c++ - 分段初筛

标签 c++ algorithm primes sieve-of-eratosthenes

在网上看到这个高效的分段素筛,请帮助我理解它的工作原理,尤其是next vector 的使用

段大小的具体选择如何影响性能?

const int L1D_CACHE_SIZE = 32768;
void segmented_sieve(int64_t limit, int segment_size = L1D_CACHE_SIZE)
{
    int sqrt = (int) std::sqrt((double) limit);
    int64_t count = (limit < 2) ? 0 : 1;
    int64_t s = 2;
    int64_t n = 3;

    // vector used for sieving
    std::vector<char> sieve(segment_size);

    // generate small primes <= sqrt
    std::vector<char> is_prime(sqrt + 1, 1);
    for (int i = 2; i * i <= sqrt; i++)
        if (is_prime[i])
            for (int j = i * i; j <= sqrt; j += i)
                is_prime[j] = 0;

    std::vector<int> primes;
    std::vector<int> next;

    for (int64_t low = 0; low <= limit; low += segment_size)
    {
        std::fill(sieve.begin(), sieve.end(), 1);

        // current segment = interval [low, high]
        int64_t high = std::min(low + segment_size - 1, limit);

        // store small primes needed to cross off multiples
        for (; s * s <= high; s++)
        {
            if (is_prime[s])
            {
                primes.push_back((int) s);
                next.push_back((int)(s * s - low));
            }
        }
        // sieve the current segment
        for (std::size_t i = 1; i < primes.size(); i++)
        {
            int j = next[i];
            for (int k = primes[i] * 2; j < segment_size; j += k)
                sieve[j] = 0;
            next[i] = j - segment_size;
        }

        for (; n <= high; n += 2)
            if (sieve[n - low]) // n is a prime
                count++;
    }

    std::cout << count << " primes found." << std::endl;
} 

最佳答案

这是同一算法的更简洁的表述,它应该使原理更加清晰(full, runnable .cpp for segment size timings @ pastebin 的一部分)。这初始化了一个填充的(仅赔率)筛子而不是计算素数,但所涉及的原理是相同的。下载并运行 .cpp 以查看段大小的影响。基本上,最佳值应该在您的 CPU 的 L1 缓存大小附近。太小,由于轮数增加而导致的开销开始占主导地位;太大,你会因为 L2 和 L3 缓存的较慢计时而受到惩罚。另见 How does segmentation improve the running time of Sieve of Eratosthenes? .

void initialise_packed_sieve_4G (void *data, unsigned segment_bytes = 1 << 15, unsigned end_bit = 1u << 31)
{
   typedef std::vector<prime_and_offset_t>::iterator prime_iter_t;
   std::vector<prime_and_offset_t> small_factors;

   initialise_odd_primes_and_offsets_64K(small_factors);

   unsigned segment_bits = segment_bytes * CHAR_BIT;
   unsigned partial_bits = end_bit % segment_bits;
   unsigned segments     = end_bit / segment_bits + (partial_bits != 0);

   unsigned char *segment = static_cast<unsigned char *>(data);
   unsigned bytes = segment_bytes;

   for ( ; segments--; segment += segment_bytes)
   {
      if (segments == 0 && partial_bits)
      {
         segment_bits = partial_bits;
         bytes = (partial_bits + CHAR_BIT - 1) / CHAR_BIT;
      }

      std::memset(segment, 0, bytes);

      for (prime_iter_t p = small_factors.begin(); p != small_factors.end(); ++p)
      {
         unsigned n = p->prime;
         unsigned i = p->next_offset;

         for ( ; i < segment_bits; i += n)
         {
            set_bit(segment, i);
         }

          p->next_offset = i - segment_bits;
      }
   }
}

如果不记住段与段之间的偏移量,则每次都必须使用至少一次除法和一次乘法重新计算每个重新计算的索引,加上条件或严重的位欺骗。当筛选完整的 2^32 数字范围(8192 个段,每个段 32 KB)时,至少有 53,583,872 个慢除法和相同数量的稍快的乘法;这大约是初始化完整 2^32 筛所需时间的大约一秒(2^31 位用于仅赔率的 Eratosthenes)。

这是我的一个旧筛子中使用这种“重构”数学的一些实际代码:

for (index_t k = 1; k <= max_factor_bit; ++k)
{
   if (bitmap_t::traits::bt(bm.bm, k))  continue;

   index_t n = (k << 1) + 1;     // == index_for_value(value_for_index(k) * 2) == n
   index_t i = square(n) >> 1;   // == index_for_value(square(n))

   if (i < offset)
   {
      i += ((offset - i) / n) * n;
   }

   for ( ; i <= new_max_bit; i += n)
   {
      bitmap_t::traits::bts(bm.bm, i); 
   }
}

全筛(VC++)大约需要5.5秒;首先显示的代码使用相同的编译器仅需 4.5 秒,或使用 gcc 4.8.1 (MinGW64) 仅需 3.5 秒。

这是 gcc 时间:

sieve bits = 2147483648 (equiv. number = 4294967295)

segment size    4096 (2^12) bytes ...   4.091 s   1001.2 M/s
segment size    8192 (2^13) bytes ...   3.723 s   1100.2 M/s
segment size   16384 (2^14) bytes ...   3.534 s   1159.0 M/s
segment size   32768 (2^15) bytes ...   3.418 s   1198.4 M/s
segment size   65536 (2^16) bytes ...   3.894 s   1051.9 M/s
segment size  131072 (2^17) bytes ...   4.265 s    960.4 M/s
segment size  262144 (2^18) bytes ...   4.453 s    919.8 M/s
segment size  524288 (2^19) bytes ...   5.002 s    818.9 M/s
segment size 1048576 (2^20) bytes ...   5.176 s    791.3 M/s
segment size 2097152 (2^21) bytes ...   5.135 s    797.7 M/s
segment size 4194304 (2^22) bytes ...   5.251 s    780.0 M/s
segment size 8388608 (2^23) bytes ...   7.412 s    552.6 M/s

digest { 203280221, 0C903F86, 5B253F12, 774A3204 }

注意:可以通过称为“预筛选”的技巧从那个时间开始再缩短一秒,即将预先计算的模式爆破到位图中而不是在开始时将其归零。这使全筛的 gcc 时间降至 2.1 秒,this hacked copy of the earlier .cpp .这个技巧与缓存大小的 block 中的分段筛选一起使用效果非常好。

关于c++ - 分段初筛,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/26707758/

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