我最近决定用 C++ 编写一个长算法的实现。只是为了好玩和发展一些技能。写了,结果证明,它有效。但是,如果您将性能与 Python、Java 和其他语言的标准实现进行比较,您会注意到性能上有明显的差异。我想获得一些关于可以做些什么来显着提高生产力的建议。长数字本身存储在两个变量中:一个数据类型为 int 的向量,用于存储数字的位数(数制为 10,数字按正确的顺序存储)和一个布尔变量,用于存储是否数字是自然的)。main.cpp 文件:
#include <iostream>
#include "long_arithmetic.hpp"
int main() {
std::string number_thirst_string;
std::string number_second_string;
std::string action;
inf number_thirst;
inf number_second;
inf result;
int time_start;
int time_end;
std::cout << "1| Сложение двух целых чисел." << std::endl;
std::cout << "2| Вычитание из целого числа целое число." << std::endl;
std::cout << "3| Умножение двух целых чисел." << std::endl;
std::cout << "4| Деление нацело двух целых чисел." << std::endl;
std::cout << "5| Получения остатка от деления двух целых чисел." << std::endl;
std::cout << "6| Возведение целого числа в неотрицательную степень." << std::endl;
std::cout << "7| Подсчет факториала от натурального числа." << std::endl;
std::cout << "8| Подсчет НОД двух целых чисел." << std::endl;
std::cout << "9| Подсчет НОК двух целых чисел." << std::endl;
std::cout << "10| Получение модуля целого числа." << std::endl;
std::cout << "11| Выход." << std::endl;
for (; ;) {
std::cout << std::endl;
std::cout << std::endl;
std::cout << "Выберите операцию: ";
getline(std::cin, action);
if (action == "1") {
std::cout << "Введите первое число: ";
getline(std::cin, number_thirst_string);
std::cout << "Введите второе число: ";
getline(std::cin, number_second_string);
time_start = time(nullptr);
number_thirst = number_thirst_string;
number_second = number_second_string;
result = number_thirst + number_second;
time_end = time(nullptr);
std::cout << "Результат: " << result << "." << std::endl;
std::cout << "Затрачено [с учетом затрат на конвертацию типов]: " << (time_end - time_start) / 60 << " минут(а/ы) и " << (time_end - time_start) % 60 << " секунд(а/ы)." << std::endl;
}
else if (action == "2") {
std::cout << "Введите первое число: ";
getline(std::cin, number_thirst_string);
std::cout << "Введите второе число: ";
getline(std::cin, number_second_string);
time_start = time(nullptr);
number_thirst = number_thirst_string;
number_second = number_second_string;
result = number_thirst - number_second;
time_end = time(nullptr);
std::cout << "Результат: " << result << "." << std::endl;
std::cout << "Затрачено [с учетом затрат на конвертацию типов]: " << (time_end - time_start) / 60 << " минут(а/ы) и " << (time_end - time_start) % 60 << " секунд(а/ы)." << std::endl;
}
else if (action == "3") {
std::cout << "Введите первое число: ";
getline(std::cin, number_thirst_string);
std::cout << "Введите второе число: ";
getline(std::cin, number_second_string);
time_start = time(nullptr);
number_thirst = number_thirst_string;
number_second = number_second_string;
result = number_thirst * number_second;
time_end = time(nullptr);
std::cout << "Результат: " << result << "." << std::endl;
std::cout << "Затрачено [с учетом затрат на конвертацию типов]: " << (time_end - time_start) / 60 << " минут(а/ы) и " << (time_end - time_start) % 60 << " секунд(а/ы)." << std::endl;
}
else if (action == "4") {
std::cout << "Введите первое число: ";
getline(std::cin, number_thirst_string);
std::cout << "Введите второе число: ";
getline(std::cin, number_second_string);
time_start = time(nullptr);
number_thirst = number_thirst_string;
number_second = number_second_string;
result = number_thirst / number_second;
time_end = time(nullptr);
std::cout << "Результат: " << result << "." << std::endl;
std::cout << "Затрачено [с учетом затрат на конвертацию типов]: " << (time_end - time_start) / 60 << " минут(а/ы) и " << (time_end - time_start) % 60 << " секунд(а/ы)." << std::endl;
}
else if (action == "5") {
std::cout << "Введите первое число: ";
getline(std::cin, number_thirst_string);
std::cout << "Введите второе число: ";
getline(std::cin, number_second_string);
time_start = time(nullptr);
number_thirst = number_thirst_string;
number_second = number_second_string;
result = number_thirst % number_second;
time_end = time(nullptr);
