Я ищу самый быстрый способ определить, является ли long значение идеальным квадратом (то есть его квадратный корень является другим целым числом):

1. Я сделал это простым способом, используя встроенный Math.sqrt() функцию, но мне интересно, есть ли способ сделать это быстрее, ограничив себя только целочисленной областью.
2. Ведение справочной таблицы нецелесообразно (поскольку имеется около 2 ^31,5 целых чисел, площадь которых меньше 2 ⁶³ ).

Вот очень простой и понятный способ сделать это сейчас:

public final static boolean isPerfectSquare(long n)
{
  if (n < 0)
    return false;

  long tst = (long)(Math.sqrt(n) + 0.5);
  return tst*tst == n;
}

_{Примечание: я использую эту функцию во многих Project Euler задачах . Так что больше никому не придется поддерживать этот код. И этот вид микрооптимизации может реально изменить ситуацию, так как одна из задач состоит в том, чтобы выполнить каждый алгоритм менее чем за минуту, и в некоторых задачах эту функцию нужно будет вызывать миллионы раз.}

Я пробовал разные решения проблемы:

• После исчерпывающего тестирования я обнаружил, что добавление 0.5 к результату Math.sqrt () необязательно, по крайней мере, на моей машине.
• Быстрый обратный квадратный корень был быстрее, но он дал неправильные результаты при п> = 410881. Однако, как это было предложено BobbyShaftoe , мы можем использовать FISR хак для п <410881.
• Метод Ньютона был немного медленнее, чем Math.sqrt() . Вероятно, это связано с тем, что Math.sqrt()используется метод, подобный методу Ньютона, но реализованный в аппаратном обеспечении, поэтому он намного быстрее, чем в Java. Кроме того, метод Ньютона все еще требовал использования двойных чисел.
• Модифицированный метод Ньютона, который использовал несколько приемов так, чтобы была задействована только целочисленная математика, требовал некоторых хаков, чтобы избежать переполнения (я хочу, чтобы эта функция работала со всеми положительными 64-битными целыми числами со знаком), и это было все еще медленнее, чем Math.sqrt() .
• Бинарная отбивная была еще медленнее. Это имеет смысл, потому что двоичной отбивке в среднем потребуется 16 проходов, чтобы найти квадратный корень 64-битного числа.
• Согласно тестам Джона, использование orоператоров в C ++ быстрее, чем использование a switch, но в Java и C #, похоже, нет разницы между orи switch.
• Я также попытался создать таблицу поиска (как частный статический массив из 64 логических значений). Тогда вместо того, чтобы менять или orутверждать, я бы просто сказал if(lookup[(int)(n&0x3F)]) { test } else return false;. К моему удивлению, это было (немного) медленнее. Это потому, что границы массивов проверяются в Java .

Я нашел метод, который работает примерно на 35% быстрее, чем ваш код 6bit + Carmack + sqrt, по крайней мере, с моим процессором (x86) и языком программирования (C / C ++). Ваши результаты могут отличаться, особенно потому, что я не знаю, как будет действовать фактор Java.

Мой подход тройной:

1. Сначала отфильтруйте очевидные ответы. Это включает в себя отрицательные числа и глядя на последние 4 бита. (Я обнаружил, что просмотр последних шести не помог.) Я также отвечаю «да» на 0. (Читая код ниже, обратите внимание, что мой ввод - это int64 x.)

   if( x < 0 || (x&2) || ((x & 7) == 5) || ((x & 11) == 8) )
       return false;
   if( x == 0 )
       return true;

2. Затем, проверьте, является ли это квадрат по модулю 255 = 3 * 5 * 17. Поскольку это произведение трех различных простых чисел, только около 1/8 из остатков по модулю 255 являются квадратами. Однако, по моему опыту, вызов оператора по модулю (%) стоит больше выгоды, которую я получаю, поэтому я использую битовые трюки с 255 = 2 ^ 8-1 для вычисления остатка. (Что бы там ни было, я не использую уловку чтения отдельных байтов из слова, только поразрядно - и сдвиги.)

   int64 y = x;
   y = (y & 4294967295LL) + (y >> 32); 
   y = (y & 65535) + (y >> 16);
   y = (y & 255) + ((y >> 8) & 255) + (y >> 16);
   // At this point, y is between 0 and 511.  More code can reduce it farther.

   Чтобы на самом деле проверить, является ли остаток квадратом, я смотрю ответ в предварительно вычисленной таблице.

   if( bad255[y] )
       return false;
   // However, I just use a table of size 512

3. Наконец, попробуйте вычислить квадратный корень, используя метод, аналогичный лемме Хензеля . (Я не думаю, что это применимо напрямую, но работает с некоторыми изменениями.) Перед этим я делю все степени 2 с помощью двоичного поиска:

   if((x & 4294967295LL) == 0)
       x >>= 32;
   if((x & 65535) == 0)
       x >>= 16;
   if((x & 255) == 0)
       x >>= 8;
   if((x & 15) == 0)
       x >>= 4;
   if((x & 3) == 0)
       x >>= 2;

   На данный момент, чтобы наше число было квадратным, оно должно быть 1 mod 8.

   if((x & 7) != 1)
       return false;

   Основная структура леммы Гензеля заключается в следующем. (Примечание: непроверенный код; если он не работает, попробуйте t = 2 или 8.)

   int64 t = 4, r = 1;
   t <<= 1; r += ((x - r * r) & t) >> 1;
   t <<= 1; r += ((x - r * r) & t) >> 1;
   t <<= 1; r += ((x - r * r) & t) >> 1;
   // Repeat until t is 2^33 or so.  Use a loop if you want.

