在 C/C++ 中, 直接利用 (x + y) >> 1 来计算 \(\left\lfloor {\left( {x + y} \right)/2} \right\rfloor\) (两个整数的平均值并向下取整)以及直接利用 (x + y + 1) >> 1 来计算 \(\left\lceil {\left( {x + y} \right)/2} \right\rceil\) (两个整数的平均值并向上取整)的结果可能有误, 因为 (x + y) >> 1(x + y + 1) >> 1 中的 x + y 可能会发生数值溢出. 而 \(\left\lfloor {\left( {x + y} \right)/2} \right\rfloor\) 和 \(\left\lceil {\left( {x + y} \right)/2} \right\rceil\) 的结果是不可能数值溢出的, 这就引发我们思考可不可能通过某种方式来规避平均值计算中的数值溢出.

方式一

利用如下公式

\(\begin{align}
\left\lfloor {\left( {x + y} \right)/2} \right\rfloor = \left\lfloor {x/2} \right\rfloor + \left\lfloor {y/2} \right\rfloor + \left\lfloor {\left( {x\bmod 2 + y\bmod 2} \right)/2} \right\rfloor \hfill \\
\left\lceil {\left( {x + y} \right)/2} \right\rceil = \left\lfloor {x/2} \right\rfloor + \left\lfloor {y/2} \right\rfloor + \left\lceil {\left( {x\bmod 2 + y\bmod 2} \right)/2} \right\rceil \hfill \\
\end{align}\)

下面是对上述两式的证明:

\(\begin{align}
\left\lfloor {\left( {x + y} \right)/2} \right\rfloor &= \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}
{m + n}&{x = 2m,y = 2n} \\
{m + n}&{x = 2m + 1,y = 2n} \\
{m + n}&{x = 2m,y = 2n + 1} \\
{m + n + 1}&{x = 2m + 1,y = 2n + 1}
\end{array}} \right. \\
&= \left\lfloor {x/2} \right\rfloor + \left\lfloor {y/2} \right\rfloor + \left\lfloor {\left( {x\bmod 2 + y\bmod 2} \right)/2} \right\rfloor \\
\end{align}\)

\(\begin{align}
\left\lceil {\left( {x + y} \right)/2} \right\rceil &= \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}
{m + n}&{x = 2m,y = 2n} \\
{m + n + 1}&{x = 2m + 1,y = 2n} \\
{m + n + 1}&{x = 2m,y = 2n + 1} \\
{m + n + 1}&{x = 2m + 1,y = 2n + 1}
\end{array}} \right. \\
&= \left\lfloor {x/2} \right\rfloor + \left\lfloor {y/2} \right\rfloor + \left\lceil {\left( {x\bmod 2 + y\bmod 2} \right)/2} \right\rceil \\
\end{align}\)

其中 \(m,n\) 均为整数.

借用上面的公式可以 \(\left\lfloor {\left( {x + y} \right)/2} \right\rfloor\) 转化为如下的 C/C++ 代码 (据说这段代码还被申请了专利):

(x >> 1) + (y >> 1) + (x & y & 1);

可以将 \(\left\lceil {\left( {x + y} \right)/2} \right\rceil\) 转化为如下的 C/C++ 代码:

(x >> 1) + (y >> 1) + ((x | y) & 1);

这两段代码都不会发生数值溢出.

方式二

设 x 和 y 只能取 0 和 1 值, 则:

x y x + y x ^ y x & y x | y 2*(x & y) + (x ^ y) 2*(x | y) - (x ^ y)
0 0 0 0 0 0 0 + 0 = 0 0 - 0 = 0
0 1 1 1 0 1 0 + 1 = 1 10 - 1 = 1
1 0 1 1 0 1 0 + 1 = 1 10 - 1 = 1
1 1 10 0 1 1 10 + 0 = 10 10 - 0 = 10

注意上表中的 10 是二进制下的 10, 即十进制下的 2, & 是逻辑与操作, | 是逻辑或运算, ^ 是逻辑异或操作.

