Эффективный алгоритм обращения битов (от MSB-> LSB к LSB-> MSB) в C

Какой алгоритм наиболее эффективен для достижения следующего:

0010 0000 => 0000 0100

Преобразование из MSB-> LSB в LSB-> MSB. Все биты должны быть обращены; то есть это не обмен байтов

ПРИМЕЧАНИЕ . Все приведенные ниже алгоритмы написаны на языке C, но должны быть совместимы с выбранным вами языком (только не смотрите на меня, когда они не такие быстрые :)

Параметры

Недостаточно памяти (32-разрядная int, 32-разрядная машина) ( отсюда ):

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));

}

Со знаменитой страницы Bit Twiddling Hacks :

Самый быстрый (справочная таблица) :

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]];

Вы можете расширить эту идею до 64-битных intс или обменять память на скорость (при условии, что ваш кэш данных L1 достаточно большой) и инвертировать 16 битов за раз с помощью таблицы поиска с 64Кб.

другие

просто

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

Быстрее (32-битный процессор)

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

Быстрее (64-битный процессор)

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

Если вы хотите сделать это на 32-битной системе int, просто поменяйте местами биты в каждом байте и измените порядок байтов. То есть:

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);

Полученные результаты

Я проверил два наиболее многообещающих решения: таблицу поиска и побитовое И (первое). Тестовый компьютер представляет собой ноутбук с 4 ГБ памяти DDR2-800 и Core 2 Duo T7500 с частотой 2,4 ГГц, 4 МБ кэш-памяти второго уровня; YMMV. Я использовал gcc 4.3.2 на 64-битном Linux. OpenMP (и привязки GCC) использовались для таймеров с высоким разрешением.

reverse.c

#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;
}

Я испробовал оба подхода с несколькими разными оптимизациями, провел 3 испытания на каждом уровне, и каждое испытание изменило 100 миллионов случайных unsigned ints. Для варианта таблицы поиска я попробовал обе схемы (варианты 1 и 2), приведенные на странице побитовых хаков. Результаты показаны ниже.

Побитовое И

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

Таблица поиска (вариант 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  

Таблица поиска (вариант 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

Вывод

Используйте таблицу поиска с опцией 1 (адресация байтов не удивительно медленная), если вы беспокоитесь о производительности. Если вам необходимо выжать из системы каждый последний байт памяти (и вы можете, если вам небезразлична производительность обращения битов), оптимизированные версии подхода побитового И не слишком потрепанные.

Предостережение

Да, я знаю, что эталонный код - полный взлом. Предложения о том, как его улучшить, приветствуются. Что я знаю о:

• У меня нет доступа к ICC. Это может быть быстрее (пожалуйста, ответьте в комментарии, если вы можете проверить это).
• Таблица поиска 64K может хорошо работать на некоторых современных микроархитектурах с большим L1D.
• -mtune = native не работал для -O2 / -O3 ( ldвзорвался из-за какой-то сумасшедшей ошибки переопределения символов), поэтому я не верю, что сгенерированный код настроен для моей микроархитектуры.
• Может быть способ сделать это немного быстрее с SSE. Я понятия не имею, как, но с быстрой репликацией, упакованным побитовым AND и быстрыми инструкциями, должно быть что-то там.
• Я знаю только достаточно сборки x86, чтобы быть опасной; Вот код GCC, сгенерированный для -O3 для варианта 1, так что кто-нибудь, обладающий более глубокими знаниями, может проверить это:

32-битный

.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

РЕДАКТИРОВАТЬ: я также пытался использовать uint64_tтипы на моей машине, чтобы увидеть, есть ли какое-либо повышение производительности. Производительность была примерно на 10% выше, чем у 32-битных, и была почти одинаковой, независимо от того, использовали ли вы только 64-битные типы для инвертирования битов на двух 32-битных intтипах за раз, или же вы действительно инвертировали биты вдвое меньше, чем 64-битные. битовые значения. Код ассемблера показан ниже (для первого случая биты обращения для двух 32-битных intтипов одновременно):

.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

Этот поток привлек мое внимание, так как он имеет дело с простой проблемой, которая требует большой работы (циклы ЦП) даже для современного ЦП. И однажды я тоже стоял там с той же проблемой #% "#". Я должен был перевернуть миллионы байтов. Однако я знаю, что все мои целевые системы основаны на современных технологиях Intel, поэтому давайте начнем оптимизацию до крайности !!!

