“小端”。该切换允许您推断可变长度的字符串,而不是固定的整数大小。这种情况也会在高效FFT中大量出现:请参见en.wikipedia.org/wiki/Bit-reversal_permutation

1
谢谢,我设法以某种方式直觉到您的回答可能涉及FFT :)
500-内部服务器错误

为什么只有20个周期?哪个架构?在人类和后裔消失之前,未来的所有超宽VLIW架构都是如此吗?只是问题,没有答案……再次下地狱
Quonux


5

我知道这不是C,而是asm:

var1 dw 0f0f0
clc
     push ax
     push cx
     mov cx 16
loop1:
     shl var1
     shr ax
loop loop1
     pop ax
     pop cx

这适用于进位位,因此您也可以保存标志


1
我猜您可以使用asm关键字,这会非常快。
汤姆

这甚至行不通。我认为您想rcl将CF转换为var1,而不是shl不读取标志的。(或 adc dx,dx)。即使有了该修复程序,使用慢速loop指令并保留var1在内存中,这仍然是非常可笑的!实际上,我认为这应该在AX中产生输出,但是它会在结果之上保存/恢复AX的旧值。
彼得·科德斯

4

以低内存和最快的速度实现。

private Byte  BitReverse(Byte bData)
    {
        Byte[] lookup = { 0, 8,  4, 12, 
                          2, 10, 6, 14 , 
                          1, 9,  5, 13,
                          3, 11, 7, 15 };
        Byte ret_val = (Byte)(((lookup[(bData & 0x0F)]) << 4) + lookup[((bData & 0xF0) >> 4)]);
        return ret_val;
    }

4

嗯,这基本上与第一个“ reverse()”相同,但它是64位,只需要一个立即掩码即可从指令流中加载。GCC创建的代码没有跳转,因此这应该非常快。

#include <stdio.h>

static unsigned long long swap64(unsigned long long val)
{
#define ZZZZ(x,s,m) (((x) >>(s)) & (m)) | (((x) & (m))<<(s));
/* val = (((val) >>16) & 0xFFFF0000FFFF) | (((val) & 0xFFFF0000FFFF)<<16); */

val = ZZZZ(val,32,  0x00000000FFFFFFFFull );
val = ZZZZ(val,16,  0x0000FFFF0000FFFFull );
val = ZZZZ(val,8,   0x00FF00FF00FF00FFull );
val = ZZZZ(val,4,   0x0F0F0F0F0F0F0F0Full );
val = ZZZZ(val,2,   0x3333333333333333ull );
val = ZZZZ(val,1,   0x5555555555555555ull );

return val;
#undef ZZZZ
}

int main(void)
{
unsigned long long val, aaaa[16] =
 { 0xfedcba9876543210,0xedcba9876543210f,0xdcba9876543210fe,0xcba9876543210fed
 , 0xba9876543210fedc,0xa9876543210fedcb,0x9876543210fedcba,0x876543210fedcba9
 , 0x76543210fedcba98,0x6543210fedcba987,0x543210fedcba9876,0x43210fedcba98765
 , 0x3210fedcba987654,0x210fedcba9876543,0x10fedcba98765432,0x0fedcba987654321
 };
unsigned iii;

for (iii=0; iii < 16; iii++) {
    val = swap64 (aaaa[iii]);
    printf("A[]=%016llX Sw=%016llx\n", aaaa[iii], val);
    }
return 0;
}

4

我很好奇明显的原始旋转有多快。在我的机器(i7 @ 2600)上,平均1,500,150,000次迭代为27.28 ns(在131,071个64位整数的随机集合上)。

优点:所需的内存量很少,并且代码简单。我要说的也不是很大。对于任何输入,所需的时间都是可预测且恒定的(128个算术SHIFT运算+ 64逻辑AND运算+ 64逻辑OR运算)。

我将@Matt J获得的最佳时间进行了比较-他得到了公认的答案。如果我正确地阅读了他的答案,那么他得到的最好结果0.631739就是1,000,000迭代的秒数,这导致631 ns每转的平均值。