由上表可见 x + y = 2*(x & y) + (x ^ y) = 2*(x | y) - (x ^ y).

无符号整型

对于无符号整型, 设 \(x = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {{u_i}{2^i}}\) 和 \(y = \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {{v_i}{2^i}}\), 其中 \(u_i,v_i\in\left\{ 0, 1 \right\}\).

\(\begin{align}
x + y &= \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {{u_i}{2^i}} {\text{ + }}\sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {{v_i}{2^i}} \\
&= \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i} + {v_i}} \right){2^i}} \\
&= \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {2 \times \left( {{u_i}\& {v_i}} \right) + \left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right)} \right){2^i}} \\
&= 2\sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}\& {v_i}} \right){2^i}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^i}} \\
\end{align}\)

\(\begin{align}
\left\lfloor {\left( {x + y} \right)/2} \right\rfloor &= \left\lfloor {\sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}\& {v_i}} \right){2^i}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^{i - 1}}} } \right\rfloor \\
&= \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}\& {v_i}} \right){2^i}} + \sum\nolimits_{i = 1}^{n - 1} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^{i - 1}}} \\
\end{align}\)

上式用 C/C++语言可以表示为:

(x & y) + ((x ^ y) >> 1);

\(\begin{align}
x + y &= \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {{u_i}{2^i}} {\text{ + }}\sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {{v_i}{2^i}} \\
&= \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i} + {v_i}} \right){2^i}} \\
&= \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {2 \times \left( {{u_i}|{v_i}} \right) - \left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right)} \right){2^i}} \\
&= 2\sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}|{v_i}} \right){2^i}} - \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^i}} \\
\end{align}\)

\(\begin{align}
\left\lceil {\left( {x + y} \right)/2} \right\rceil &= \left\lceil {\sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}|{v_i}} \right){2^i}} - \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^{i - 1}}} } \right\rceil \\
&= \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}|{v_i}} \right){2^i}} - \sum\nolimits_{i = 1}^{n - 1} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^{i - 1}}} \\
\end{align}\)

上式用 C/C++ 语言可以表示为:

(x | y) - ((x ^ y) >> 1);

有符号整型

对于有符号整型, 设 \(x = - {u_{n - 1}}{2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {{u_i}{2^i}}\) 和 \(y = - {v_{n - 1}}{2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {{v_i}{2^i}}\), 其中 \(u_i,v_i\in\left\{ 0, 1 \right\}\).

\(\begin{align}
x + y &= - {u_{n - 1}}{2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {{u_i}{2^i}} - {v_{n - 1}}{2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {{v_i}{2^i}} \\
&= - \left( {{u_{n - 1}} + {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {\left( {{u_i} + {v_i}} \right){2^i}} \\
&= - \left( {2 \times \left( {{u_{n - 1}}\& {v_{n - 1}}} \right) + \left( {{u_{n - 1}} \wedge {v_{n - 1}}} \right)} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {\left( {2 \times \left( {{u_i}\& {v_i}} \right) + \left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right)} \right){2^i}} \\
&= 2\left( { - \left( {{u_{n - 1}}\& {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}\& {v_i}} \right){2^i}} } \right) + \left( { - \left( {{u_{n - 1}} \wedge {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^i}} } \right) \\
\end{align}\)

\(\begin{align}
\left\lfloor {\left( {x + y} \right)/2} \right\rfloor &= \left\lfloor {\left( { - \left( {{u_{n - 1}}\& {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}\& {v_i}} \right){2^i}} } \right) + \left( { - \left( {{u_{n - 1}} \wedge {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 2}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^{i - 1}}} } \right)} \right\rfloor \\
&= \left( { - \left( {{u_{n - 1}}\& {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}\& {v_i}} \right){2^i}} } \right) + \left( { - \left( {{u_{n - 1}} \wedge {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 2}} + \sum\nolimits_{i = 1}^{n - 2} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^{i - 1}}} } \right) \\
\end{align}\)

