Более быстрый модуль в C/С#?
Есть ли трюк для создания более быстрого целочисленного модуля, чем стандартный оператор% для конкретных баз?
Для моей программы я буду искать около 1000-4000 (например, n %2048). Есть ли более быстрый способ выполнения n модуля 2048, чем просто: n%2048?
Ответы
Ответ 1
Если знаменатель известен во время компиляции как сила 2, как и ваш пример 2048, вы можете вычесть 1 и выполнить поразрядное и.
То есть:
n % m == n & (m - 1)
... где m - степень 2.
Например:
22 % 8 == 22 - 16 == 6
Dec Bin
----- -----
22 = 10110
8 = 01000
8 - 1 = 00111
22 & (8 - 1) = 10110
& 00111
-------
6 = 00110
Имейте в виду, что хороший компилятор будет иметь свои собственные оптимизации для %, возможно, даже достаточно, чтобы быть таким же быстрым, как вышеупомянутый метод. Арифметические операторы, как правило, довольно оптимизированы.
Ответ 2
Для полномочий двух 2^n все, что вам нужно сделать, это обнулить все биты, кроме последних n бит.
Например (предполагая 32-битные целые числа):
x%2 эквивалентно x & 0x00000001
x%4 эквивалентен x & 0x00000003
В общем случае x % (2^n) равно x & (2^n-1). Написанный в C, это будет x & ((1<<n)-1).
Это потому, что 2^n дает вам 1 в n+1 th бит (справа). Итак, 2^n-1 даст вам n единицы справа, а нули слева.
Ответ 3
Вы можете обнулить биты высокого порядка, т.е.
x = 11 = 1011
x% 4 = 3 = 0011
поэтому для x% 4 вы можете просто взять последние 2 бита - я не уверен, что произойдет, если отрицательные числа будут использованы, хотя
Ответ 4
Здесь несколько методов, которые реплицируют работу модуля.
Из тех, что сравнивались, это был самый быстрый (измененный в соответствии с вашим сценарием 2048). Пока ваш "макс" не миллионы, а в 1000-4000, о котором вы говорили, он может работать быстрее и для вас:
int threshold = 2048; //the number to mod by
int max = 1000; //the number on the left. Ex: 1000 % 2048
int total = 0;
int y = 0;
for (int x = 0; x < max; x++)
{
if (y > (threshold - 1))
{
y = 0;
total += x;
}
y += 1;
}
return total;
Отправляйся. Он выполнял быстрее на автору машины в различных настройках, поэтому должен отлично работать и для вас.
Ответ 5
Самый быстрый способ умножения/деления чисел целых чисел без знака - это бит, смещающий их влево или вправо. Операции переключения соответствуют командам CPU. Например, 3 < 2 = 6, а 4 → 1 = 2.
Вы можете использовать тот же трюк, чтобы вычислить модуль: Сдвиньте целое число достаточно далеко влево, чтобы осталось только оставшиеся биты, а затем сдвиньте его назад, чтобы проверить оставшееся значение.
С другой стороны, целочисленный modulo также существует как команда CPU. Если целочисленный оператор modulo сопоставляется с этой командой в оптимизированных сборках, вы не увидите никаких улучшений, используя трюк сдвига бит.
Следующий код сбрасывает 7% 4, сдвигая достаточно далеко, чтобы осталось только 2 последних бита (так как 4 = 2 ^ 2). Это означает, что нам нужно сдвинуть 30 бит:
uint i=7;
var modulo=((i<<30)>>30);
В результате получается 3
EDIT:
Я просто прочитал все решения, предлагающие просто стереть биты более высокого порядка. Он имеет тот же эффект, но намного проще и прямо.
Ответ 6
Если вы делятся на литералы, обладающие полномочиями в два, то ответ, вероятно, нет. Любой достойный компилятор автоматически превратит такие выражения в вариацию операции И, которая довольно близка к оптимальной.
Ответ 7
Безрежимный модуль без мощности может быть предварительно вычислить магические константы во время выполнения, реализовать деление с использованием умножения-добавления-сдвига.
Это примерно в 2 раза быстрее, чем встроенный оператор modulo % на моем Intel Core i5.
Я удивлен, что это не более драматично, так как инструкции x86 CPU div могут иметь латентности до 80-90 циклов для 64-битное деление на некоторые процессоры по сравнению с mul на 3 цикла и побитовое управление на 1 цикл каждый.
