1632
правки
Изменения
м
====Проверка на то, является ли число степенью двойки====
Пусть дано число <tex>x</tex>. Тогда, если результатом выражения <tex>(x\ \&\&\ !(x\ \&\ (x - 1)))</tex> является единица, то число <tex>x</tex> {{---}} степень двойки.
Правая часть выражения <tex>(!(x\ \&\ (x - 1)))</tex> будет равна единице только если число <tex>x</tex> равно <tex>0</tex> или является степенью двойки. Если число <tex>x</tex> является степенью двойки, то в двоичной системе счисления оно представляется следующим образом: <tex>1\underbrace{0\dots0}_{n}</tex>, где <tex>n</tex> {{---}} показатель степени. Соответственно, выражение <tex>(x - 1)</tex> будет иметь вид <tex>\underbrace{1\dots1}_{n}</tex>, и выражение <tex>x\ \&\ (x - 1)</tex> равно <tex>0</tex>.
Операция логического И в данном выражении отсекает тот случай, когда <tex>(x = 0)</tex> и не является степенью двойки, но при этом правая часть выражения <tex>(!(x\ \&\ (x - 1)))</tex> равна единице.
<font color = green>// в этом и следующих примерах в константе '''CHAR_BITint32''' getSign(x: '''int32''' хранится количество битов в одном байте</font>): '''if''' x != 0: mask = 1 '''else''': mask = 0
sign = '''return''' mask | (x >> (''sizeof''('''int''') * '''CHAR_BIT''' - 1)31) <font color = green>// результатом будет -1, 0, или +1 // для отрицательного, равного нулю и положительного числа x соответственно</font>
abs = '''int32''' abs2(x + mask: '''int32''') <tex>\oplus</tex> : mask <font color = greenx >// другой способ сделать то же самое:</font>31 abs = '''return''' (x <tex>\oplus</tex> + mask) - '''XOR''' mask
min = y + ((x - y) & ((x - y) >> (''sizeof'int16'''setBitsNumber(x: '''intint16''') * '''CHAR_BIT''' - : x = (x & 0x5555) + ((x >>> 1))& 0x5555) max x = (x - & 0x3333) + ((x - y>>> 2) & 0x3333) x = (x & 0x0F0F) + ((x - y) >> (> 4) & 0x0F0F) ''sizeof'return'('''int''') (x * '''CHAR_BIT''' - 1))0x0101)>>> 8
rollbackEdits.php mass rollback
===Побитовые сдвиги===
Операторы сдвига <tex>\texttt{<<}</tex> и <tex>\texttt{>>}</tex> сдвигают биты в переменной влево или вправо на указанное число. При этом на освободившиеся позиции устанавливаются нули (кроме сдвига вправо отрицательного числа, в этом случае на свободные позиции устанавливаются единицы, так как числа представляются в [[Представление целых чисел: прямой код, код со сдвигом, дополнительный код #Дополнительный код (дополнение до двух) | двоичном дополнительном коде]] и необходимо поддерживать знаковый бит).
Сдвиг влево может применяться для умножения числа на два, сдвиг вправо — для деления.
</code>
В языке программирования Java существует также оператор беззнакового битового сдвига вправо <tex>\texttt{>>>}</tex>. При использовании этого оператора на освободившиеся позиции всегда устанавливаются нули.
<code>
x = 7 <font color = green>// 00000111 (7)</font>
x = x << 5 <font color = green>// 11100000 (-32)</font>
x = x >>> 2 <font color = green>// 00111000 (56)</font>
</code>
==Применение==
===Сложные операции===
====Определение знака числа====
Пусть дано число <tex>x</tex>. Поскольку при сдвиге вправо на освобождающиеся позиции устанавливается бит знака, знак числа <tex>x</tex> можно определить, выполнив сдвиг вправо на всю длину переменной:
<code>
</code>
Используя побитовые операции можно также узнать, различны ли знаки двух переменных <tex>x</tex> и <tex>y</tex>. Если числа имеют различный знак, то результат операции XOR, произведенной над их знаковыми битами, будет единицей. Поэтому неравенство <tex>((x \oplus y) < 0</tex> будет верно в том случае, если числа <tex>x</tex> и <tex>y</tex> разного знака.
