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漢明重量

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漢明重量是一串符號中非零符號的個數。因此它等同於同樣長度的全零符號串的漢明距離。在最為常見的數據位符號串中,它是1的個數。
漢明重量是以理查德·衞斯里·漢明的名字命名的,它在包括信息論編碼理論密碼學等多個領域都有應用。 [1] 
中文名
漢明重量
本    質
一串符號中非零符號的個數
特    點
等於同長度全零符號串的漢明距離

漢明重量SWAR算法“計算漢明重量”

第一步:
計算出來的值i的二進制可以按每2個二進制位為一組進行分組,各組的十進制表示的就是該組的漢明重量。
第二步:
計算出來的值i的二進制可以按每4個二進制位為一組進行分組,各組的十進制表示的就是該組的漢明重量。
第三步:
計算出來的值i的二進制可以按每8個二進制位為一組進行分組,各組的十進制表示的就是該組的漢明重量。
第四步:
i * (0x01010101)計算出漢明重量並記錄在二進制的高八位,>>24語句則通過右移運算,將漢明重量移到最低八位,最後二進制對應的十進制數就是漢明重量。
算法時間複雜度是O(1)的。
相關代碼
// 計算32位二進制的漢明重量
int32_t swar(int32_t i)
{    
    i = (i & 0x55555555) + ((i >> 1) & 0x55555555);
    i = (i & 0x33333333) + ((i >> 2) & 0x33333333);
    i = (i & 0x0F0F0F0F) + ((i >> 4) & 0x0F0F0F0F);
    i = (i * (0x01010101) >> 24);
    return i
}

漢明重量實現

圖一 圖一
在密碼學以及其它應用中經常需要計算數據位中1的個數,針對如何高效地實現人們已經廣泛地進行了研究。一些處理器使用單個的命令進行計算,另外一些根據數據位向量使用並行運算進行處理。對於沒有這些特性的處理器來説,已知的最好解決辦法是按照樹狀進行相加。例如,要計算二進制數A=0110110010111010中1的個數,這些運算可以表示為圖一:
這裏的運算是用C語言表示的,所以X >> Y表示X右移Y位,X & Y表示X與Y的位與,+表示普通的加法。基於上面所討論的思想的這個問題的最好算法列在這裏:
//types and constants used in the functions below
 
typedef unsigned __int64 uint64;  //assume this gives 64-bits
const uint64 m1 = 0x5555555555555555; //binary: 0101...
const uint64 m2 = 0x3333333333333333; //binary: 00110011..
const uint64 m4 = 0x0f0f0f0f0f0f0f0f; //binary:  4 zeros,  4 ones ...
const uint64 m8 = 0x00ff00ff00ff00ff; //binary:  8 zeros,  8 ones ...
const uint64 m16 = 0x0000ffff0000ffff; //binary: 16 zeros, 16 ones ...
const uint64 m32 = 0x00000000ffffffff; //binary: 32 zeros, 32 ones ...
const uint64 hff = 0xffffffffffffffff; //binary: all ones
const uint64 h01 = 0x0101010101010101; //the sum of 256 to the power of 0,1,2,3...
 
//This is a naive implementation, shown for comparison,
//and to help in understanding the better functions.
//It uses 24 arithmetic operations (shift, add, and).
int popcount_1(uint64 x) {
    x = (x & m1 ) + ((x >>  1) & m1 ); //put count of each  2 bits into those  2 bits
    x = (x & m2 ) + ((x >>  2) & m2 ); //put count of each  4 bits into those  4 bits
    x = (x & m4 ) + ((x >>  4) & m4 ); //put count of each  8 bits into those  8 bits
    x = (x & m8 ) + ((x >>  8) & m8 ); //put count of each 16 bits into those 16 bits
    x = (x & m16) + ((x >> 16) & m16); //put count of each 32 bits into those 32 bits
    x = (x & m32) + ((x >> 32) & m32); //put count of each 64 bits into those 64 bits
    return x;
}
 
//This uses fewer arithmetic operations than any other known  
//implementation on machines with slow multiplication.
//It uses 17 arithmetic operations.
int popcount_2(uint64 x) {
    x -= (x >> 1) & m1;             //put count of each 2 bits into those 2 bits
    x = (x & m2) + ((x >> 2) & m2); //put count of each 4 bits into those 4 bits
    x = (x + (x >> 4)) & m4;        //put count of each 8 bits into those 8 bits
    x += x >>  8;  //put count of each 16 bits into their lowest 8 bits
    x += x >> 16;  //put count of each 32 bits into their lowest 8 bits
    x += x >> 32;  //put count of each 64 bits into their lowest 8 bits
    return x &0xff;
}
 
//This uses fewer arithmetic operations than any other known  
//implementation on machines with fast multiplication.
//It uses 12 arithmetic operations, one of which is a multiply.
int popcount_3(uint64 x) {
    x -= (x >> 1) & m1;             //put count of each 2 bits into those 2 bits
    x = (x & m2) + ((x >> 2) & m2); //put count of each 4 bits into those 4 bits
    x = (x + (x >> 4)) & m4;        //put count of each 8 bits into those 8 bits
    return (x * h01)>>56;  //returns left 8 bits of x + (x<<8) + (x<<16) + (x<<24) + ...
}
在最壞的情況下,上面的實現是所有已知算法中表現最好的。但是,如果已知大多數數據位是0的話,那麼還有更快的算法。這些更快的算法是基於這樣一種事實即X與X-1相得到的最低位永遠是0。例如圖二:
圖二 圖二
減1操作將最右邊的符號從0變到1,從1變到0,操作將會移除最右端的1。如果最初X有N個1,那麼經過N次這樣的迭代運算,X將減到0。下面的算法就是根據這個原理實現的。
//This is better when most bits in x are 0
//It uses 3 arithmetic operations and one comparison/branch per "1" bit in x.
int popcount_4(uint64 x) {
    uint64 count;
    for (count=0; x; count++)
        x &= x-1;
    return count;
}
 
//This is better if most bits in x are 0.
//It uses 2 arithmetic operations and one comparison/branch  per "1" bit in x.
//It is the same as the previous function, but with the loop unrolled.
#define f(y) if ((x &= x-1) == 0) return y;
int popcount_5(uint64 x) {
    if (x == 0) return 0;
    f( 1) f( 2) f( 3) f( 4) f( 5) f( 6) f( 7) f( 8)
    f( 9) f(10) f(11) f(12) f(13) f(14) f(15) f(16)
    f(17) f(18) f(19) f(20) f(21) f(22) f(23) f(24)
    f(25) f(26) f(27) f(28) f(29) f(30) f(31) f(32)
    f(33) f(34) f(35) f(36) f(37) f(38) f(39) f(40)
    f(41) f(42) f(43) f(44) f(45) f(46) f(47) f(48)
    f(49) f(50) f(51) f(52) f(53) f(54) f(55) f(56)
    f(57) f(58) f(59) f(60) f(61) f(62) f(63)
    return 64;
}
 
//Use this instead if most bits in x are 1 instead of 0
#define f(y) if ((x |= x+1) == hff) return 64-y;
參考資料
  • 1.    韓志芳. K次單項式旋轉對稱布爾函數的漢明重量[D]. 大連理工大學, 2013.