質(zhì)數(shù)的定義
一個數(shù)，如果只有1和它本身兩個因數(shù)，這樣的數(shù)叫做質(zhì)數(shù)，又稱素數(shù)。
在上文 《素數(shù)算法大全，及C程序?qū)崿F(xiàn)優(yōu)化詳解 (一) 試除法》中我們已經(jīng)探討了求解素數(shù)的一類算法，并且將試除法從最初的低效版本優(yōu)化的高效的V2。那么，還有沒有其它更佳算法呢？這就是下面三藏要和大家探討的內(nèi)容
合數(shù)過濾篩選法
算法描述：我們知道，素數(shù)N不能被2~(N-1)間的任何數(shù)整除；反過來看，只要能被2~(N-1)間的任何數(shù)整除的N，都不是素數(shù)。所以我們可以采用一個簡單的排除法：就是對N以內(nèi)的所有數(shù)，只要逐個去除值為2~(N-1)的倍數(shù)的數(shù)，剩下的就是素數(shù)。
C語言實現(xiàn)
// 合數(shù)過濾篩選法 Ver1
// 參數(shù)：n 求解n以內(nèi)(包括n)的素數(shù)
// 返回值：n以內(nèi)素數(shù)個數(shù)
int CompositeNumFilterV1(int n)
{
int i, j;
// 素數(shù)數(shù)量統(tǒng)計
int count = 0;
// 分配素數(shù)標記空間，結(jié)合后文思考為何+1
char* flag = (char*)malloc( n+1 );
// 初始化素數(shù)標記
for (i=2; i<=n; i++)
{
// 為什么*(p+i)要寫成flag[i]呢？可讀性更佳爾
flag[i] = 1;
}
// 寫程序要注意排版和留空，方便閱讀，也可減少出錯幾率
// 以2~(N-1)為因子過濾合數(shù)
for (i=2; i < n; i++)
{
for (j=2; i*j <= n; j++)
{
// i*j是由i,j兩整數(shù)相乘而得，顯然不是素數(shù)
flag[i*j] = 0;
}
}
// 統(tǒng)計素數(shù)個數(shù)
for (i=2; i<=n; i++)
{
// 其實if(flag)就其同樣作用了，但這么寫是有留言的
// 請參閱《C語言程序設(shè)計常見錯誤剖析及解決之道》一文
if (1 == flag[i]) count++;
}
// 因輸出費時，且和算法核心相關(guān)不大，故略
// 釋放內(nèi)存，別忘了傳說中的內(nèi)存泄漏
free(flag);
return count;
}
在上文給出的main函數(shù)中以不同參數(shù)調(diào)用CompositeNumFilterV1函數(shù)，得到執(zhí)行結(jié)果如下：
[100000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：9592, 計算用時：15毫秒
[1000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：78498, 計算用時：125毫秒
[5000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：348513, 計算用時：2578毫秒
[10000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：664579, 計算用時：6281毫秒
注：因程序是非獨占性運行的，所以時間不是完全精確的，但基本能反映實情
顯然，比上文中的試除法要快，而且誰都可以看到上例是一個未經(jīng)優(yōu)化的粗陋版本，好多地方是三藏故意采用比較低效做法，為了與后文的優(yōu)化版比較，凸顯優(yōu)化之重要，也為了初學(xué)者記住別采用類似低效做法，下面我們開始優(yōu)化之旅
優(yōu)化分析
上面CompositeNumFilterV1函數(shù)存在的問題有：
- 在外層循環(huán)，需要一直執(zhí)行到n-1嗎？不要，因為n/2~n-1間的數(shù)顯然不能整出n
- 在內(nèi)層循環(huán)中重復(fù)使用i*j顯然是低效的，考慮到計算機中加減運算速度比乘除快，可以考慮變乘法為加法
- 在循環(huán)修改flag過程中，其實有很多數(shù)會被重復(fù)計算若干次，比如6=2*3=3*2，會被重復(fù)置0，類似操作很多，所以我們得設(shè)法避免或減少flag重復(fù)置0
據(jù)上述分析，我們可將程序優(yōu)化如下：
// 合數(shù)過濾篩選法 Ver2
// 參數(shù)：n 求解n以內(nèi)(包括n)的素數(shù)
// 返回值：n以內(nèi)素數(shù)個數(shù)
int CompositeNumFilterV2(int n)
{
int i, j;
// 素數(shù)數(shù)量統(tǒng)計
int count = 0;
// 分配素數(shù)標記空間，明白+1原因了吧，因為浪費了一個flag[0]
char* flag = (char*)malloc( n+1 );
// 初始化素數(shù)標記，要高效點咯
flag[2] = 1;
// 注意是i<n不是上例中的i<=n了，理由自思
for (i=3; i<n; i++)
{
flag[i++] = 1;
// 偶數(shù)自然不是素數(shù)，直接置0好了
flag[i] = 0;
}
// n為奇數(shù)
if (n%2 != 0)
{
flag[n] = 1;
}
// 從3開始filter，因為2的倍數(shù)早在初始化時代就干掉了
// 到n/2止的理由還要說嗎
for (i=3; i <= n/2; i++)
{
// i是合數(shù)，請歇著吧，因為您的工作早有您的質(zhì)因子代勞了
