对 128 位数字进行按位移位操作答案

【问题标题】：Bitwise shift operation on a 128-bit number对 128 位数字进行按位移位操作
【发布时间】：2011-05-13 18:48:46
【问题描述】：

假设我有一个由 4 个 32 位整数组成的数组，用于存储 128 位数字

如何对这个 128 位数字进行左移和右移？

谢谢！

【问题讨论】：

为什么不使用 2 int64_t？它会让事情变得比 4 int32_t 简单得多
stackoverflow.com/questions/7870491/x86-assembly-128bit-shifts

标签： c++ c bit-manipulation bitwise-operators bit-shift

【解决方案1】：

与uint128 合作？如果可以，请使用专门为此设计的 x86 SSE 指令。（然后，当您对值进行位移后，您就可以进行其他 128 位操作了……）

SSE2 位移平均需要约 4 条指令，一个分支（一个 case 语句）。移位超过 32 位也没有问题。执行此操作的完整代码是使用 gcc 内在函数而不是原始汇编程序，位于 sseutil.c (github: "Unusual uses of SSE2") 中——它比粘贴在这里的意义要大一些。

许多人使用 SSE2 的障碍是班次操作需要立即（恒定）班次计数。你可以用一点 C 预处理器来解决这个问题 (wordpress: C preprocessor tricks)。之后，你就有了这样的操作序列：

LeftShift(uint128 x, int n) = _mm_slli_epi64(_mm_slli_si128(x, n/8), n%8)

对于 n = 65..71, 73..79, ... 121..127 ...在两条指令中完成整个转变。

【讨论】：

您应该显示相关代码而不是链接到场外。我厌倦了浏览您的宏实现，但可能需要展开它以使访问者更清楚。

【解决方案2】：

void shiftl128 (
    unsigned int& a,
    unsigned int& b,
    unsigned int& c,
    unsigned int& d,
    size_t k)
{
    assert (k <= 128);
    if (k >= 32) // shifting a 32-bit integer by more than 31 bits is "undefined"
    {
        a=b;
        b=c;
        c=d;
        d=0;
        shiftl128(a,b,c,d,k-32);
    }
    else
    {
        a = (a << k) | (b >> (32-k));
        b = (b << k) | (c >> (32-k));
        c = (c << k) | (d >> (32-k));
        d = (d << k);
    }
}

void shiftr128 (
    unsigned int& a,
    unsigned int& b,
    unsigned int& c,
    unsigned int& d,
    size_t k)
{
    assert (k <= 128);
    if (k >= 32) // shifting a 32-bit integer by more than 31 bits is "undefined"
    {
        d=c;
        c=b;
        b=a;
        a=0;
        shiftr128(a,b,c,d,k-32);
    }
    else
    {
        d = (c << (32-k)) | (d >> k); \
        c = (b << (32-k)) | (c >> k); \
        b = (a << (32-k)) | (b >> k); \
        a = (a >> k);
    }
}

【讨论】：

k > 32 失败。你认为函数不会比宏更好吗？
@Martin：你是对的，但在这方面还没有超过 32 岁。
@Remus Rusanu 和马丁：非常感谢！
除了提到的大于32的移位问题外，宏版本还有一些常见的宏问题：使用的参数没有完全括号，如果参数不是32-可能会出现不良行为位类型或有符号类型，宏不是“语句安全”（它们应该被包装在 do/while(0) 或类似名称中）。此外，宏似乎执行移位操作，但名称暗示旋转 - 如果我遇到使用它们的代码，我会发现这令人困惑。任何考虑使用它们的人都应该注意解决问题。或者使用函数版本。
@Remus Rusanu：这段代码仍然有一个错误。递归的条件应该是if (k >= 32)。

【解决方案3】：

为什么不使用位集而不是使用 128 位数字？使用 bitset，您可以调整想要的大小。另外，您可以对其执行相当多的操作。

您可以在此处找到有关这些的更多信息：

http://www.cppreference.com/wiki/utility/bitset/start?do=backlink

【讨论】：

@C Johnson 我同意可以使用 bitset，但我更多地从逻辑角度看待它，并将这 4 个 32 位整数作为约束

【解决方案4】：

首先，如果您要移位n 位并且n 大于或等于32，则除以32 并移位整数。这应该是微不足道的。现在剩下的班次计数从 0 到 31。如果为零，请早点返回，就完成了。

对于每个整数，您需要将剩余的n 移动，然后将相邻的整数移动相同的量并合并每个整数的有效位。

【讨论】：

【解决方案5】：

既然您提到您将 128 位值存储在一个由 4 个整数组成的数组中，您可以执行以下操作：

void left_shift(unsigned int* array)
{   
    for (int i=3; i >= 0; i--)
    {
        array[i] = array[i] << 1;

        if (i > 0)
        {
            unsigned int top_bit = (array[i-1] >> 31) & 0x1;
            array[i] = array[i] | top_bit;
        }
    }
}

void right_shift(unsigned int* array)
{   
    for (int i=0; i < 4; i++)
    {
        array[i] = array[i] >> 1;

        if (i < 3)
        {
            unsigned int bottom_bit = (array[i+1] & 0x1) << 31;
            array[i] = array[i] | bottom_bit;
        }
    }
}

【讨论】：