上式用 C/C++ 语言可以表示为:

(x & y) + ((x ^ y) >> 1);

\(\begin{align}
x + y &= - {u_{n - 1}}{2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {{u_i}{2^i}} - {v_{n - 1}}{2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {{v_i}{2^i}} \\
&= - \left( {{u_{n - 1}} + {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {\left( {{u_i} + {v_i}} \right){2^i}} \\
&= - \left( {2 \times \left( {{u_{n - 1}}|{v_{n - 1}}} \right) - \left( {{u_{n - 1}} \wedge {v_{n - 1}}} \right)} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {\left( {2 \times \left( {{u_i}|{v_i}} \right) - \left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right)} \right){2^i}} \\
&= 2\left( { - \left( {{u_{n - 1}}|{v_{n - 1}}} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}|{v_i}} \right){2^i}} } \right) - \left( { - \left( {{u_{n - 1}} \wedge {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^i}} } \right) \\
\end{align}\)

\(\begin{align}
\left\lceil {\left( {x + y} \right)/2} \right\rceil &= \left\lceil {\left( { - \left( {{u_{n - 1}}|{v_{n - 1}}} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}|{v_i}} \right){2^i}} } \right) - \left( { - \left( {{u_{n - 1}} \wedge {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 2}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 2} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^{i - 1}}} } \right)} \right\rceil \\
&= \left( { - \left( {{u_{n - 1}}|{v_{n - 1}}} \right){2^{n - 1}} + \sum\nolimits_{i = 0}^{n - 1} {\left( {{u_i}|{v_i}} \right){2^i}} } \right) - \left( { - \left( {{u_{n - 1}} \wedge {v_{n - 1}}} \right){2^{n - 2}} + \sum\nolimits_{i = 1}^{n - 2} {\left( {{u_i} \wedge {v_i}} \right){2^{i - 1}}} } \right) \\
\end{align}\)

上式用 C/C++ 语言可以表示为:

(x | y) - ((x ^ y) >> 1);

综合

综合上面的分析, 可见对于有符号整型和无符号整型,

\(\left\lceil {\left( {x + y} \right)/2} \right\rceil\) 都可以用 C/C++ 语言表示为:

(x & y) + ((x ^ y) >> 1);

\(\left\lceil {\left( {x + y} \right)/2} \right\rceil\) 都可以用 C/C++ 语言表示为:

(x | y) - ((x ^ y) >> 1);

参考:

版权声明

版权声明:自由分享,保持署名-非商业用途-非衍生,知识共享3.0协议。

如果你对本文有疑问或建议,欢迎留言!转载请保留版权声明!

如果你觉得本文不错, 也可以用微信赞赏一下哈.

C/C++代码优化之求两个整型的平均值的更多相关文章

  1. swap 用指针交换两个整型数值

  2. c++作业:输入两个整数,用函数求两数之和。函数外部声明有什么作用?

    #include <iostream> using namespace std; int main(){ //求两数的和? int a,b,s; cout<<"请你输 ...

  3. Php数据类型之整型详解

    php中支持的数据类型 在php中主要支持8种数据类型.和3中伪类型的一个形式.8种数据类型分为以下三3大类,第一个就是我们的标量类型,标量类型它只能存储单一数据,那第二大类就是我们的复合类型,第三个 ...

  4. java 整型相除得到浮点型

    public class TestFloatOrDouble { public static void main(String[] args) { Point num1 = new Point(84, ...

  5. python 函数求两个数的最大公约数和最小公倍数

    1. 求最小公倍数的算法: 最小公倍数  =  两个整数的乘积 /  最大公约数 所以我们首先要求出两个整数的最大公约数, 求两个数的最大公约数思路如下: 2. 求最大公约数算法: 1. 整数A对整数 ...

  6. JavaScript求两个数字之间所有数字的和

    这是在fcc上的中级算法中的第一题,拉出来的原因并不是因为有什么好说的,而是我刚看时以为是求两个数字的和, 很显然错了.我感觉自己的文字理解能力被严重鄙视了- -.故拉出来折腾折腾. 要求: 给你一个 ...

