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c++中如何判断一个数是否为2的幂_c++位运算高效判断技巧【汇总】

冰火之心

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发布时间:2026-01-16 14:01:02

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一个正整数 n 是 2 的幂当且仅当 n > 0 且 n & (n - 1) == 0;原理是 n 为 2 的幂时二进制仅含一个 1,n-1 将其变为低位全 1,按位与得 0;需先排除 n ≤ 0,因 0 和负数均不满足定义。

c++中如何判断一个数是否为2的幂_c++位运算高效判断技巧【汇总】

一个正整数 n 是 2 的幂,当且仅当它的二进制表示中**有且仅有一个 1**。利用位运算可以 O(1) 完成判断,无需循环或对数运算。

n & (n - 1) 清除最低位的 1

这是最经典、最高效的判断方式。原理是:若 n 是 2 的幂(如 8 = 0b1000),则 n - 1 的二进制为全 1(7 = 0b0111),两者按位与结果必为 0;而其他正整数(如 6 = 0b01105 = 0b0101)不满足该性质。

注意必须额外排除 n 的情况,因为负数和 0 不属于 2 的幂(数学定义中 2 的幂指 2^kk ≥ 0,即 1, 2, 4, 8, ...)。

bool isPowerOfTwo(int n) {
    return n > 0 && (n & (n - 1)) == 0;
}
  • n == 0 时,n & (n - 1)0 & (-1)(补码下 -1 全为 1),结果非 0,但逻辑上 0 不是 2 的幂,所以必须先判 n > 0
  • n 直接被 n > 0 拦截,避免符号位干扰
  • 该写法对 intlong long 均适用,只要类型支持二进制补码和位运算

为什么不用 log2(n) 或循环除 2?

浮点函数如 std::log2 存在精度问题,尤其对大整数(如 2^52 附近)可能返回 52.0000000000000151.99999999999999,取整后出错;循环除法时间复杂度为 O(log n),且分支预测失败率高,性能远低于位运算。

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  • 例如 n = 1 ,循环需执行 30 次;而 n & (n - 1) 是单条 CPU 指令
  • std::log2(2^30) 在某些平台返回 30.0,但 std::log2(2^53 - 1) 可能因 double 精度丢失而误判
  • 编译器通常无法将 log2 优化为位运算,而 n & (n - 1) 几乎总被内联为 2~3 条汇编指令

处理无符号整数或更大范围(如 uint64_t

原理完全一致,只需确保类型匹配。对于 unsigned 类型,可省略符号检查,但仍需排除 0:

bool isPowerOfTwo(uint64_t n) {
    return n != 0 && (n & (n - 1)) == 0;
}
  • uint64_tn - 1n == 0 会回绕为 0xFFFFFFFFFFFFFFFF,此时 n & (n - 1) 为 0,但 0 不是 2 的幂,所以仍要显式写 n != 0
  • 不要用 n > 0 判断无符号类型(虽等价,但语义不如 n != 0 清晰)
  • 若使用 size_t(常见于容器大小判断),同样适用该模式

真正容易被忽略的是边界:0、负数、最小负数(如 INT_MIN)。无论用哪种位运算技巧,第一步永远应该是明确数学定义——2 的幂是正整数集合 {1, 2, 4, 8, …},其余一切优化都建立在这个前提之上。

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