====Вычисление модуля числа без использования условного оператора====
Пусть дано число <tex>x</tex>. Если <tex>x</tex> положительно, то <tex>mask = 0</tex>, и <tex>(x + mask) \oplus mask = x</tex>. В случае, если <tex>x</tex> отрицательно, <tex>mask = -1</tex>. Тогда получается, что мы работаем с числом <tex>x</tex> так, как будто оно представлено в [[Представление целых чисел: прямой код, код со сдвигом, дополнительный код #Код со сдвигом |коде со сдвигом]] с тем отличием, что у нас знаковый бит принимает значение <tex>1</tex> для отрицательных чисел, а <tex>0</tex> {{---}} для положительных.
<code>
'''int32''' abs1(x: '''int32'''): mask = x >> 31 ''sizeof''('''intreturn'''(x + mask) * '''CHAR_BITXOR''' - 1mask
</code>
====Нахождение минимума и максимума из двух чисел без использования условного оператора====
Этот способ корректен только если можно утверждать, что величина <tex>(x - y)</tex> лежит между граничными значениями типа int.
Пусть даны числа <tex>x</tex> и <tex>y</tex> разрядности <tex>n</tex>. Тогда если <tex>x < y</tex>, то <tex>((x - y) >> (n - 1)) = -1</tex>, а если <tex>x \geqslant y</tex>, то <tex>((x - y) >> (n - 1)) = 0</tex>. Выражение <tex>((x - y) \& ((x - y) >> (n - 1))</tex> принимает значение <tex>0</tex>, если <tex>x \geqslant y</tex>, и <tex>(x - y)</tex>, если <tex>x < y</tex>.
<code>
'''int32''' min(x, y: '''int32'''):
'''return''' y + ((x - y) & ((x - y) >> 31))
'''int32''' max(x, y: '''int32'''):
'''return''' x - ((x - y) & ((x - y) >> 31))
</code>
====Проверка на то, является ли число степенью двойки====
Пусть дано число <tex>x</tex>. Тогда, если результатом выражения <tex>(x\ \&\&\ !(x\ \&\ (x - 1)))</tex> является единица, то число <tex>x</tex> {{---}} степень двойки.
Правая часть выражения <tex>(!(x\ \&\ (x - 1)))</tex> будет равна единице, только если число <tex>x</tex> равно <tex>0</tex> или является степенью двойки. Если число <tex>x</tex> является степенью двойки, то в двоичной системе счисления оно представляется следующим образом: <tex>1\underbrace{0\dots0}_{n}</tex>, где <tex>n</tex> {{---}} показатель степени. Соответственно, выражение <tex>(x - 1)</tex> будет иметь вид <tex>\underbrace{1\dots1}_{n}</tex>, и <tex>x\ \&\ (x - 1)</tex> равно <tex>0</tex>.
Операция логического И в данном выражении отсекает тот случай, когда <tex>(x = 0)</tex> и не является степенью двойки, но при этом правая часть <tex>(!(x\ \&\ (x - 1)))</tex> равна единице.
====Нахождение младшего единичного бита====
Пусть дано число <tex>x</tex> и необходимо узнать его младший единичный бит.
Применим к числу <tex>x</tex> побитовое отрицание, чтобы инвертировать значения всех его бит, а затем прибавим к полученному числу единицу. У результата первая часть (до младшего единичного бита) не совпадает с исходным числом <tex>x</tex>, а вторая часть совпадает. Применив побитовое И к этим двум числам, получим степень двойки, соответствующую младшему единичному биту исходного числа <tex>(x\ \&\ (\sim x + 1))</tex>.
К такому же результату можно прийти, если сначала отнять от числа <tex>x</tex> единицу, чтобы обнулить его младший единичный бит, а все последующие разряды обратить в <tex>1</tex>, затем инвертировать результат и применить побитовое И с исходным числом <tex>(x\ \&\ \sim (x - 1))</tex>.
====Нахождение старшего единичного бита====
Пусть дано число <tex>x</tex> и необходимо узнать его старший единичный бит.
Рассмотрим некоторое число, представим его как <tex>0\dots01b \dots b</tex>, где <tex>b</tex> {{---}} любое значение бита. Тогда, если совершить битовый сдвиг этого числа вправо на <tex>1</tex> и произвести побитовое ИЛИ результата сдвига и исходного числа, мы получим результат <tex>0\dots011b \dots b</tex>. Если мы повторим эту последовательность действий над полученным числом, но устроим сдвиг на <tex>2</tex>, то получим <tex>0\dots01111b \dots b</tex>. При каждой следующей операции будем увеличивать модуль сдвига до следующей степени двойки. После некоторого количества таких операций (зависит от разрядности числа) мы получим число вида <tex>0\dots01\dots1</tex>. Тогда результатом выполнения действий <tex>x - (x \texttt{ >> }1)</tex> будет число, состоящее только из старшего бита исходного числа.