   Идея состоит в том, что на каждой итерации вы добавляете один бит в r, «текущий» квадратный корень из x; каждый квадратный корень является точным по модулю все большей и большей степени 2, а именно t / 2. В конце r и t / 2-r будут квадратными корнями из x по модулю t / 2. (Обратите внимание, что если r является квадратным корнем из x, то и -r. Это верно даже по модулю чисел, но будьте осторожны, по модулю некоторых чисел вещи могут иметь даже более 2 квадратных корней; в частности, это включает степени 2. ) Поскольку наш фактический квадратный корень меньше 2 ^ 32, в этот момент мы можем просто проверить, являются ли r или t / 2-r действительными квадратными корнями. В моем реальном коде я использую следующий измененный цикл:

   int64 r, t, z;
   r = start[(x >> 3) & 1023];
   do {
       z = x - r * r;
       if( z == 0 )
           return true;
       if( z < 0 )
           return false;
       t = z & (-z);
       r += (z & t) >> 1;
       if( r > (t >> 1) )
           r = t - r;
   } while( t <= (1LL << 33) );

   Ускорение здесь достигается тремя способами: предварительно вычисленное начальное значение (эквивалентное ~ 10 итерациям цикла), более ранний выход из цикла и пропуск некоторых значений t. В последней части я рассмотрю z = r - x * xи задаю t как наибольшую степень деления z на 2 с небольшим фокусом. Это позволяет мне пропустить t значений, которые не повлияли бы на значение r в любом случае. Предварительно вычисленное начальное значение в моем случае выбирает «наименьший положительный» квадратный корень по модулю 8192.

Даже если этот код не работает для вас быстрее, я надеюсь, вам понравятся некоторые идеи, которые он содержит. Далее следует полный, проверенный код, включая предварительно вычисленные таблицы.

typedef signed long long int int64;

