什么更快？按位运算或数组运算。为什么？答案

【问题标题】：What is faster? Bitwise operations or Array operations. Why?什么更快？按位运算或数组运算。为什么？
【发布时间】：2018-08-03 11:34:06
【问题描述】：

假设有一排 10 个灯泡。它们的状态可以是 ON (1) 或 OFF(0)。

这可以用一个数组来表示。

states = [1, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 0, 1, 0]

或作为 10 位数字。

states = 1011010010

更新状态（在列表中设置值）：

对于数组来说是

states[0] = 1

对于位，它将使用位掩码

states = states | 10000000

类似的操作将用于清除位等。

这些操作中哪个更快？哪些情况下应该使用数组，位也应该使用？

我已经看到某些引擎（例如国际象棋/跳棋引擎）使用位串来存储棋盘状态（1 = 方块上的棋子，0 = 方块上的棋子）。有些还使用数组。如果可能，也可以考虑这种情况。

【问题讨论】：

使用位掩码应该更快，因为对简单整数执行操作比执行数组访问算术更快。您必须小心整数类型可以包含您的所有位。
我在@Adder 评论上 +1，但想指出任何可以包含在机器寄存器中的东西都会更快。然而;如果状态列表超出该边界，您将需要执行一次提取（可能在缓存中，也可能不在缓存中），这会降低性能。
没有一般的答案。使用数组可以锻炼内存子系统，使用位可以让处理器内核做更多的工作。机器的不同部件，唯一确定的方法就是尝试一下。

【解决方案1】：

这些操作中哪个更快？

假设我们有N 标志，其中N 是一个很大的数字。让我们比较一下为了测试标志需要做什么。

每个flag是一个字节，所以数组的大小是N字节。

byte states[N];
sizeof (states) == N;

每个flag是一个位，每8个位被分组为字节。所以数组的大小是N / 8字节。

byte states[N / 8];
sizeof (states) == N / 8;

正如我们所见，位运算需要更多的步骤。但是 CPU 擅长处理这些额外步骤所需的两个操作，因此从性能的角度来看，它会稍微慢一点。

在哪些情况下应该使用数组，对于位也是如此？

我们更喜欢位来存储大量的标志。每个字节都有8 位，因此位的内存占用将始终是8 的倍数。

为了简单、速度和原子操作，我们更喜欢字节。大多数 CPU 都有特殊的“原子”指令来原子地测试/设置/清除字节，但不是字节中的位。

例如，如果在应用程序中的几个线程之间使用了滞后数组，我们可以使用原子 CPU 指令对该数组进行操作。对于位，它会有点复杂，有锁或比较交换循环。

【讨论】：

为什么要计算位的数组索引？
@hashris 我的意思是当我们有很多标志时，即当它不适合一个 state 时，所以我们需要保留一个 states 数组。对于您描述的最简单的情况，不需要它。

【解决方案2】：

在现代处理器（x86、ARM 等）上，寄存器的按位操作（最多）需要一个时钟周期。实际上远不止这些，因为这些类型的操作使用 CPU 中一些最简单的单元，它们能够在单个周期内执行和退出多个操作（例如 Intel CPU），因此汇编程序员认为这些操作是免费的。

另一方面，数组处理需要内存加载和存储，并且可能超过缓存行大小，如果缓存未命中，这会造成很大的延迟。

真的没有可比性。位运算是免费的；数组操作相对昂贵。

【讨论】：