我使用的代码段如下所示:

unsigned long long reverse_long(unsigned long long x)
{
    return (((x >> 0) & 1) << 63) |
           (((x >> 1) & 1) << 62) |
           (((x >> 2) & 1) << 61) |
           (((x >> 3) & 1) << 60) |
           (((x >> 4) & 1) << 59) |
           (((x >> 5) & 1) << 58) |
           (((x >> 6) & 1) << 57) |
           (((x >> 7) & 1) << 56) |
           (((x >> 8) & 1) << 55) |
           (((x >> 9) & 1) << 54) |
           (((x >> 10) & 1) << 53) |
           (((x >> 11) & 1) << 52) |
           (((x >> 12) & 1) << 51) |
           (((x >> 13) & 1) << 50) |
           (((x >> 14) & 1) << 49) |
           (((x >> 15) & 1) << 48) |
           (((x >> 16) & 1) << 47) |
           (((x >> 17) & 1) << 46) |
           (((x >> 18) & 1) << 45) |
           (((x >> 19) & 1) << 44) |
           (((x >> 20) & 1) << 43) |
           (((x >> 21) & 1) << 42) |
           (((x >> 22) & 1) << 41) |
           (((x >> 23) & 1) << 40) |
           (((x >> 24) & 1) << 39) |
           (((x >> 25) & 1) << 38) |
           (((x >> 26) & 1) << 37) |
           (((x >> 27) & 1) << 36) |
           (((x >> 28) & 1) << 35) |
           (((x >> 29) & 1) << 34) |
           (((x >> 30) & 1) << 33) |
           (((x >> 31) & 1) << 32) |
           (((x >> 32) & 1) << 31) |
           (((x >> 33) & 1) << 30) |
           (((x >> 34) & 1) << 29) |
           (((x >> 35) & 1) << 28) |
           (((x >> 36) & 1) << 27) |
           (((x >> 37) & 1) << 26) |
           (((x >> 38) & 1) << 25) |
           (((x >> 39) & 1) << 24) |
           (((x >> 40) & 1) << 23) |
           (((x >> 41) & 1) << 22) |
           (((x >> 42) & 1) << 21) |
           (((x >> 43) & 1) << 20) |
           (((x >> 44) & 1) << 19) |
           (((x >> 45) & 1) << 18) |
           (((x >> 46) & 1) << 17) |
           (((x >> 47) & 1) << 16) |
           (((x >> 48) & 1) << 15) |
           (((x >> 49) & 1) << 14) |
           (((x >> 50) & 1) << 13) |
           (((x >> 51) & 1) << 12) |
           (((x >> 52) & 1) << 11) |
           (((x >> 53) & 1) << 10) |
           (((x >> 54) & 1) << 9) |
           (((x >> 55) & 1) << 8) |
           (((x >> 56) & 1) << 7) |
           (((x >> 57) & 1) << 6) |
           (((x >> 58) & 1) << 5) |
           (((x >> 59) & 1) << 4) |
           (((x >> 60) & 1) << 3) |
           (((x >> 61) & 1) << 2) |
           (((x >> 62) & 1) << 1) |
           (((x >> 63) & 1) << 0);
}

@greybeard我不确定我是否理解您的问题。
玛丽安·亚当

感谢您注意到错误,我修复了提供的代码示例。
玛丽安·亚当

3

您可能要使用标准模板库。它可能比上面提到的代码慢。但是,在我看来,它更清晰,更容易理解。

 #include<bitset>
 #include<iostream>


 template<size_t N>
 const std::bitset<N> reverse(const std::bitset<N>& ordered)
 {
      std::bitset<N> reversed;
      for(size_t i = 0, j = N - 1; i < N; ++i, --j)
           reversed[j] = ordered[i];
      return reversed;
 };


 // test the function
 int main()
 {
      unsigned long num; 
      const size_t N = sizeof(num)*8;

      std::cin >> num;
      std::cout << std::showbase << std::hex;
      std::cout << "ordered  = " << num << std::endl;
      std::cout << "reversed = " << reverse<N>(num).to_ulong()  << std::endl;
      std::cout << "double_reversed = " << reverse<N>(reverse<N>(num)).to_ulong() << std::endl;  
 }

2

泛型

C代码。以1字节输入数据num为例。

    unsigned char num = 0xaa;   // 1010 1010 (aa) -> 0101 0101 (55)
    int s = sizeof(num) * 8;    // get number of bits
    int i, x, y, p;
    int var = 0;                // make var data type to be equal or larger than num

    for (i = 0; i < (s / 2); i++) {
        // extract bit on the left, from MSB
        p = s - i - 1;
        x = num & (1 << p);
        x = x >> p;
        printf("x: %d\n", x);

