Java源码 Integer.bitCount实现过程
public static int bitCount(int i) {
// HD, Figure 5-2
i = i - ((i >>> 1) & 0x55555555);
i = (i & 0x33333333) + ((i >>> 2) & 0x33333333);
i = (i + (i >>> 4)) & 0x0f0f0f0f;
i = i + (i >>> 8);
i = i + (i >>> 16);
return i & 0x3f;
}
第一眼看这个代码,完全看不懂。
搜查资料之后才懂:
原来是 先 两个两个一组,求二进制1的个数,并且用两位二进制存储在原处,然后四个四个一组,求二进制位1的个数,再把它存储以4位二进制到原处。以此类推直到计算完成。不得不感叹这个算法设计的精妙之处。
Google了一番,没有查到为什么这个设计。知其然,不知其所以然。
于是,我决定模拟一下发明者的想法,为什么要这么算,怎么想到的,进行求解过程的分析:
想到面试题 5升和3升的杯子 取 4升水这种问题了,这种题不就是利用加减法来回计算吗?利用已知的来求解未知的。
我们平时数数是不是喜欢一对一对的数啊?
先观察存储的情况:
src | store | remark |
---|---|---|
00 | 00 | 这两位没有,那就用0存储 |
01 | 01 | 这两位只有一个1,就用1存储 |
10 | 01 | 这两位也只有一个1,也用1存储 |
11 | 10 | 这两位有两个1,用10存储 |
那么就一对一对的数,已知 src列 求出 store列?
列式计算:
- 设 λ = i - x
- 00 = 00 - 00;
- 01 = 01 - 00;
- 01 = 10 - 01;
- 10 = 11 - 01;
那么 x 又如何通过i得到呢?
我们手无寸铁,对CPU来说也只有加法和移位的手段。假如发明者列出这种算式,敏感的他一下子
很容易看出来:
x=i>>>1
就这么简单
那么得到:
λ = i - (i>>>1)
那么i不止两位怎么处理?如果这个是最后的两位,那么移位之后后面一位二进制可以抹掉
而前面的移位会影响后面的最高位,那么把移出去的那一位消除:
i>>>1 & 01;
即为:01010101 01010101 01010101 01010101
λ = i - (i>>>1 & 0x55555555)
问题解决。
那么 计算了两位的如何计算4位的二进制位呢?
枚举第一步计算完成的所有的情况:
src | target | remark | ref |
---|---|---|---|
0000 | 0000 | = 0000 & 0011 | |
0001 | 0001 | = 0001 & 0011 | 01 = 01 & 11 |
0010 | 0010 | = 0010 & 0011 | 10 = 10 & 11 |
0100 | 0001 | = 01 + 00 | |
0101 | 0010 | = 01 + 01 | |
0110 | 0011 | = 01 + 10 | |
1000 | 0010 | = 10 + 00 | |
1001 | 0011 | = 10 + 01 | |
1010 | 0100 | = 10 + 10 |
后面两组可以参照第一组的结果,那么可以推算
四位中低两位 bb = aabb & 0011,主要要计算与高两位的和:
已知可以用1100& aabb =aa00得到左边的值,但是多了两个00,那么要计算aa + bb:
可以 aabb>>>2 = 00aa(bb)只看这两位,移位多出去的被00消除,不影响后面的计算。
即:
λ =( i & 0x0011) + (i>>>2 & 0x0011)
也就是:
λ =( i & 0x33333333) + (i>>>2 & 0x33333333)
同理求8位里面的两边4位之和:
λ =( i + i>>>4) & 0x0F0F0F0F
求16位的两边之和:
λ = i + (i >>> 8);
由于二等分是8位,而8位一共有4份。
A B C D
(C>>>8) + D D处8位的结果最大为 0001 0000不会进位到C。
(B>>>8) + C C处8位的结果最大为 0001 0000不会进位到B。
(A>>>8) + B B处8位的结果最大为 0001 0000不会进位到B。
A + 0 A处最大结果为 0000 1000
得到
A A+B B+C C+D
最后是求32位全部的内容也就是求(A+B)+(C+D)
A A+B B+C C+D
+
0 0 A A+B
也就是
λ= i + (i >>> 16)
A A+B A+B+C A+B+C+D
A+B+C+D最大也就32个:
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010 0000
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011 1111 = 0x3F
之所以要return i&0x3F,就是把前面抹干净。
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