std::cout << "Результат: " << result << "." << std::endl;
std::cout << "Затрачено [с учетом затрат на конвертацию типов]: " << (time_end - time_start) / 60 << " минут(а/ы) и " << (time_end - time_start) % 60 << " секунд(а/ы)." << std::endl;
}
else if (action == "6") {
std::cout << "Введите первое число: ";
getline(std::cin, number_thirst_string);
std::cout << "Введите второе число: ";
getline(std::cin, number_second_string);
time_start = time(nullptr);
number_thirst = number_thirst_string;
number_second = number_second_string;
result = inf::pow(number_thirst, number_second);
time_end = time(nullptr);
std::cout << "Результат: " << result << "." << std::endl;
std::cout << "Затрачено [с учетом затрат на конвертацию типов]: " << (time_end - time_start) / 60 << " минут(а/ы) и " << (time_end - time_start) % 60 << " секунд(а/ы)." << std::endl;
}
else if (action == "7") {
std::cout << "Введите число: ";
getline(std::cin, number_thirst_string);
time_start = time(nullptr);
number_thirst = number_thirst_string;
result = inf::factorial(number_thirst);
time_end = time(nullptr);
std::cout << "Результат: " << result << "." << std::endl;
std::cout << "Затрачено [с учетом затрат на конвертацию типов]: " << (time_end - time_start) / 60 << " минут(а/ы) и " << (time_end - time_start) % 60 << " секунд(а/ы)." << std::endl;
}
else if (action == "8") {
std::cout << "Введите первое число: ";
getline(std::cin, number_thirst_string);
std::cout << "Введите второе число: ";
getline(std::cin, number_second_string);
time_start = time(nullptr);
number_thirst = number_thirst_string;
number_second = number_second_string;
result = inf::gcd(number_thirst, number_second);
time_end = time(nullptr);
std::cout << "Результат: " << result << "." << std::endl;
std::cout << "Затрачено [с учетом затрат на конвертацию типов]: " << (time_end - time_start) / 60 << " минут(а/ы) и " << (time_end - time_start) % 60 << " секунд(а/ы)." << std::endl;
}
else if (action == "9") {
std::cout << "Введите первое число: ";
getline(std::cin, number_thirst_string);
std::cout << "Введите второе число: ";
getline(std::cin, number_second_string);
time_start = time(nullptr);
number_thirst = number_thirst_string;
number_second = number_second_string;
result = inf::lcm(number_thirst, number_second);
time_end = time(nullptr);
std::cout << "Результат: " << result << "." << std::endl;
std::cout << "Затрачено [с учетом затрат на конвертацию типов]: " << (time_end - time_start) / 60 << " минут(а/ы) и " << (time_end - time_start) % 60 << " секунд(а/ы)." << std::endl;
}
else if (action == "10") {
std::cout << "Введите число: ";
getline(std::cin, number_thirst_string);
time_start = time(nullptr);
number_thirst = number_thirst_string;
result = inf::abs(number_thirst);
time_end = time(nullptr);
std::cout << "Результат: " << result << "." << std::endl;
std::cout << "Затрачено [с учетом затрат на конвертацию типов]: " << (time_end - time_start) / 60 << " минут(а/ы) и " << (time_end - time_start) % 60 << " секунд(а/ы)." << std::endl;
}
else if (action == "11") {
break;
}
else {
std::cout << "Неизвестный номер команды. Введите число от 1 до 11." << std::endl;
}
}
return 0;
}
文件 long_arithmetic.hpp:
#include <iostream>
#include <vector>
class inf {
public:
static std::string to_string(const inf& number);
inf();
inf(std::string string);
inf(signed int number);
inf(unsigned int number);
inf(signed long number);
inf(unsigned long number);
inf(signed long long number);
inf(unsigned long long number);
static inf pow(inf number_thirst, inf number_second);
static inf factorial(const inf& number);
static inf gcd(inf number_thirst, inf number_second);
static inf lcm(inf number_thirst, inf number_second);
static inf abs(inf number_thirst);
friend std::ostream& operator <<(std::ostream& ostream, const inf& number);
friend bool operator >(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
friend bool operator >=(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
friend bool operator <(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