        // extract bit on the right, from LSB
        y = num & (1 << i);
        y = y >> i;
        printf("y: %d\n", y);

        var = var | (x << i);       // apply x
        var = var | (y << p);       // apply y
    }

    printf("new: 0x%x\n", new);

这个问题要求“最有效”,而不是“简单/直接”。
彼得·科德斯

1

怎么样:

    uint reverseMSBToLSB32ui(uint input)
    {
        uint output = 0x00000000;
        uint toANDVar = 0;
        int places = 0;

        for (int i = 1; i < 32; i++)
        {
            places = (32 - i);
            toANDVar = (uint)(1 << places);
            output |= (uint)(input & (toANDVar)) >> places;

        }


        return output;
    }

小巧易用(不过,仅32位)。


这个问题要求“最有效”;我们可以排除循环32次。(特别是不要移动遮罩以及必须将结果向下移动到LSB)
Peter Cordes

1

我认为这是逆转位的最简单方法之一。请让我知道此逻辑是否存在任何缺陷。基本上按照这种逻辑,我们检查位的值。如果反转位置的值为1,则设置该位。

void bit_reverse(ui32 *data)
{
  ui32 temp = 0;    
  ui32 i, bit_len;    
  {    
   for(i = 0, bit_len = 31; i <= bit_len; i++)   
   {    
    temp |= (*data & 1 << i)? (1 << bit_len-i) : 0;    
   }    
   *data = temp;    
  }    
  return;    
}    

这个问题要求“最有效”,而不是“简单/直接”。
彼得·科德斯

0
unsigned char ReverseBits(unsigned char data)
{
    unsigned char k = 0, rev = 0;

    unsigned char n = data;

    while(n)

    {
        k = n & (~(n - 1));
        n &= (n - 1);
        rev |= (128 / k);
    }
    return rev;
}

有趣,但是用运行时变量进行除数很慢。 k总是2的幂,但是编译器可能不会证明这一点并将其转换为位扫描/移位。
彼得·科德斯

0

我认为我知道最简单的方法。MSB是输入,LSB是“反向”输出:

unsigned char rev(char MSB) {
    unsigned char LSB=0;  // for output
    _FOR(i,0,8) {
        LSB= LSB << 1;
        if(MSB&1) LSB = LSB | 1;
        MSB= MSB >> 1;
    }
    return LSB;
}

//    It works by rotating bytes in opposite directions. 
//    Just repeat for each byte.

0
// Purpose: to reverse bits in an unsigned short integer 
// Input: an unsigned short integer whose bits are to be reversed
// Output: an unsigned short integer with the reversed bits of the input one
unsigned short ReverseBits( unsigned short a )
{
     // declare and initialize number of bits in the unsigned short integer
     const char num_bits = sizeof(a) * CHAR_BIT;

     // declare and initialize bitset representation of integer a
     bitset<num_bits> bitset_a(a);          

     // declare and initialize bitset representation of integer b (0000000000000000)
     bitset<num_bits> bitset_b(0);                  

     // declare and initialize bitset representation of mask (0000000000000001)
     bitset<num_bits> mask(1);          

     for ( char i = 0; i < num_bits; ++i )
     {
          bitset_b = (bitset_b << 1) | bitset_a & mask;
          bitset_a >>= 1;
     }

     return (unsigned short) bitset_b.to_ulong();
}

void PrintBits( unsigned short a )
{
     // declare and initialize bitset representation of a
     bitset<sizeof(a) * CHAR_BIT> bitset(a);

     // print out bits
     cout << bitset << endl;
}


// Testing the functionality of the code

int main ()
{
     unsigned short a = 17, b;

     cout << "Original: "; 
     PrintBits(a);

     b = ReverseBits( a );

     cout << "Reversed: ";
     PrintBits(b);
}

// Output:
Original: 0000000000010001
Reversed: 1000100000000000

0

另一个基于循环的解决方案,当数量较少时会快速退出(在C ++中为多种类型)

template<class T>
T reverse_bits(T in) {
    T bit = static_cast<T>(1) << (sizeof(T) * 8 - 1);
    T out;

    for (out = 0; bit && in; bit >>= 1, in >>= 1) {
        if (in & 1) {
            out |= bit;
        }
    }
    return out;
}