int start[1024] =
{1,3,1769,5,1937,1741,7,1451,479,157,9,91,945,659,1817,11,
1983,707,1321,1211,1071,13,1479,405,415,1501,1609,741,15,339,1703,203,
129,1411,873,1669,17,1715,1145,1835,351,1251,887,1573,975,19,1127,395,
1855,1981,425,453,1105,653,327,21,287,93,713,1691,1935,301,551,587,
257,1277,23,763,1903,1075,1799,1877,223,1437,1783,859,1201,621,25,779,
1727,573,471,1979,815,1293,825,363,159,1315,183,27,241,941,601,971,
385,131,919,901,273,435,647,1493,95,29,1417,805,719,1261,1177,1163,
1599,835,1367,315,1361,1933,1977,747,31,1373,1079,1637,1679,1581,1753,1355,
513,1539,1815,1531,1647,205,505,1109,33,1379,521,1627,1457,1901,1767,1547,
1471,1853,1833,1349,559,1523,967,1131,97,35,1975,795,497,1875,1191,1739,
641,1149,1385,133,529,845,1657,725,161,1309,375,37,463,1555,615,1931,
1343,445,937,1083,1617,883,185,1515,225,1443,1225,869,1423,1235,39,1973,
769,259,489,1797,1391,1485,1287,341,289,99,1271,1701,1713,915,537,1781,
1215,963,41,581,303,243,1337,1899,353,1245,329,1563,753,595,1113,1589,
897,1667,407,635,785,1971,135,43,417,1507,1929,731,207,275,1689,1397,
1087,1725,855,1851,1873,397,1607,1813,481,163,567,101,1167,45,1831,1205,
1025,1021,1303,1029,1135,1331,1017,427,545,1181,1033,933,1969,365,1255,1013,
959,317,1751,187,47,1037,455,1429,609,1571,1463,1765,1009,685,679,821,
1153,387,1897,1403,1041,691,1927,811,673,227,137,1499,49,1005,103,629,
831,1091,1449,1477,1967,1677,697,1045,737,1117,1737,667,911,1325,473,437,
1281,1795,1001,261,879,51,775,1195,801,1635,759,165,1871,1645,1049,245,
703,1597,553,955,209,1779,1849,661,865,291,841,997,1265,1965,1625,53,
1409,893,105,1925,1297,589,377,1579,929,1053,1655,1829,305,1811,1895,139,
575,189,343,709,1711,1139,1095,277,993,1699,55,1435,655,1491,1319,331,
1537,515,791,507,623,1229,1529,1963,1057,355,1545,603,1615,1171,743,523,
447,1219,1239,1723,465,499,57,107,1121,989,951,229,1521,851,167,715,
1665,1923,1687,1157,1553,1869,1415,1749,1185,1763,649,1061,561,531,409,907,
319,1469,1961,59,1455,141,1209,491,1249,419,1847,1893,399,211,985,1099,
1793,765,1513,1275,367,1587,263,1365,1313,925,247,1371,1359,109,1561,1291,
191,61,1065,1605,721,781,1735,875,1377,1827,1353,539,1777,429,1959,1483,
1921,643,617,389,1809,947,889,981,1441,483,1143,293,817,749,1383,1675,
63,1347,169,827,1199,1421,583,1259,1505,861,457,1125,143,1069,807,1867,
2047,2045,279,2043,111,307,2041,597,1569,1891,2039,1957,1103,1389,231,2037,
65,1341,727,837,977,2035,569,1643,1633,547,439,1307,2033,1709,345,1845,
1919,637,1175,379,2031,333,903,213,1697,797,1161,475,1073,2029,921,1653,
193,67,1623,1595,943,1395,1721,2027,1761,1955,1335,357,113,1747,1497,1461,
1791,771,2025,1285,145,973,249,171,1825,611,265,1189,847,1427,2023,1269,
321,1475,1577,69,1233,755,1223,1685,1889,733,1865,2021,1807,1107,1447,1077,
1663,1917,1129,1147,1775,1613,1401,555,1953,2019,631,1243,1329,787,871,885,
449,1213,681,1733,687,115,71,1301,2017,675,969,411,369,467,295,693,
1535,509,233,517,401,1843,1543,939,2015,669,1527,421,591,147,281,501,
577,195,215,699,1489,525,1081,917,1951,2013,73,1253,1551,173,857,309,
1407,899,663,1915,1519,1203,391,1323,1887,739,1673,2011,1585,493,1433,117,
705,1603,1111,965,431,1165,1863,533,1823,605,823,1179,625,813,2009,75,
1279,1789,1559,251,657,563,761,1707,1759,1949,777,347,335,1133,1511,267,
833,1085,2007,1467,1745,1805,711,149,1695,803,1719,485,1295,1453,935,459,
1151,381,1641,1413,1263,77,1913,2005,1631,541,119,1317,1841,1773,359,651,
961,323,1193,197,175,1651,441,235,1567,1885,1481,1947,881,2003,217,843,
1023,1027,745,1019,913,717,1031,1621,1503,867,1015,1115,79,1683,793,1035,
1089,1731,297,1861,2001,1011,1593,619,1439,477,585,283,1039,1363,1369,1227,
895,1661,151,645,1007,1357,121,1237,1375,1821,1911,549,1999,1043,1945,1419,
1217,957,599,571,81,371,1351,1003,1311,931,311,1381,1137,723,1575,1611,
767,253,1047,1787,1169,1997,1273,853,1247,413,1289,1883,177,403,999,1803,
1345,451,1495,1093,1839,269,199,1387,1183,1757,1207,1051,783,83,423,1995,
639,1155,1943,123,751,1459,1671,469,1119,995,393,219,1743,237,153,1909,
1473,1859,1705,1339,337,909,953,1771,1055,349,1993,613,1393,557,729,1717,
511,1533,1257,1541,1425,819,519,85,991,1693,503,1445,433,877,1305,1525,
1601,829,809,325,1583,1549,1991,1941,927,1059,1097,1819,527,1197,1881,1333,
383,125,361,891,495,179,633,299,863,285,1399,987,1487,1517,1639,1141,
1729,579,87,1989,593,1907,839,1557,799,1629,201,155,1649,1837,1063,949,
255,1283,535,773,1681,461,1785,683,735,1123,1801,677,689,1939,487,757,
1857,1987,983,443,1327,1267,313,1173,671,221,695,1509,271,1619,89,565,
127,1405,1431,1659,239,1101,1159,1067,607,1565,905,1755,1231,1299,665,373,
1985,701,1879,1221,849,627,1465,789,543,1187,1591,923,1905,979,1241,181};

bool bad255[512] =
{0,0,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,0,1,1,0,1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,
 1,1,0,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,
 0,1,0,1,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,
 1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,
 1,1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,1,0,1,1,1,1,1,
 1,1,1,1,1,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,0,1,1,
 1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,
 1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,
 0,0,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,0,1,1,0,1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,
 1,1,0,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,
 0,1,0,1,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,
 1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,
 1,1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,0,1,1,0,1,1,1,1,1,
 1,1,1,1,1,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,0,1,1,
 1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,1,
 1,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,
 0,0};

inline bool square( int64 x ) {
    // Quickfail
    if( x < 0 || (x&2) || ((x & 7) == 5) || ((x & 11) == 8) )
        return false;
    if( x == 0 )
        return true;

    // Check mod 255 = 3 * 5 * 17, for fun
    int64 y = x;
    y = (y & 4294967295LL) + (y >> 32);
    y = (y & 65535) + (y >> 16);
    y = (y & 255) + ((y >> 8) & 255) + (y >> 16);
    if( bad255[y] )
        return false;

    // Divide out powers of 4 using binary search
    if((x & 4294967295LL) == 0)
        x >>= 32;
    if((x & 65535) == 0)
        x >>= 16;
    if((x & 255) == 0)
        x >>= 8;
    if((x & 15) == 0)
        x >>= 4;
    if((x & 3) == 0)
        x >>= 2;

    if((x & 7) != 1)
        return false;