  7. [LeetCode] Intersection of Two Linked Lists 求两个链表的交点

    Write a program to find the node at which the intersection of two singly linked lists begins. For ex ...

  8. 求两圆相交部分面积(C++)

    已知两圆圆心坐标和半径,求相交部分面积: #include <iostream> using namespace std; #include<cmath> #include&l ...

  9. 面试问题2:给一个5G的大文件,保存的数据为32位的整型,找到所有出现次数超过两次的数字

    问题描述:给一个5G的大文件,保存的数据为32位的整型,找到所有出现次数超过两次的数字 大数据操作: 解决方法一: 依次遍历文件数据, 开始32二进制清0 每次读取一个数,先和二进制位与,如果为0 则 ...

随机推荐

  1. EOS基础全家桶(十)交易Action操作

    简介 区块链上的所有操作都是通过交易(Transaction)上链的,无论你是转账交易还是发起的智能合约的调用,而EOS和传统区块链不同的是EOS在一个交易里可以发起多个行为(Action),这使得E ...

  2. C# 数据操作系列 - 0. 序言

    0. 前言 在上一个系列中,我们初步浏览了一下C#的基础知识.这句话的意思就是C#基础知识系列完结了,撒花.当然,并不是因为C#已经讲完了.正是因为我们轻轻地叩开了那扇门,才能看到门后面那瑰丽的世界. ...

  3. webpack-基础知识

    一.webpack介绍 webpack是一个前端模块化工具,简单解释:webpack就是处理多个文件,根据设置的规则,对文件进行合并和修改. 正式说:webpack是一个模块化打包工具.从入口模块出发 ...

  4. 【FPGA技巧篇一】FPGA设计的四种常用思想与技巧之一 :乒乓操作

    本文篇章将讨论一下的四种常用 FPGA 设计思想与技巧: 乒乓操作. 串并转换. 流水线操作. 数据接口同步化, 都是 FPGA 逻辑设计的内在规律的体现, 合理地采用这些设计思想能在FPGA设计工作 ...

  5. 【HBase】底层原理

    目录 系统架构 表数据模型 物理存储 系统架构 在文章[HBase]基本介绍和基础架构中已经有简单介绍 Client -- 包含访问hbase的接口,client维护着一些cache来加快对hbase ...

  6. Spring JDBC 框架使用JdbcTemplate 类的一个实例

    JDBC 框架概述 在使用普通的 JDBC 数据库时,就会很麻烦的写不必要的代码来处理异常,打开和关闭数据库连接等.但 Spring JDBC 框架负责所有的低层细节,从开始打开连接,准备和执行 SQ ...

  7. pthon-安装新版PyQt5、PyQT5-tool后打不开并Designer.exe提示“This application failed to start because no Qt platform plugin could be initialized.Reinstalling the application the application may fix this program”

    最近学习python,安装网上教程一步一步的安装,网上很多帖子都写的非常详细,不由深深感慨多谢各位不辞辛苦的记录,指导着来自新入门的同学. 但是实际安装中,最理想莫过于一次性安装成功,但自己安装就出现 ...

  8. HBase 安装snappy压缩软件以及相关编码配置

    HBase 安装snappy压缩软件以及相关编码配置 前言 ​ 在使用HBase过程中因为数据存储冗余.备份数等相关问题占用过多的磁盘空间,以及在入库过程中为了增加吞吐量所以会采用相关的压缩算法来压缩 ...

  9. 《学习笔记》.NET Core API搭建

    1.创建 ASP.NET Core Web程序,记住取消HTTPS配置 2.此时一个简单的.NET Core API 架子搭建好了,细心的人可以发现Properties下面不是CS文件,确是launc ...

  10. XLNet看这篇文章就足以!

    文章链接:https://arxiv.org/pdf/1906.08237.pdf 代码链接:英文--https://github.com/zihangdai/xlnet      中文--https ...