<code>
'''int32''' greatestBit(x: '''int32'''):
power = 1
'''for''' i = 1 <tex> \ldots\log_2{32}</tex>:
x |= x >> power
power <<= 1
'''return''' x - (x >> 1)
</code>
====Циклический сдвиг====
Пусть дано число <tex>x</tex> и надо совершить циклический сдвиг его битов на величину <tex>d</tex>.
Желаемый результат можно получить, если объединить числа, полученные при выполнении обычного битового сдвига в желаемую сторону на <tex>d</tex> и в противоположном направлении на разность между разрядностью числа и величиной сдвига. Таким образом, мы сможем поменять местами начальную и конечную части числа.
<code>
'''int32''' rotateLeft(x, d: '''int32'''):
'''return''' (x << d) | (x >>> (32 - d))
'''int32''' rotateRight(x, d: '''int32'''):
'''return''' (x >>> d) | (x << (32 - d))
</code>
====Подсчет количества единичных битов====
Для подсчета количества единичных битов в числе <tex>x</tex> можно воспользоваться следующим алгоритмом:
<code>
<font color = green>// Для чисел других разрядностей необходимо использовать соответствующие константы.</font>
'''int16''' setBitsNumber(x: '''int16'''):
x = x - ((x >>> 1) & 0x5555)
x = (x & 0x3333) + ((x >>> 2) & 0x3333)
x = (x + (x >>> 4)) & 0x0F0F
'''return''' (x * 0x0101) >>> 8
</code>
Поскольку <tex>5555_{16}</tex> равно <tex>01010101 01010101_{2}</tex>, результатом операции <tex>x\ \&\ 5555_{16}</tex> является число, в котором все нечетные биты соответствуют нечетным битам числа <tex>x</tex>. Аналогично, результатом операции <tex>(x\ \texttt{>>>}\ 1)\ \&\ 5555_{16}</tex> является число, в котором все нечетные биты соответствуют четным битам <tex>x</tex>. Четные биты результата в обоих случаях равны нулю.
Мысленно разобьем двоичную запись нашего числа <tex>x</tex> на группы по <tex>2</tex> бита. Результатом операции <tex>x\ \&\ 5555_{16} + (x\ \texttt{>>>}\ 1)\ \&\ 5555_{16}</tex> будет такое число, что если разбить его двоичную запись на группы по два бита, значение каждой группы соответствует количеству единичных битов в соответствующей паре битов числа <tex>x</tex>.
Аналогично, число <tex>3333_{16}</tex> равно <tex>00110011 00110011_{2}</tex> и операция <tex>x = (x\ \&\ 3333_{16}) + (x\ \texttt{>>>}\ 2\ \&\ 3333_{16})</tex>, примененная к результату, полученному на первом этапе, выполняет подсчет количества единичных битов в блоках по <tex>4</tex>. В свою очередь, число <tex>\texttt{0F0F}_{16}</tex> равно <tex>00001111 00001111_{2}</tex> и операция <tex>x = (x\ \&\ \texttt{0F0F}_{16}) + (x\ \texttt{>>>}\ 4\ \&\ \texttt{0F0F}_{16})</tex> позволяет подсчитать число единичных бит в блоках по <tex>8</tex>.
Теперь необходимо просуммировать числа, записанные в блоках по <tex>8</tex> битов, чтобы получить искомую величину. Это можно сделать, домножив результат на <tex>0101_{16}</tex> <tex>(1 00000001_{2})</tex>. Ответ на задачу будет находиться в первых восьми битах произведения. Выполнив сдвиг вправо на <tex>8</tex> (для шестнадцатибитных чисел), мы получим долгожданный ответ.
Подведем итог:
<code>
</code>
Заметим, что операция <tex>x\ \&\ 55_{16} + (x\ \texttt{>>>}\ 1)\ \&\ 55_{16}</tex> равносильна операции <tex>x - (x\ \texttt{>>>}\ 1)\ \&\ 55_{16}</tex>, в чем легко убедиться, рассмотрев все числа из двух бит.