    // Compute sqrt using something like Hensel's lemma
    int64 r, t, z;
    r = start[(x >> 3) & 1023];
    do {
        z = x - r * r;
        if( z == 0 )
            return true;
        if( z < 0 )
            return false;
        t = z & (-z);
        r += (z & t) >> 1;
        if( r > (t  >> 1) )
            r = t - r;
    } while( t <= (1LL << 33) );

    return false;
}

Я довольно поздно на вечеринку, но я надеюсь дать лучший ответ; короче и (при условии моего тест верен) также намного быстрее .

long goodMask; // 0xC840C04048404040 computed below
{
    for (int i=0; i<64; ++i) goodMask |= Long.MIN_VALUE >>> (i*i);
}

public boolean isSquare(long x) {
    // This tests if the 6 least significant bits are right.
    // Moving the to be tested bit to the highest position saves us masking.
    if (goodMask << x >= 0) return false;
    final int numberOfTrailingZeros = Long.numberOfTrailingZeros(x);
    // Each square ends with an even number of zeros.
    if ((numberOfTrailingZeros & 1) != 0) return false;
    x >>= numberOfTrailingZeros;
    // Now x is either 0 or odd.
    // In binary each odd square ends with 001.
    // Postpone the sign test until now; handle zero in the branch.
    if ((x&7) != 1 | x <= 0) return x == 0;
    // Do it in the classical way.
    // The correctness is not trivial as the conversion from long to double is lossy!
    final long tst = (long) Math.sqrt(x);
    return tst * tst == x;
}

Первый тест ловит большинство не квадратов быстро. Он использует таблицу из 64 элементов, упакованную в long, поэтому нет затрат на доступ к массиву (проверка косвенности и границ). Для равномерно случайной long, здесь есть вероятность окончания 81,25%.

Второй тест ловит все числа, имеющие нечетное число двойок в их факторизации. Этот метод Long.numberOfTrailingZerosочень быстрый, поскольку он превращает JIT-ed в одну инструкцию i86.

После отбрасывания конечных нулей третий тест обрабатывает числа, заканчивающиеся на 011, 101 или 111 в двоичном виде, которые не являются идеальными квадратами. Он также заботится об отрицательных числах и обрабатывает 0.

Финальный тест возвращается к doubleарифметике. Так как doubleимеет только 53 бита мантиссы, преобразование из longв doubleвключает в себя округление для больших значений. Тем не менее, тест является правильным (если доказательство не ).

Попытка включить идею mod255 не удалась.

Вам нужно будет сделать несколько тестов. Лучший алгоритм будет зависеть от распределения ваших входных данных.

Ваш алгоритм может быть почти оптимальным, но вы можете сделать быструю проверку, чтобы исключить некоторые возможности, прежде чем вызывать подпрограмму квадратного корня. Например, посмотрите на последнюю цифру вашего числа в шестнадцатеричном виде, выполнив побитовое «и». Совершенные квадраты могут заканчиваться только 0, 1, 4 или 9 в основании 16, так что для 75% ваших входных данных (при условии, что они распределены равномерно) вы можете избежать вызова квадратного корня в обмен на какое-то очень быстрое переключение битов.

Кип протестировал следующий код, реализующий шестнадцатеричный трюк. При тестировании чисел от 1 до 100 000 000 этот код выполнялся в два раза быстрее оригинала.

public final static boolean isPerfectSquare(long n)
{
    if (n < 0)
        return false;

    switch((int)(n & 0xF))
    {
    case 0: case 1: case 4: case 9:
        long tst = (long)Math.sqrt(n);
        return tst*tst == n;

    default:
        return false;
    }
}

Когда я тестировал аналогичный код в C ++, он на самом деле работал медленнее, чем оригинал. Однако, когда я исключил оператор switch, шестнадцатеричный трюк снова сделал код в два раза быстрее.

int isPerfectSquare(int n)
{
    int h = n & 0xF;  // h is the last hex "digit"
    if (h > 9)
        return 0;
    // Use lazy evaluation to jump out of the if statement as soon as possible
    if (h != 2 && h != 3 && h != 5 && h != 6 && h != 7 && h != 8)
    {
        int t = (int) floor( sqrt((double) n) + 0.5 );
        return t*t == n;
    }
    return 0;
}

Исключение оператора switch мало повлияло на код C #.

Я думал об ужасных временах, которые я провел в курсе численного анализа.

И потом я помню, что эта функция кружила по сети из исходного кода Quake:

float Q_rsqrt( float number )
{
  long i;
  float x2, y;
  const float threehalfs = 1.5F;

  x2 = number * 0.5F;
  y  = number;
  i  = * ( long * ) &y;  // evil floating point bit level hacking
  i  = 0x5f3759df - ( i >> 1 ); // wtf?
  y  = * ( float * ) &i;
  y  = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) ); // 1st iteration
  // y  = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) ); // 2nd iteration, this can be removed

  #ifndef Q3_VM
  #ifdef __linux__
    assert( !isnan(y) ); // bk010122 - FPE?
  #endif
  #endif
  return y;
}

Который в основном вычисляет квадратный корень, используя функцию приближения Ньютона (не могу вспомнить точное имя).

Это должно быть удобно и даже быстрее, это из одной из феноменальных игр id!