或用C表示一个无符号的int

unsigned int reverse_bits(unsigned int in) {
    unsigned int bit = 1u << (sizeof(T) * 8 - 1);
    unsigned int out;

    for (out = 0; bit && in; bit >>= 1, in >>= 1) {
        if (in & 1)
            out |= bit;
    }
    return out;
}

0

似乎还有许多其他帖子都在关注速度(即最佳=最快)。那么简单呢?考虑:

char ReverseBits(char character) {
    char reversed_character = 0;
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        char ith_bit = (c >> i) & 1;
        reversed_character |= (ith_bit << (sizeof(char) - 1 - i));
    }
    return reversed_character;
}

并希望聪明的编译器能够为您优化。

如果要反转更长的位列表(包含sizeof(char) * n位),可以使用此函数获取:

void ReverseNumber(char* number, int bit_count_in_number) {
    int bytes_occupied = bit_count_in_number / sizeof(char);      

    // first reverse bytes
    for (int i = 0; i <= (bytes_occupied / 2); i++) {
        swap(long_number[i], long_number[n - i]);
    }

    // then reverse bits of each individual byte
    for (int i = 0; i < bytes_occupied; i++) {
         long_number[i] = ReverseBits(long_number[i]);
    }
}

这会将[10000000,10101010]反转为[01010101,00000001]。


您在内部循环中有3个班次。用保存ith_bit = (c >> i) & 1。还可以通过移位reversed_char而不是移位来保存SUB ,除非您希望它将在x86上编译为sub something/ bts reg,reg以将目标寄存器中的第n位设置为SUB 。
彼得·科德斯

-1

伪代码中的位反转

源->要反转的字节b00101100目标->反转,也需要是无符号类型,因此不会向下传播符号位

复制到临时文件中以使原始文件不受影响,也需要为无符号类型,以使符号位不会自动移入

bytecopy = b0010110

LOOP8://进行8次测试,如果bytecopy <0(负)

    set bit8 (msb) of reversed = reversed | b10000000 

else do not set bit8

shift bytecopy left 1 place
bytecopy = bytecopy << 1 = b0101100 result

shift result right 1 place
reversed = reversed >> 1 = b00000000
8 times no then up^ LOOP8
8 times yes then done.

-1

我的简单解决方案

BitReverse(IN)
    OUT = 0x00;
    R = 1;      // Right mask   ...0000.0001
    L = 0;      // Left mask    1000.0000...
    L = ~0; 
    L = ~(i >> 1);
    int size = sizeof(IN) * 4;  // bit size

    while(size--){
        if(IN & L) OUT = OUT | R; // start from MSB  1000.xxxx
        if(IN & R) OUT = OUT | L; // start from LSB  xxxx.0001
        L = L >> 1;
        R = R << 1; 
    }
    return OUT;

1
什么i啊 另外,那个魔法常数是* 4什么?是CHAR_BIT / 2
彼得·科德斯

-1

这是32位,如果考虑8位,则需要更改大小。

    void bitReverse(int num)
    {
        int num_reverse = 0;
        int size = (sizeof(int)*8) -1;
        int i=0,j=0;
        for(i=0,j=size;i<=size,j>=0;i++,j--)
        {
            if((num >> i)&1)
            {
                num_reverse = (num_reverse | (1<<j));
            }
        }
        printf("\n rev num = %d\n",num_reverse);
    }

以LSB-> MSB的顺序读取输入整数“ num”,并以MSB-> LSB的顺序存储在num_reverse中。


1
您应该在代码中添加解释,以便于理解。
8:51的Tunaki

-3
int bit_reverse(int w, int bits)
{
    int r = 0;
    for (int i = 0; i < bits; i++)
    {
        int bit = (w & (1 << i)) >> i;
        r |= bit << (bits - i - 1);
    }
    return r;
}

3
通常,如果答案包括对代码打算做什么以及为什么可以解决问题的解释,则答案会更有帮助。
IKavanagh
By using our site, you acknowledge that you have read and understand our Cookie Policy and Privacy Policy.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.