用C语言求一个整数的幂的最有效方法是什么?
// 2^3
pow(2,3) == 8
// 5^5
pow(5,5) == 3125
当前回答
迟到的人:
下面是一个尽可能处理y < 0的解。
It uses a result of intmax_t for maximum range. There is no provision for answers that do not fit in intmax_t. powjii(0, 0) --> 1 which is a common result for this case. pow(0,negative), another undefined result, returns INTMAX_MAX intmax_t powjii(int x, int y) { if (y < 0) { switch (x) { case 0: return INTMAX_MAX; case 1: return 1; case -1: return y % 2 ? -1 : 1; } return 0; } intmax_t z = 1; intmax_t base = x; for (;;) { if (y % 2) { z *= base; } y /= 2; if (y == 0) { break; } base *= base; } return z; }
这段代码使用了一个永久循环for(;;)，以避免在其他循环解决方案中常见的最终基数*=基数。这个乘法是1)不需要的，2)可能是int*int溢出，也就是UB。
其他回答
一种非常特殊的情况是，当你需要2^(-x ^ y)时，其中x当然是负的y太大了，不能对int型进行移位。你仍然可以用浮点数在常数时间内完成2^x。
struct IeeeFloat
{
unsigned int base : 23;
unsigned int exponent : 8;
unsigned int signBit : 1;
};
union IeeeFloatUnion
{
IeeeFloat brokenOut;
float f;
};
inline float twoToThe(char exponent)
{
// notice how the range checking is already done on the exponent var
static IeeeFloatUnion u;
u.f = 2.0;
// Change the exponent part of the float
u.brokenOut.exponent += (exponent - 1);
return (u.f);
}
使用double作为基底类型，可以得到更多的2的幂。 (非常感谢评论者帮助整理这篇文章)。
还有一种可能性是，学习更多关于IEEE浮点数的知识，其他幂运算的特殊情况可能会出现。
我已经实现了记忆所有计算权力的算法，然后在需要时使用它们。比如x^13等于(x^2)^2^2 * x^2 * x其中x^2^2是从表中取出来的而不是再计算一次。这基本上是@Pramod answer的实现(但在c#中)。 需要的乘法数是Ceil(Log n)
public static int Power(int base, int exp)
{
int tab[] = new int[exp + 1];
tab[0] = 1;
tab[1] = base;
return Power(base, exp, tab);
}
public static int Power(int base, int exp, int tab[])
{
if(exp == 0) return 1;
if(exp == 1) return base;
int i = 1;
while(i < exp/2)
{
if(tab[2 * i] <= 0)
tab[2 * i] = tab[i] * tab[i];
i = i << 1;
}
if(exp <= i)
return tab[i];
else return tab[i] * Power(base, exp - i, tab);
}
我注意到gnu-GMP的标准指数平方算法有些奇怪:
我实现了两个几乎相同的函数——一个是幂模函数，使用最普通的二进制指数平方算法，
标签______2 ()
然后另一个基本相同的概念，但重新映射为每轮除以10，而不是除以2，
标签______10 ()
.
( time ( jot - 1456 9999999999 6671 | pvE0 |
gawk -Mbe '
function ______10(_, __, ___, ____, _____, _______) {
__ = +__
____ = (____+=_____=____^= \
(_ %=___=+___)<_)+____++^____—
while (__) {
if (_______= __%____) {
if (__==_______) {
return (_^__ *_____) %___
}
__-=_______
_____ = (_^_______*_____) %___
}
__/=____
_ = _^____%___
}
}
function ______2(_, __, ___, ____, _____) {
__=+__
____+=____=_____^=(_%=___=+___)<_
while (__) {
if (__ %____) {
if (__<____) {
return (_*_____) %___
}
_____ = (_____*_) %___
--__
}
__/=____
_= (_*_) %___
}
}
BEGIN {
OFMT = CONVFMT = "%.250g"
__ = (___=_^= FS=OFS= "=")(_<_)
_____ = __^(_=3)^--_ * ++_-(_+_)^_
______ = _^(_+_)-_ + _^!_
_______ = int(______*_____)
________ = 10 ^ 5 + 1
_________ = 8 ^ 4 * 2 - 1
}
GNU Awk 5.1.1, API: 3.1 (GNU MPFR 4.1.0, GNU MP 6.2.1)
.