Он написан на C ++, но не должно быть слишком сложно повторно использовать ту же технику в Java, как только вы получите идею:

Первоначально я нашел его по адресу: http://www.codemaestro.com/reviews/9

Метод Ньютона объяснен в Википедии: http://en.wikipedia.org/wiki/Newton%27s_method

Вы можете перейти по ссылке для более подробного объяснения того, как это работает, но если вам все равно, то это примерно то, что я помню из чтения блога и прохождения курса численного анализа:

• * (long*) &y основном это функция быстрого преобразования в long, поэтому целые операции могут применяться к необработанным байтам.
• 0x5f3759df - (i >> 1);линия представляет собой предварительно рассчитанное значение семян для функции аппроксимации.
• * (float*) &iпреобразует значение обратно с плавающей точкой.
• y = y * ( threehalfs - ( x2 * y * y ) )линия Bascially итерации значения над функцией снова.

Функция приближения дает более точные значения, чем больше вы повторяете функцию по результату. В случае с Quake, одна итерация «достаточно хороша», но если бы она была не для вас ... тогда вы могли бы добавить столько итераций, сколько вам нужно.

Это должно быть быстрее, потому что это уменьшает количество операций деления, выполняемых в простом квадратном корне, до простого деления на 2 (фактически * 0.5Fоперация умножения) и заменяет его на несколько фиксированных чисел операций умножения.

Я не уверен, будет ли это быстрее или даже точнее, но вы можете использовать алгоритм магического квадратного корня Джона Кармака , чтобы быстрее решить квадратный корень. Вероятно, вы могли бы легко проверить это для всех возможных 32-битных целых чисел и убедиться, что вы действительно получили правильные результаты, так как это всего лишь приближение. Тем не менее, теперь, когда я думаю об этом, использование двойных чисел также приближенно, так что я не уверен, как это вступит в игру.

Если вы выполните двоичную отбивку, чтобы попытаться найти «правильный» квадратный корень, вы можете довольно легко определить, достаточно ли близкое вам значение, чтобы сказать:

(n+1)^2 = n^2 + 2n + 1
(n-1)^2 = n^2 - 2n + 1

Итак, рассчитав n^2, варианты:

• n^2 = target: сделано, верни истину
• n^2 + 2n + 1 > target > n^2 : ты близок, но не идеален: верни ложь
• n^2 - 2n + 1 < target < n^2 : то же самое
• target < n^2 - 2n + 1 : бинарная отбивная на нижнем n
• target > n^2 + 2n + 1 : бинарная отбивная на высшем n

(Извините, это использует nкак ваше текущее предположение, так и targetдля параметра. Приносим извинения за путаницу!)

Я не знаю, будет ли это быстрее или нет, но стоит попробовать.

РЕДАКТИРОВАТЬ: бинарная отбивная также не должна принимать весь диапазон целых чисел, (2^x)^2 = 2^(2x)поэтому, как только вы найдете верхний установленный бит в вашей цели (что можно сделать с помощью хитрого трюка; я точно забыл, как) Вы можете быстро получить диапазон возможных ответов. Имейте в виду, что наивный бинарная отбивная все еще займет всего 31 или 32 итерации.

Я провел собственный анализ нескольких алгоритмов в этой теме и получил новые результаты. Вы можете увидеть эти старые результаты в истории редактирования этого ответа, но они не точные, так как я допустил ошибку и потратил время на анализ нескольких алгоритмов, которые не являются близкими. Однако, извлекая уроки из нескольких разных ответов, у меня теперь есть два алгоритма, которые сокрушают «победителя» этой темы. Вот основная вещь, которую я делаю иначе, чем все остальные:

// This is faster because a number is divisible by 2^4 or more only 6% of the time
// and more than that a vanishingly small percentage.
while((x & 0x3) == 0) x >>= 2;
// This is effectively the same as the switch-case statement used in the original
// answer. 
if((x & 0x7) != 1) return false;

Однако эта простая строка, которая в большинстве случаев добавляет одну или две очень быстрые инструкции, значительно упрощает switch-caseоператор в один оператор if. Тем не менее, это может добавить к времени выполнения, если многие из протестированных чисел имеют значительную степень двух факторов.

Алгоритмы ниже следующие:

• Интернет - опубликованный ответ Кипа
• Durron - мой модифицированный ответ, использующий однопроходный ответ в качестве основы
• DurronTwo - мой модифицированный ответ, использующий двухпроходный ответ (@JohnnyHeggheim), с некоторыми другими небольшими изменениями.