Доказательство концепции и таймингов, показанных ниже. series_len относится к числу модулей ops, выполняемых последовательно на одном var. Это предотвратит скрытие тайм-аута процессора путем распараллеливания.
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <sys/time.h>
typedef int32_t s32;
typedef uint32_t u32;
typedef uint64_t u64;
#define NUM_NUMS 1024
#define NUM_RUNS 500
#define MAX_NUM UINT32_MAX
#define MAX_DEN 1024
struct fastdiv {
u32 mul;
u32 add;
s32 shift;
u32 _odiv; /* save original divisor for modulo calc */
};
static u32 num[NUM_NUMS];
static u32 den[NUM_NUMS];
static struct fastdiv fd[NUM_NUMS];
/* hash of results to prevent gcc from optimizing out our ops */
static u32 cookie = 0;
/* required for magic constant generation */
u32 ulog2(u32 v) {
u32 r, shift;
r = (v > 0xFFFF) << 4; v >>= r;
shift = (v > 0xFF ) << 3; v >>= shift; r |= shift;
shift = (v > 0xF ) << 2; v >>= shift; r |= shift;
shift = (v > 0x3 ) << 1; v >>= shift; r |= shift;
r |= (v >> 1);
return r;
}
/* generate constants for implementing a division with multiply-add-shift */
void fastdiv_make(struct fastdiv *d, u32 divisor) {
u32 l, r, e;
u64 m;
d->_odiv = divisor;
l = ulog2(divisor);
if (divisor & (divisor - 1)) {
m = 1ULL << (l + 32);
d->mul = (u32)(m / divisor);
r = (u32)m - d->mul * divisor;
e = divisor - r;
if (e < (1UL << l)) {
++d->mul;
d->add = 0;
} else {
d->add = d->mul;
}
d->shift = l;
} else {
if (divisor == 1) {
d->mul = 0xffffffff;
d->add = 0xffffffff;
d->shift = 0;
} else {
d->mul = 0x80000000;
d->add = 0;
d->shift = l-1;
}
}
}
/* 0: use function that checks for a power-of-2 modulus (speedup for POTs)
* 1: use inline macro */
#define FASTMOD_BRANCHLESS 0
#define fastdiv(v,d) ((u32)(((u64)(v)*(d)->mul + (d)->add) >> 32) >> (d)->shift)
#define _fastmod(v,d) ((v) - fastdiv((v),(d)) * (d)->_odiv)
#if FASTMOD_BRANCHLESS
#define fastmod(v,d) _fastmod((v),(d))
#else
u32 fastmod(u32 v, struct fastdiv *d) {
if (d->mul == 0x80000000) {
return (v & ((1 << d->shift) - 1));
}
return _fastmod(v,d);
}
#endif
u32 random32(u32 upper_bound) {
return arc4random_uniform(upper_bound);
}
u32 random32_range(u32 lower_bound, u32 upper_bound) {
return random32(upper_bound - lower_bound) + lower_bound;
}
void fill_arrays() {
int i;
for (i = 0; i < NUM_NUMS; ++i) {
num[i] = random32_range(MAX_DEN, MAX_NUM);
den[i] = random32_range(1, MAX_DEN);
fastdiv_make(&fd[i], den[i]);
}
}
void fill_arrays_pot() {
u32 log_bound, rand_log;
int i;
log_bound = ulog2(MAX_DEN);
for (i = 0; i < NUM_NUMS; ++i) {
num[i] = random32_range(MAX_DEN, MAX_NUM);
rand_log = random32(log_bound) + 1;
den[i] = 1 << rand_log;
fastdiv_make(&fd[i], den[i]);
}
}
u64 clock_ns() {
struct timeval tv;
gettimeofday(&tv, NULL);
return tv.tv_sec*1000000000 + tv.tv_usec*1000;
}
void use_value(u32 v) {
cookie += v;
}
int main(int argc, char **arg) {
u64 builtin_npot_ns;
u64 builtin_pot_ns;
u64 branching_npot_ns;
u64 branching_pot_ns;
u64 branchless_npot_ns;
u64 branchless_pot_ns;
u64 t0, t1;
u32 v;
int s, r, i, j;
int series_len;
builtin_npot_ns = builtin_pot_ns = 0;
branching_npot_ns = branching_pot_ns = 0;
branchless_npot_ns = branchless_pot_ns = 0;