if (0 == flag[i]) continue;
// 從i的2倍開始過濾，變乘法為加法
for (j=i+i; j <= n; j+=i)
{
flag[j] = 0;
}
}
// 統(tǒng)計素數(shù)個數(shù)
for (i=2; i<=n; i++)
{
if (flag[i]) count++;
}
// 因輸出費時，且和算法核心相關(guān)不大，故略
// 釋放內(nèi)存，別忘了傳說中的內(nèi)存泄漏
free(flag);
return count;
}
再來調(diào)用CompositeNumFilterV2得到執(zhí)行結(jié)果：
[100000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：9592, 計算用時：n太小，時間精度不夠
[1000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：78498, 計算用時：31毫秒
[5000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：348513, 計算用時：453毫秒
[10000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：664579, 計算用時：1062毫秒
[100000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：5761455, 計算用時：12973毫秒
哇哇，比昨天的試除發(fā)快了好多倍，可見算法的威力，值得好好學(xué)習(xí)，別說學(xué)算法沒用咯。
上例著那個計算一億以內(nèi)的素數(shù)只要約13秒，應(yīng)該算不錯了，今天是否可以休息了呢？No，我們要追求極限！
int CompositeNumFilterV3(int n)
{
int i, j;
// 素數(shù)數(shù)量統(tǒng)計
int count = 0;
// 分配素數(shù)標記空間，明白+1原因了吧，因為浪費了一個flag[0]
char* flag = (char*)malloc( n+1 );
// 干嘛用的，請仔細研究下文
int mpLen = 2*3*5*7*11*13;
char magicPattern[mpLen];
// 奇怪的代碼，why，思考無法代勞，想！
for (i=0; i<mpLen; i++)
{
magicPattern[i++] = 1;
magicPattern[i++] = 0;
magicPattern[i++] = 0;
magicPattern[i++] = 0;
magicPattern[i++] = 1;
magicPattern[i] = 0;
}
for (i=4; i<=mpLen; i+=5)
magicPattern[i] = 0;
for (i=6; i<=mpLen; i+=7)
magicPattern[i] = 0;
for (i=10; i<=mpLen; i+=11)
magicPattern[i] = 0;
for (i=12; i<=mpLen; i+=13)
magicPattern[i] = 0;
// 新的初始化方法,將2,3,5,7,11,13的倍數(shù)全干掉
// 而且采用memcpy以mpLen長的magicPattern來批量處理
int remainder = n%mpLen;
char* p = flag+1;
char* pstop = p+n-remainder;
while (p < pstop)
{
memcpy(p, magicPattern, mpLen);
p += mpLen;
}
if (remainder > 0)
{
memcpy(p, magicPattern, remainder);
}
flag[2] = 1;
flag[3] = 1;
flag[5] = 1;
flag[7] = 1;
flag[11] = 1;
flag[13] = 1;
// 從17開始filter，因為2,3,5,7,11,13的倍數(shù)早被kill了
// 到n/13止的，哈哈，少了好多吧
int stop = n/13;
for (i=17; i <= stop; i++)
{
// i是合數(shù)，請歇著吧，因為您的工作早有您的質(zhì)因子代勞了
if (0 == flag[i]) continue;
// 從i的17倍開始過濾
int step = i*2;
for (j=i*17; j <= n; j+=step)
{
flag[j] = 0;
}
}
// 統(tǒng)計素數(shù)個數(shù)
for (i=2; i<=n; i++)
{
if (flag[i]) count++;
}
// 因輸出費時，且和算法核心相關(guān)不大，故略
// 釋放內(nèi)存，別忘了傳說中的內(nèi)存泄漏
free(flag);
return count;
}
再看CompositeNumFilterV3執(zhí)行結(jié)果：
[1000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：78498, 計算用時：15毫秒
[5000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：348513, 計算用時：203毫秒
[10000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：664579, 計算用時：515毫秒
[100000000]以內(nèi)素數(shù)個數(shù)：5761455, 計算用時：6421毫秒
再次優(yōu)化后速度提升了又一倍左右，三藏不禁有點滿足了，睡覺也！