Поэтому я использовал код поиска Мэтта Дж в качестве базы. система, на которой я бенчмаркинг - это i7 haswell 4700eq.

Бит Мэтта Дж, ищущий бит 400 000 000 байтов: около 0,272 секунды.

Затем я попытался выяснить, может ли компилятор Intel ISPC векторизовать арифметику в обратном порядке.

Я не собираюсь утомлять вас своими выводами, так как я много пытался помочь компилятору найти материал, так или иначе, в результате у меня была производительность около 0,15 секунды, чтобы перехватить 400 000 000 байтов. Это большое сокращение, но для моего приложения это все еще слишком медленно ..

Поэтому люди позволяют мне представить самый быстрый в мире процессор на базе Intel. Закрыто в:

Время до 600000000 байт: 0,050082 секунды !!!!!

// 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 для отладки ..

Вот рабочая лошадка:

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

Код занимает 32 байта, а затем маскирует кусочки. Высокий клев смещается вправо на 4. Затем я использую vpshufb и ymm4 / ymm3 в качестве справочных таблиц. Я мог бы использовать одну справочную таблицу, но тогда мне пришлось бы сдвинуть влево, прежде чем ИЛИ снова откусить кусочки.

Есть даже более быстрые способы перевернуть биты. Но я связан с одним потоком и процессором, так что это было самое быстрое, чего я мог достичь. Можете ли вы сделать более быструю версию?

Пожалуйста, не комментируйте использование внутренних эквивалентных команд компилятора Intel C / C ++ ...

Это еще одно решение для людей, которые любят рекурсию.

Идея проста. Разделите ввод на половину и поменяйте местами две половины, продолжайте, пока не достигнете одного бита

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

Вот рекурсивная функция для ее решения. (Обратите внимание, что я использовал беззнаковые целые, поэтому он может работать для входных данных размером до sizeof (unsigned int) * 8 бит.

Рекурсивная функция принимает 2 параметра - значение, биты которого должны быть обращены, и количество битов в значении.

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);
}

Это вывод:

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

Ну, это, конечно, не будет ответом, как у Мэтта Джей, но, надеюсь, он все равно будет полезен.

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;
}

Это в точности та же идея, что и в лучшем алгоритме Мэтта, за исключением того, что есть небольшая инструкция BSWAP, которая меняет байты (а не биты) 64-битного числа. Таким образом, b7, b6, b5, b4, b3, b2, b1, b0 становятся b0, b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7. Поскольку мы работаем с 32-битным числом, нам нужно сместить наше число с заменой байтов на 32 бита. Это только оставляет нас с задачей замены 8 бит каждого байта, что сделано и вуаля! были сделаны.

Время: на моей машине алгоритм Мэтта выполнялся за ~ 0.52 секунды за испытание. Мой пробежал примерно за 0,42 секунды за испытание. На 20% быстрее не плохо, я думаю.

Если вас беспокоит доступность инструкции BSWAP, в Википедии перечислена инструкция BSWAP как добавляемая с 80846, которая вышла в 1989 году. Следует отметить, что Википедия также утверждает, что эта инструкция работает только с 32-битными регистрами, что явно не Случай на моей машине, он очень работает только на 64-битных регистрах.

Этот метод будет одинаково хорошо работать для любого интегрального типа данных, поэтому метод можно обобщить тривиально, передавая желаемое количество байтов:

    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;
    }

который затем можно назвать так:

    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

Компилятор должен иметь возможность оптимизировать дополнительный параметр (при условии, что компилятор указывает на функцию), и в этом sizeof(size_t)случае сдвиг вправо будет полностью удален. Обратите внимание, что GCC по крайней мере не может удалить BSWAP и сдвиг вправо, если он пройден sizeof(char).

Ответ Андерса Седрониуса предоставляет отличное решение для людей, которые имеют процессор x86 с поддержкой AVX2. Для платформ x86 без поддержки AVX или платформ, отличных от x86, любая из следующих реализаций должна работать хорошо.

Первый код представляет собой вариант классического метода двоичного разделения, закодированный для максимального использования логики сдвига плюс логика, полезной на различных процессорах ARM. Кроме того, он использует генерацию маски «на лету», которая может быть полезна для процессоров RISC, которые в противном случае требуют нескольких инструкций для загрузки каждого 32-битного значения маски. Компиляторы для платформ x86 должны использовать постоянное распространение для вычисления всех масок во время компиляции, а не во время выполнения.