for (s = 5; s >= 0; --s) {
series_len = 1 << s;
for (r = 0; r < NUM_RUNS; ++r) {
/* built-in NPOT */
fill_arrays();
t0 = clock_ns();
for (i = 0; i < NUM_NUMS; ++i) {
v = num[i];
for (j = 0; j < series_len; ++j) {
v /= den[i];
}
use_value(v);
}
t1 = clock_ns();
builtin_npot_ns += (t1 - t0) / NUM_NUMS;
/* built-in POT */
fill_arrays_pot();
t0 = clock_ns();
for (i = 0; i < NUM_NUMS; ++i) {
v = num[i];
for (j = 0; j < series_len; ++j) {
v /= den[i];
}
use_value(v);
}
t1 = clock_ns();
builtin_pot_ns += (t1 - t0) / NUM_NUMS;
/* branching NPOT */
fill_arrays();
t0 = clock_ns();
for (i = 0; i < NUM_NUMS; ++i) {
v = num[i];
for (j = 0; j < series_len; ++j) {
v = fastmod(v, fd+i);
}
use_value(v);
}
t1 = clock_ns();
branching_npot_ns += (t1 - t0) / NUM_NUMS;
/* branching POT */
fill_arrays_pot();
t0 = clock_ns();
for (i = 0; i < NUM_NUMS; ++i) {
v = num[i];
for (j = 0; j < series_len; ++j) {
v = fastmod(v, fd+i);
}
use_value(v);
}
t1 = clock_ns();
branching_pot_ns += (t1 - t0) / NUM_NUMS;
/* branchless NPOT */
fill_arrays();
t0 = clock_ns();
for (i = 0; i < NUM_NUMS; ++i) {
v = num[i];
for (j = 0; j < series_len; ++j) {
v = _fastmod(v, fd+i);
}
use_value(v);
}
t1 = clock_ns();
branchless_npot_ns += (t1 - t0) / NUM_NUMS;
/* branchless POT */
fill_arrays_pot();
t0 = clock_ns();
for (i = 0; i < NUM_NUMS; ++i) {
v = num[i];
for (j = 0; j < series_len; ++j) {
v = _fastmod(v, fd+i);
}
use_value(v);
}
t1 = clock_ns();
branchless_pot_ns += (t1 - t0) / NUM_NUMS;
}
builtin_npot_ns /= NUM_RUNS;
builtin_pot_ns /= NUM_RUNS;
branching_npot_ns /= NUM_RUNS;
branching_pot_ns /= NUM_RUNS;
branchless_npot_ns /= NUM_RUNS;
branchless_pot_ns /= NUM_RUNS;
printf("series_len = %d\n", series_len);
printf("----------------------------\n");
printf("builtin_npot_ns : %llu ns\n", builtin_npot_ns);
printf("builtin_pot_ns : %llu ns\n", builtin_pot_ns);
printf("branching_npot_ns : %llu ns\n", branching_npot_ns);
printf("branching_pot_ns : %llu ns\n", branching_pot_ns);
printf("branchless_npot_ns : %llu ns\n", branchless_npot_ns);
printf("branchless_pot_ns : %llu ns\n\n", branchless_pot_ns);
}
printf("cookie=%u\n", cookie);
}
Результаты
Intel Core i5 (MacBookAir7,2), macOS 10.11.6, clang 8.0.0
series_len = 32
----------------------------
builtin_npot_ns : 218 ns
builtin_pot_ns : 225 ns
branching_npot_ns : 115 ns
branching_pot_ns : 42 ns
branchless_npot_ns : 110 ns
branchless_pot_ns : 110 ns
series_len = 16
----------------------------
builtin_npot_ns : 87 ns
builtin_pot_ns : 89 ns
branching_npot_ns : 47 ns
branching_pot_ns : 19 ns
branchless_npot_ns : 45 ns
branchless_pot_ns : 45 ns
series_len = 8
----------------------------
builtin_npot_ns : 32 ns
builtin_pot_ns : 34 ns
branching_npot_ns : 18 ns
branching_pot_ns : 10 ns
branchless_npot_ns : 17 ns
branchless_pot_ns : 17 ns
series_len = 4
----------------------------
builtin_npot_ns : 15 ns
builtin_pot_ns : 16 ns
branching_npot_ns : 8 ns
branching_pot_ns : 3 ns
branchless_npot_ns : 7 ns
branchless_pot_ns : 7 ns
series_len = 2
----------------------------
builtin_npot_ns : 8 ns
builtin_pot_ns : 7 ns
branching_npot_ns : 4 ns
branching_pot_ns : 2 ns
branchless_npot_ns : 2 ns
branchless_pot_ns : 2 ns