В свою очередь, операцию <tex>(x\ \&\ \texttt{0F0F}_{16}) + ((x\ \texttt{>>>}\ 4)\ \&\ \texttt{0F0F}_{16})</tex> можно заменить на <tex>(x + (x\ \texttt{>>>}\ 4))\ \&\ \texttt{0F0F}_{16}</tex>. Эта замена не повлияет на результат, так как максимальное значение в любой группе из четырех битов данного числа равно четырем, то есть требует только трех битов для записи, и выполнение суммирования не повлечет за собой переполнения и выхода за пределы четверок.
Таким образом, мы получили код, приведенный в начале раздела.
====Разворот битов====
Чтобы получить биты числа <tex>x</tex>, записанные в обратном порядке, применим следующий алгоритм.
<code>
<font color = green>// Для чисел других разрядностей нужны соответствующие константы.</font>
'''int16''' reverseBits(x: '''int16'''):
x = ((x & 0x5555) << 1) | ((x >>> 1) & 0x5555) <font color = green>// Четные и нечетные биты поменялись местами.</font>
x = ((x & 0x3333) << 2) | ((x >>> 2) & 0x3333) <font color = green>// Биты "перетасовываются" группами по два.</font>
x = ((x & 0x0F0F) << 4) | ((x >>> 4) & 0x0F0F) <font color = green>// Биты "перетасовываются" группами по четыре.</font>
x = ((x & 0x00FF) << 8) | ((x >>> 8) & 0x00FF) <font color = green>// Биты "перетасовываются" группами по восемь.</font>
'''return''' x
</code>
Более подробно про то, что за константы выбраны для данного алгоритма, можно прочитать в разделе [[Побитовые_операции#Подсчет_количества_единичных_битов | подсчет количества единичных битов]].
===Применение для решения задач===
====Алгоритм Флойда====
{{main|Алгоритм Флойда}}
'''Алгоритм Флойда–Уоршелла''' (англ. ''the Floyd–Warshall algorithm'') {{---}} алгоритм для нахождения длин кратчайших путей между всеми парами вершин во взвешенном ориентированном графе. Работает корректно, если в графе нет циклов отрицательной величины, а если же такой цикл есть, позволяет найти хотя бы один такой цикл. Асимптотическая сложность алгоритма <tex> \Theta(n^3) </tex>, также требует <tex> \Theta(n^2) </tex> памяти.
====Дерево Фенвика====
{{main|Дерево Фенвика}}
'''Дерево Фенвика''' (англ. ''Binary indexed tree'') {{---}} структура данных, которая может выполнять следующие операции:
* изменять значение любого элемента в массиве,
* выполнять некоторую [[Ассоциативная_операция |ассоциативную]], [[Абелева_группа |коммутативную]], [[Группа |обратимую операцию]] <tex> \circ </tex> на отрезке <tex> [i, j] </tex>.
Данная структура требует <tex> O(n) </tex> памяти, а выполнение каждой операции происходит за <tex> O(\log n) </tex> .
Функция, позволяющая делать операции вставки и изменения элемента за <tex> O(\log n) </tex>, задается следующей формулой <tex> F(i) = (i \And (i + 1)) </tex>.
Пусть дан массив <tex> A = [a_0, a_1, \ldots, a_{n - 1}]</tex>. Деревом Фенвика называется массив <tex> T </tex> из <tex> n </tex> элементов: <tex> T_i = \sum\limits_{k = F(i)}^{i} a_k</tex>, где <tex> i = 0\ldots n - 1 </tex> и <tex> F(i) </tex> — функция, которую мы определили ранее.
==См. также==
* [[Определение булевой функции]]
* [[Сумматор]]
* [[Триггеры]]
==Примечания==
* [http://developer.alexanderklimov.ru/android/java/bitwise.php Побитовые операторы]
* [https://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html Bit Twiddling Hacks by Sean Eron Anderson]
* [https://habrahabr.ru/post/93172/ Habrahabr {{---}} Алгоритмы поиска старшего бита]
* [https://yesteapea.wordpress.com/2013/03/03/counting-the-number-of-set-bits-in-an-integer/ STP's blog {{---}} Counting the number of set bits in an integer]
[[Категория: Дискретная математика и алгоритмы]]
[[Категория: Булевы функции ]]
