处理不同CPU上的整数

Question

我的任务是设计一个满足这些要求的功能：

1. 函数应该对给定的一维数组的成员求和。但是，它应该只对二进制表示中的1的数量高于定义的阈值的成员求和（例如，如果阈值为4，则将计数255，不计算15）
2. 数组长度是任意的
3. 该功能应尽可能少地使用存储器，并应以有效的方式写入
4. 生产函数代码（'sum_filtered（）{..}'）不得使用任何标准C库函数（或任何其他库）
5. 成功时函数返回0，错误时返回错误代码
6. 数组元素是16位有符号整数类型，计算过程中的溢出应视为失败
7. 使用确保不同CPU之间可移植性的数据类型（因此在8/16/32位MCU上的计算将是相同的）
8. 函数代码应在doxygen注释中包含合理数量的注释

这是我的解决方案：

#include <iostream>
using namespace std;

int sum_filtered(short array[], int treshold)
{
    // return 1 if invalid input parameters
    if((treshold < 0) || (treshold > 16)){return(1);}

    int sum = 0;
    int bitcnt = 0;
    for(int i=0; i < sizeof(array); i++)
    {
        // Count one bits of integer
        bitcnt = 0;
        for (int pos = 0 ; pos < 16 ; pos++) {if (array[i] & (1 << pos)) {bitcnt++;}}

        // Add integer to sum if bitcnt>treshold
        if(bitcnt>treshold){sum += array[i];}
    }
    return(0);
}

int main()
{
 short array[5] = {15, 2652, 14, 1562, -115324};
 int result = sum_filtered(array, 14);
 cout << result << endl;

 short array2[5] = {15, 2652, 14, 1562, 15324};
 result = sum_filtered(array2, -2);
 cout << result << endl;
}

但是我不确定这段代码是否可以在不同的CPU之间移植。

我不知道如何在计算过程中发生溢出，以及在使用此函数处理数组期间可能出现的其他错误。

更有经验的人可以给我他的意见吗？

Answer 1

好吧，我可以预见到一个问题：

for(int i=0; i < sizeof(array); i++)

在这种情况下，数组是一个指针，因此在32位系统上可能是4，在64位系统上可能是8。您确实希望将计数变量（在本例中为5）传递给sum_filtered函数（然后您可以将计数传递给sizeof（array）/ sizeof（short））。

无论如何，这段代码：

    // Count one bits of integer
    bitcnt = 0;
    for (int pos = 0 ; pos < 16 ; pos++) {if (array[i] & (1 << pos)) {bitcnt++;}}

实际上你在这里做了一个popcount（可以在gcc / clang上使用__builtin_popcount，或者在MSVC上使用__popcnt。它们是特定于编译器的，但通常归结为大多数CPU上的单个popcount CPU指令）。

如果你想以缓慢的方式做到这一点，那么一种有效的方法是将计算视为一种按位SIMD操作的形式：

#include <cstdint> // or stdint.h if you have a rubbish compiler :)

uint16_t popcount(uint16_t s)
{
  // perform 8x 1bit adds
  uint16_t a0 =  s & 0x5555;
  uint16_t b0 = (s >> 1) & 0x5555;
  uint16_t s0 = a0 + b0;
  // perform 4x 2bit adds
  uint16_t a1 =  s0 & 0x3333;
  uint16_t b1 = (s0 >> 2) & 0x3333;
  uint16_t s1 = a1 + b1;
  // perform 2x 4bit adds
  uint16_t a2 =  s1 & 0x0F0F;
  uint16_t b2 = (s1 >> 4) & 0x0F0F;
  uint16_t s2 = a2 + b2;
  // perform 1x 8bit adds
  uint16_t a3 =  s2 & 0x00FF;
  uint16_t b3 = (s2 >> 8) & 0x00FF;
  return a3 + b3;
}

我知道它说你不能使用stdlib函数（你的第4点），但这不应该适用于标准化的整数类型吗？ （例如uint16_t）如果确实如此，那么就无法保证跨平台的可移植性。你运气不好

就个人而言，我只使用64位整数作为总和。这应该降低任何溢出*的风险（即，如果阈值为零，并且所有值都是-128，那么如果数组大小超过0x1FFFFFFFFFFFF元素（十进制的562,949,953,421,311），则会溢出。

#include <cstdint>

int64_t sum_filtered(int16_t array[], uint16_t threshold, size_t array_length)
{
  // changing the type on threshold to be unsigned means we don't need to test
  // for negative numbers. 
  if(threshold > 16) { return 1; }

  int64_t sum = 0;
  for(size_t i=0; i < array_length; i++)
  {
    if (popcount(array[i]) > threshold) 
    {
      sum += array[i];
    }
  }
  return sum;
}