/* 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;
}

В томе 4А «Искусства компьютерного программирования» Д. Кнут показывает умные способы обращения битов, которые на удивление требуют меньше операций, чем классические двоичные алгоритмы разбиения. Один такой алгоритм для 32-битных операндов, который я не могу найти в TAOCP, показан в этом документе на веб-сайте Hacker's Delight.

/* 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;
}

Используя компилятор Intel C / C ++ 13.1.3.198, обе из вышеперечисленных функций автоматически векторизуют нужные XMMрегистры. Они также могут быть векторизованы вручную без особых усилий.

На моем IvyBridge Xeon E3 1270v2 с использованием автоматического векторизованного кода 100 миллионов uint32_tслов были инвертированы в битах за 0,070 секунды с использованием brev_classic()и 0,068 секунды с использованием brev_knuth(). Я позаботился о том, чтобы мой тест не ограничивался пропускной способностью системной памяти.

Предполагая, что у вас есть массив битов, как об этом: 1. Начиная с MSB, вставьте биты в стек один за другим. 2. Вставьте биты из этого стека в другой массив (или в тот же массив, если вы хотите сэкономить место), поместив первый выданный бит в MSB и перейдя к менее значимым битам оттуда.

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();
}

Собственная инструкция ARM "rbit" может сделать это с 1 циклом процессора и 1 дополнительным регистром процессора, который невозможно превзойти.

Это не работа для человека! ... но идеально подходит для машины

Это 2015 год, через 6 лет после того, как этот вопрос был впервые задан. Компиляторы с тех пор стали нашими хозяевами, и наша задача как людей - помогать им. Итак, как лучше всего передать наши намерения машине?

Реверсирование битов настолько распространено, что вам нужно задаться вопросом, почему постоянно растущий ISA в x86 не содержит инструкции сделать это за один раз.

Причина: если вы дадите компилятору свое истинное краткое намерение, инверсия битов займет всего ~ 20 циклов ЦП . Позвольте мне показать вам, как создать reverse () и использовать его:

#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;
}

Компиляция этого примера программы с версией Clang> = 3.6, -O3, -march = native (протестировано с Haswell), дает код качества художественного произведения с использованием новых инструкций AVX2 с временем выполнения 11 секунд, обрабатывающим ~ 1 миллиард обратных () с. Это ~ 10 нс на реверс (), при этом цикл ЦП составляет 0,5 нс, при условии, что 2 ГГц дают нам целых 20 тактов процессора.

• Вы можете установить 10 reverse () за время, необходимое для доступа к ОЗУ один раз для одного большого массива!
• Вы можете установить 1 reverse () за время, необходимое для двойного доступа к LUT кэша L2.

Предостережение: этот пример кода должен оставаться достойным эталоном в течение нескольких лет, но в конечном итоге он начнет показывать свой возраст, когда компиляторы станут достаточно умными, чтобы оптимизировать main (), чтобы просто напечатать окончательный результат вместо того, чтобы что-то вычислять. Но пока это работает в демонстрации реверса ().

Конечно, очевидный источник взломанных битов здесь: http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#BitReverseObvious

Я знаю, что это не C, а asm:

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

Это работает с битом переноса, так что вы можете сохранить флаги тоже

Реализация с низким объемом памяти и быстрее всего.

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;
    }

Ну, это в основном то же самое, что и первый «reverse ()», но он 64-битный и требует только одну непосредственную маску для загрузки из потока команд. GCC создает код без переходов, поэтому это должно быть довольно быстро.

#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;
}

Мне было любопытно, как быстро будет очевидное сырое вращение. На моей машине (i7 @ 2600) среднее значение для 1 500 150 000 итераций составляло 27.28 ns(более случайного набора из 131 071 64-разрядных целых чисел).

Преимущества: количество необходимой памяти мало, а код прост. Я бы сказал, что это не так уж и много. Требуемое время является предсказуемым и постоянным для любого ввода (128 арифметических операций SHIFT + 64 логических операции И + 64 операции логического ИЛИ).

Я сравнил с лучшим временем, полученным @Matt J - у которого есть принятый ответ. Если я правильно прочитал его ответ, лучшее, что он получил, - это 0.631739секунды на 1,000,000итерации, что приводит к среднему значению 631 nsза оборот.

Ниже приведен фрагмент кода:

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);
}

Возможно, вы захотите использовать стандартную библиотеку шаблонов. Это может быть медленнее, чем вышеупомянутый код. Однако, мне кажется, это понятнее и проще для понимания.

 #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;  
 }