Вот пример времени выполнения, если числа генерируются с использованием Math.abs(java.util.Random.nextLong())

 0% Scenario{vm=java, trial=0, benchmark=Internet} 39673.40 ns; ?=378.78 ns @ 3 trials
33% Scenario{vm=java, trial=0, benchmark=Durron} 37785.75 ns; ?=478.86 ns @ 10 trials
67% Scenario{vm=java, trial=0, benchmark=DurronTwo} 35978.10 ns; ?=734.10 ns @ 10 trials

benchmark   us linear runtime
 Internet 39.7 ==============================
   Durron 37.8 ============================
DurronTwo 36.0 ===========================

vm: java
trial: 0

А вот пример времени выполнения, если он запускается только для первого миллиона длинных:

 0% Scenario{vm=java, trial=0, benchmark=Internet} 2933380.84 ns; ?=56939.84 ns @ 10 trials
33% Scenario{vm=java, trial=0, benchmark=Durron} 2243266.81 ns; ?=50537.62 ns @ 10 trials
67% Scenario{vm=java, trial=0, benchmark=DurronTwo} 3159227.68 ns; ?=10766.22 ns @ 3 trials

benchmark   ms linear runtime
 Internet 2.93 ===========================
   Durron 2.24 =====================
DurronTwo 3.16 ==============================

vm: java
trial: 0

Как видите, DurronTwoлучше справляется с большими входами, потому что он очень часто использует магический трюк, но затупляется по сравнению с первым алгоритмом и Math.sqrtпотому, что числа намного меньше. Между тем, более простой Durronвыигрывает, потому что ему никогда не приходится делить на 4 много много раз числа первого миллиона.

Вот Durron:

public final static boolean isPerfectSquareDurron(long n) {
    if(n < 0) return false;
    if(n == 0) return true;

    long x = n;
    // This is faster because a number is divisible by 16 only 6% of the time
    // and more than that a vanishingly small percentage.
    while((x & 0x3) == 0) x >>= 2;
    // This is effectively the same as the switch-case statement used in the original
    // answer. 
    if((x & 0x7) == 1) {

        long sqrt;
        if(x < 410881L)
        {
            int i;
            float x2, y;

            x2 = x * 0.5F;
            y  = x;
            i  = Float.floatToRawIntBits(y);
            i  = 0x5f3759df - ( i >> 1 );
            y  = Float.intBitsToFloat(i);
            y  = y * ( 1.5F - ( x2 * y * y ) );

            sqrt = (long)(1.0F/y);
        } else {
            sqrt = (long) Math.sqrt(x);
        }
        return sqrt*sqrt == x;
    }
    return false;
}

А также DurronTwo

public final static boolean isPerfectSquareDurronTwo(long n) {
    if(n < 0) return false;
    // Needed to prevent infinite loop
    if(n == 0) return true;

    long x = n;
    while((x & 0x3) == 0) x >>= 2;
    if((x & 0x7) == 1) {
        long sqrt;
        if (x < 41529141369L) {
            int i;
            float x2, y;

            x2 = x * 0.5F;
            y = x;
            i = Float.floatToRawIntBits(y);
            //using the magic number from 
            //http://www.lomont.org/Math/Papers/2003/InvSqrt.pdf
            //since it more accurate
            i = 0x5f375a86 - (i >> 1);
            y = Float.intBitsToFloat(i);
            y = y * (1.5F - (x2 * y * y));
            y = y * (1.5F - (x2 * y * y)); //Newton iteration, more accurate
            sqrt = (long) ((1.0F/y) + 0.2);
        } else {
            //Carmack hack gives incorrect answer for n >= 41529141369.
            sqrt = (long) Math.sqrt(x);
        }
        return sqrt*sqrt == x;
    }
    return false;
}

И мой тестовый жгут: (Требуется Google Caliper 0.1-RC5)

public class SquareRootBenchmark {
    public static class Benchmark1 extends SimpleBenchmark {
        private static final int ARRAY_SIZE = 10000;
        long[] trials = new long[ARRAY_SIZE];

        @Override
        protected void setUp() throws Exception {
            Random r = new Random();
            for (int i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
                trials[i] = Math.abs(r.nextLong());
            }
        }


        public int timeInternet(int reps) {
            int trues = 0;
            for(int i = 0; i < reps; i++) {
                for(int j = 0; j < ARRAY_SIZE; j++) {
                    if(SquareRootAlgs.isPerfectSquareInternet(trials[j])) trues++;
                }
            }

            return trues;   
        }

        public int timeDurron(int reps) {
            int trues = 0;
            for(int i = 0; i < reps; i++) {
                for(int j = 0; j < ARRAY_SIZE; j++) {
                    if(SquareRootAlgs.isPerfectSquareDurron(trials[j])) trues++;
                }
            }

            return trues;   
        }

        public int timeDurronTwo(int reps) {
            int trues = 0;
            for(int i = 0; i < reps; i++) {
                for(int j = 0; j < ARRAY_SIZE; j++) {
                    if(SquareRootAlgs.isPerfectSquareDurronTwo(trials[j])) trues++;
                }
            }

            return trues;   
        }
    }

    public static void main(String... args) {
        Runner.main(Benchmark1.class, args);
    }
}

ОБНОВЛЕНИЕ: я сделал новый алгоритм, который быстрее в некоторых сценариях, медленнее в других, я получил разные тесты, основанные на разных входах. Если мы вычислим по модулю 0xFFFFFF = 3 x 3 x 5 x 7 x 13 x 17 x 241, мы можем исключить 97,82% чисел, которые не могут быть квадратами. Это может быть (вроде) сделано в одной строке, с 5 побитовыми операциями:

if (!goodLookupSquares[(int) ((n & 0xFFFFFFl) + ((n >> 24) & 0xFFFFFFl) + (n >> 48))]) return false;

