位数组上的快速与运算答案

【问题标题】：Fast AND operation on bit arrays位数组上的快速与运算
【发布时间】：2020-06-03 07:20:01
【问题描述】：

在大型位数组上进行按位与运算的更快算法是什么？我已经使用 char 数组在 C++ 中实现了位数组。现在，我正在遍历每个字节并执行 AND 操作。

void ANDoperation(char* A, char* B){
  for (int i=0; i<(array_size/8 +1); i++ ){
    A[i] &= B[i];
  }
}

对于 K 个数组，我正在迭代执行此函数 K-1 次。

【问题讨论】：

您对“速度”和“效率”的要求是什么？这是否被认为是您程序的主要（前两个）瓶颈？您是否在启用编译器优化的情况下完成了测量和基准测试？
如果您知道您的数组已正确对齐，并且它们的长度超过 2 或 4 个字节，您可以在 uint16_t、uint32_t 或 uint64_t 的块中执行 AND（在更复杂的代码的成本）。
@Someprogrammerdude 是的。我尝试过 O2 优化。这是瓶颈。在我的情况下，位数组大小是 > 10^6。
O2 可能不会开启矢量化。试试O3，并考虑让你的指针restricted。如果没有restrict，可能会避免矢量化。正确对齐数组以进行矢量化可能也是一个好主意（例如，在 AVX-512 的 64 位边界处）。这个问题可能是相关的：How to tell GCC that a pointer argument is always double-word-aligned?你如何衡量它是一个瓶颈？ 10^6 是一个非常小的数组。
在此处比较这些版本：godbolt.org/z/hedNBo。您可以观察到，在第二种情况下，循环中的指令数量最少（1x 向量寄存器加载、1x 和 1x 存储）。

标签： c++ arrays char bitarray bitwise-and

【解决方案1】：

如果您想采用更 C++ 的方式，我建议您按以下方式使用 std::bitset：

#include <iostream>
#include <bitset>

int main()  {
    std::bitset<3> v1(0b110);
    std::bitset<3> v2(0b011);

    v1 &= v2;

    std::cout << v1.to_string() << std::endl; // 010

    return 0;
}

Demo

或如@AndrewBainbridge 建议的那样：

void and_operation(std::bitset<3000>& v1, std::bitset<3000> const& v2) {
    v1 &= v2;
}

【讨论】：

您没有指定-O3，所以没有进行优化。但是即使进行了优化，这也会导致非常糟糕的性能，因为std::vector<bool> 是一种在位上运行的专业化。只需检查输出程序集，您会看到没有完成矢量化
演示链接（指向 Godbolt 会话）显示编译器在编译时评估了 AND。这是一个更好的会话：godbolt.org/z/XN5k5u
bitset 的长度需要很大，否则编译器会在一条指令中完成整个数组。在我的示例中，我将长度设置为 3000。生成的代码是一个循环，每次迭代处理 64 位。
@AndrewBainbridge 是的，你是对的。我放 3 只是作为示例，但会放 3000。谢谢
另外，“在你的情况下”可能比“在安德鲁的情况下”更好，因为我们已经有两个评论者了。