($ + + NF = ______10(_ = ___美元,NR %________ +_________,_______*(_- 11))) ^ !___“
out9: 48.4MiB 0:00:08 [6.02MiB/s] [6.02MiB/s] [ <=> ]
in0: 15.6MiB 0:00:08 [1.95MiB/s] [1.95MiB/s] [ <=> ]
( jot - 1456 9999999999 6671 | pvE 0.1 in0 | gawk -Mbe ; )
8.31s user 0.06s system 103% cpu 8.058 total
ffa16aa937b7beca66a173ccbf8e1e12 stdin
($ + + NF = ______ 2(_ = ___美元,NR %________ +_________,_______*(_- 11))) ^ !___“
out9: 48.4MiB 0:00:12 [3.78MiB/s] [3.78MiB/s] [<=> ]
in0: 15.6MiB 0:00:12 [1.22MiB/s] [1.22MiB/s] [ <=> ]
( jot - 1456 9999999999 6671 | pvE 0.1 in0 | gawk -Mbe ; )
13.05s user 0.07s system 102% cpu 12.821 total
ffa16aa937b7beca66a173ccbf8e1e12 stdin
由于一些非常违反直觉和我不知道的原因，对于我投入的各种各样的输入，div-10变体几乎总是更快。这是两个哈希值之间的匹配，这让它真正令人困惑，尽管计算机显然没有内置在10进制的范例中。
我是否在代码/方法中遗漏了一些关键或明显的东西，可能会以令人困惑的方式歪曲结果?谢谢。
这是对平方求幂效率的后续讨论。
这种方法的优点是它在log(n)时间内运行。例如，如果你要计算一个巨大的数，比如x^1048575(2^20 - 1)，你只需要循环20次，而不是使用朴素方法的100万+次。
此外，在代码复杂性方面，它比试图找到最优的乘法序列更简单，这是la Pramod的建议。
编辑:
我想我应该在有人指责我可能会溢出之前澄清一下。这种方法假设您有某种巨大的int库。
下面是一个计算x ** y的O(1)算法，灵感来自这条评论。它适用于32位有符号int。
对于较小的y值，它使用平方求幂。对于较大的y值，只有少数x值的结果不会溢出。这个实现使用一个查找表来读取结果而不进行计算。
对于溢出，C标准允许任何行为，包括崩溃。但是，我决定对LUT索引进行边界检查，以防止内存访问违反，这可能是令人惊讶和不受欢迎的。
伪代码:
If `x` is between -2 and 2, use special-case formulas.
Otherwise, if `y` is between 0 and 8, use special-case formulas.
Otherwise:
Set x = abs(x); remember if x was negative
If x <= 10 and y <= 19:
Load precomputed result from a lookup table
Otherwise:
Set result to 0 (overflow)
If x was negative and y is odd, negate the result
C代码:
#define POW9(x) x * x * x * x * x * x * x * x * x
#define POW10(x) POW9(x) * x
#define POW11(x) POW10(x) * x
#define POW12(x) POW11(x) * x
#define POW13(x) POW12(x) * x
#define POW14(x) POW13(x) * x
#define POW15(x) POW14(x) * x
#define POW16(x) POW15(x) * x
#define POW17(x) POW16(x) * x
#define POW18(x) POW17(x) * x
#define POW19(x) POW18(x) * x
int mypow(int x, unsigned y)
{
static int table[8][11] = {
{POW9(3), POW10(3), POW11(3), POW12(3), POW13(3), POW14(3), POW15(3), POW16(3), POW17(3), POW18(3), POW19(3)},
{POW9(4), POW10(4), POW11(4), POW12(4), POW13(4), POW14(4), POW15(4), 0, 0, 0, 0},
{POW9(5), POW10(5), POW11(5), POW12(5), POW13(5), 0, 0, 0, 0, 0, 0},
{POW9(6), POW10(6), POW11(6), 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0},
{POW9(7), POW10(7), POW11(7), 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0},
{POW9(8), POW10(8), 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0},
{POW9(9), 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0},
{POW9(10), 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0}
};
int is_neg;
int r;
switch (x)
{
case 0:
return y == 0 ? 1 : 0;
case 1:
return 1;
case -1:
return y % 2 == 0 ? 1 : -1;
case 2:
return 1 << y;
case -2:
return (y % 2 == 0 ? 1 : -1) << y;
default:
switch (y)
{
case 0:
return 1;
case 1:
return x;
case 2:
return x * x;
case 3:
return x * x * x;
case 4:
r = x * x;
return r * r;
case 5:
r = x * x;
return r * r * x;
case 6:
r = x * x;
return r * r * r;
case 7:
r = x * x;
return r * r * r * x;
case 8:
r = x * x;
r = r * r;
return r * r;
default:
is_neg = x < 0;
if (is_neg)
x = -x;
if (x <= 10 && y <= 19)
r = table[x - 3][y - 9];
else
r = 0;
if (is_neg && y % 2 == 1)
r = -r;
return r;
}
}
}