Полученный индекс - это либо 1) остаток, 2) остаток + 0xFFFFFF, либо 3) остаток + 0x1FFFFFE. Конечно, нам нужно иметь справочную таблицу для остатков по модулю 0xFFFFFF, которая составляет около 3 МБ файла (в данном случае она хранится в виде десятичных чисел в тексте ascii, не оптимально, но явно с точностью до a ByteBufferи т. Д. Но, поскольку это предварительный расчет, это не так) Это не имеет большого значения. Вы можете найти файл здесь (или создать его самостоятельно):

public final static boolean isPerfectSquareDurronThree(long n) {
    if(n < 0) return false;
    if(n == 0) return true;

    long x = n;
    while((x & 0x3) == 0) x >>= 2;
    if((x & 0x7) == 1) {
        if (!goodLookupSquares[(int) ((n & 0xFFFFFFl) + ((n >> 24) & 0xFFFFFFl) + (n >> 48))]) return false;
        long sqrt;
        if(x < 410881L)
        {
            int i;
            float x2, y;

            x2 = x * 0.5F;
            y  = x;
            i  = Float.floatToRawIntBits(y);
            i  = 0x5f3759df - ( i >> 1 );
            y  = Float.intBitsToFloat(i);
            y  = y * ( 1.5F - ( x2 * y * y ) );

            sqrt = (long)(1.0F/y);
        } else {
            sqrt = (long) Math.sqrt(x);
        }
        return sqrt*sqrt == x;
    }
    return false;
}

Я загружаю его в booleanмассив следующим образом:

private static boolean[] goodLookupSquares = null;

public static void initGoodLookupSquares() throws Exception {
    Scanner s = new Scanner(new File("24residues_squares.txt"));

    goodLookupSquares = new boolean[0x1FFFFFE];

    while(s.hasNextLine()) {
        int residue = Integer.valueOf(s.nextLine());
        goodLookupSquares[residue] = true;
        goodLookupSquares[residue + 0xFFFFFF] = true;
        goodLookupSquares[residue + 0x1FFFFFE] = true;
    }

    s.close();
}

Пример времени выполнения. Он победил Durron(первая версия) в каждом испытании, которое я проводил.

 0% Scenario{vm=java, trial=0, benchmark=Internet} 40665.77 ns; ?=566.71 ns @ 10 trials
33% Scenario{vm=java, trial=0, benchmark=Durron} 38397.60 ns; ?=784.30 ns @ 10 trials
67% Scenario{vm=java, trial=0, benchmark=DurronThree} 36171.46 ns; ?=693.02 ns @ 10 trials

  benchmark   us linear runtime
   Internet 40.7 ==============================
     Durron 38.4 ============================
DurronThree 36.2 ==========================

vm: java
trial: 0

Должно быть намного быстрее использовать метод Ньютона для вычисления корня целочисленного квадрата , затем возвести в квадрат это число и проверить, как вы делаете в своем текущем решении. Метод Ньютона является основой для решения Кармака, упомянутого в некоторых других ответах. Вы должны быть в состоянии получить более быстрый ответ, поскольку вас интересует только целочисленная часть корня, что позволяет вам быстрее остановить алгоритм аппроксимации.

Еще одна оптимизация, которую вы можете попробовать: если цифровой корень числа не заканчивается на 1, 4, 7 или 9, число не является идеальным квадратом. Это можно использовать как быстрый способ устранения 60% ваших входных данных перед применением более медленного алгоритма квадратного корня.

Я хочу, чтобы эта функция работала со всеми положительными 64-битными целыми числами со знаком

Math.sqrt()работает с двойными значениями в качестве входных параметров, поэтому вы не получите точных результатов для целых чисел больше 2 ^ 53 .

Просто для записи, другой подход заключается в использовании простого разложения. Если каждый фактор разложения четный, то число является идеальным квадратом. Итак, вы хотите увидеть, можно ли разложить число как произведение квадратов простых чисел. Конечно, вам не нужно получать такое разложение, просто чтобы увидеть, существует ли оно.

Сначала создайте таблицу квадратов простых чисел, которые меньше, чем 2 ^ 32. Это намного меньше, чем таблица всех целых чисел до этого предела.

Решение тогда будет таким:

boolean isPerfectSquare(long number)
{
    if (number < 0) return false;
    if (number < 2) return true;

    for (int i = 0; ; i++)
    {
        long square = squareTable[i];
        if (square > number) return false;
        while (number % square == 0)
        {
            number /= square;
        }
        if (number == 1) return true;
    }
}

Я думаю, это немного загадочно. На каждом шаге он проверяет, что квадрат простого числа делит входное число. Если это так, то он делит число на квадрат как можно дольше, чтобы удалить этот квадрат из простого разложения. Если в результате этого процесса мы пришли к 1, то входное число было разложением квадрата простых чисел. Если квадрат становится больше, чем само число, то этот квадрат или любые большие квадраты не могут его разделить, поэтому число не может быть разложением квадратов простых чисел.

Учитывая, что в настоящее время sqrt выполняется аппаратно, и здесь необходимо вычислять простые числа, я думаю, что это решение намного медленнее. Но это должно дать лучшие результаты, чем решение с sqrt, которое не будет работать более 2 ^ 54, как говорит mrzl в своем ответе.

Было отмечено, что последние dцифры идеального квадрата могут принимать только определенные значения. Последние dцифры (в базе b) числа nтакие же, как и остальные, когда nделятся на bd, т.е. в нотации n % pow(b, d).

Это может быть обобщено на любой модуль m, т.е. n % mможет использоваться для исключения некоторого процента чисел из идеальных квадратов. Модуль, который вы используете в настоящее время, равен 64, что позволяет 12, т.е. 19% остатков, как возможные квадраты. С небольшим кодированием я нашел модуль 110880, который позволяет только 2016, т.е. 1,8% остатков в качестве возможных квадратов. Таким образом, в зависимости от стоимости операции модуля (т. Е. Деления) и поиска в таблице по сравнению с квадратным корнем на вашей машине, использование этого модуля может быть быстрее.

Кстати, если у Java есть способ хранить упакованный массив битов для таблицы поиска, не используйте его. В наши дни 110880 32-разрядных слов - это не много ОЗУ, и выбор машинного слова будет быстрее, чем выборка одного бита.

Целочисленная задача заслуживает целочисленного решения. таким образом

Выполните бинарный поиск по (неотрицательным) целым числам, чтобы найти наибольшее целое число t, такое что t**2 <= n. Тогда проверить, r**2 = nточно ли . Это занимает время O (log n).

Если вы не знаете, как выполнить двоичный поиск натуральных чисел, потому что множество не ограничено, это легко. Вы начинаете с вычисления возрастающей функции f (выше f(t) = t**2 - n) по степеням два. Когда вы видите, что это становится положительным, вы нашли верхнюю границу. Тогда вы можете сделать стандартный бинарный поиск.

Следующее упрощение решения maaartinus, похоже, позволяет сократить время выполнения на несколько процентных пунктов, но я недостаточно хорош в тестировании, чтобы произвести тест, которому я могу доверять:

long goodMask; // 0xC840C04048404040 computed below
{
    for (int i=0; i<64; ++i) goodMask |= Long.MIN_VALUE >>> (i*i);
}

public boolean isSquare(long x) {
    // This tests if the 6 least significant bits are right.
    // Moving the to be tested bit to the highest position saves us masking.
    if (goodMask << x >= 0) return false;
    // Remove an even number of trailing zeros, leaving at most one.
    x >>= (Long.numberOfTrailingZeros(x) & (-2);
    // Repeat the test on the 6 least significant remaining bits.
    if (goodMask << x >= 0 | x <= 0) return x == 0;
    // Do it in the classical way.
    // The correctness is not trivial as the conversion from long to double is lossy!
    final long tst = (long) Math.sqrt(x);
    return tst * tst == x;
}

Стоит проверить, как пропустить первый тест,

if (goodMask << x >= 0) return false;

повлияет на производительность.

Для производительности вам очень часто приходится идти на некоторые компромиссы. Другие выражали различные методы, однако вы заметили, что хак Кармака был быстрее до определенных значений N. Затем вы должны проверить «n», и если оно меньше, чем число N, используйте хак Кармака, иначе используйте какой-то другой описанный метод. в ответах здесь.

Это самая быстрая реализация Java, которую я мог придумать, используя комбинацию методов, предложенных другими в этой теме.

• Мод-256 тест
• Неточный тест mod-3465 (избегает целочисленного деления за счет некоторых ложных срабатываний)
• Квадратный корень с плавающей точкой, округлить и сравнить с входным значением

Я также экспериментировал с этими модификациями, но они не помогли производительности:

• Дополнительный мод-255 тест
• Деление входного значения на степени 4
• Быстрый обратный квадратный корень (для работы при больших значениях N требуется 3 итерации, достаточных для того, чтобы сделать это медленнее, чем аппаратная функция квадратного корня.)

public class SquareTester {

    public static boolean isPerfectSquare(long n) {
        if (n < 0) {
            return false;
        } else {
            switch ((byte) n) {
            case -128: case -127: case -124: case -119: case -112:
            case -111: case -103: case  -95: case  -92: case  -87:
            case  -79: case  -71: case  -64: case  -63: case  -60:
            case  -55: case  -47: case  -39: case  -31: case  -28:
            case  -23: case  -15: case   -7: case    0: case    1:
            case    4: case    9: case   16: case   17: case   25:
            case   33: case   36: case   41: case   49: case   57:
            case   64: case   65: case   68: case   73: case   81:
            case   89: case   97: case  100: case  105: case  113:
            case  121:
                long i = (n * INV3465) >>> 52;
                if (! good3465[(int) i]) {
                    return false;
                } else {
                    long r = round(Math.sqrt(n));
                    return r*r == n; 
                }
            default:
                return false;
            }
        }
    }

    private static int round(double x) {
        return (int) Double.doubleToRawLongBits(x + (double) (1L << 52));
    }

    /** 3465<sup>-1</sup> modulo 2<sup>64</sup> */
    private static final long INV3465 = 0x8ffed161732e78b9L;

    private static final boolean[] good3465 =
        new boolean[0x1000];

    static {
        for (int r = 0; r < 3465; ++ r) {
            int i = (int) ((r * r * INV3465) >>> 52);
            good3465[i] = good3465[i+1] = true;
        }
    }

}