friend bool operator <=(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
friend bool operator ==(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
friend bool operator !=(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
friend inf operator +(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
friend inf operator -(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
friend inf operator *(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
friend inf operator /(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
friend inf operator %(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
inf operator +=(const inf& number);
inf operator -=(const inf& number);
inf operator *=(const inf& number);
inf operator /=(const inf& number);
inf operator %=(const inf& number);
inf operator ++();
inf operator --();
inf operator ++(int);
inf operator --(int);
private:
std::vector<int> digits;
bool natural;
static std::vector<int> string_convert_to_vector(const std::string& string);
static inf zeroes_leading_remove(inf number);
static inf shift_right(inf number, int shift_power);
static char compare(inf number_thirst, inf number_second);
static inf subtraction_natural(inf number_thirst, inf number_second);
static inf sum(inf number_thirst, inf number_second);
static inf subtraction(inf number_thirst, inf number_second);
static inf multiply(const inf& number_thirst, const inf& number_second);
static inf division_whole(inf number_thirst, inf number_second);
static inf division_remainder(inf number_thirst, inf number_second);
};
std::vector<int> inf::string_convert_to_vector(const std::string &string) {
std::vector<int> result;
result.resize(string.size());
for (int i = 0; i < string.size(); i = i + 1) {
result[i] = string[i] - '0';
}
return result;
}
std::string inf::to_string(const inf& number) {
std::string result;
if (number.natural == false) {
result.append("-");
}
result.reserve(number.digits.size());
char tmp;
for (int i = 0; i < number.digits.size(); i = i + 1) {
tmp = number.digits[i] + '0';
result.push_back(tmp);
}
return result;
}
inf inf::zeroes_leading_remove(inf number) {
while (number.digits.size() != 1 and number.digits[0] == 0) {
number.digits.erase(number.digits.begin() + 0);
}
return number;
}
inf inf::shift_right(inf number, int shift_power) {
number.digits.reserve(shift_power);
for (int i = 0; i < shift_power; i = i + 1) {
number.digits.insert(number.digits.begin() + 0, 0);
}
return number;
}
inf::inf() {
digits.resize(1);
digits[0] = 0;
natural = true;
}
inf::inf(std::string string) {
if (string.size() == 0 or (string.size() == 1 and string[0] == '-')) {
throw "Fatal error. Type creation is impossible. String does not contain number.";
}
if (string[0] == '-') {
string.erase(string.begin() + 0);
natural = false;
}
else {
natural = true;
}
for (int i = 0; i < string.size(); i = i + 1) {
if (string[i] < 48 or string[i] > 57) {
throw "Fatal error. Type creation is impossible. String contain unknown characters.";
}
}
while (string.size() != 1 and string[0] == '0') {
string.erase(string.begin() + 0);
}
digits = inf::string_convert_to_vector(string);
}
inf::inf(signed int number) {
if (number < 0) {
number = number * -1;
natural = false;
}
else {
natural = true;
}
digits = inf::string_convert_to_vector(std::to_string(number));
}
inf::inf(unsigned int number) {
natural = true;
digits = inf::string_convert_to_vector(std::to_string(number));
}
inf::inf(signed long number) {
if (number < 0) {
number = number * -1;
natural = false;
}
else {
natural = true;
}
digits = inf::string_convert_to_vector(std::to_string(number));
}
inf::inf(unsigned long number) {
natural = true;
digits = inf::string_convert_to_vector(std::to_string(number));
}
inf::inf(signed long long number) {
if (number < 0) {
number = number * -1;
natural = false;
}
else {
natural = true;
}
digits = inf::string_convert_to_vector(std::to_string(number));
}
inf::inf(unsigned long long number) {
natural = true;
digits = inf::string_convert_to_vector(std::to_string(number));
}
char inf::compare(inf number_thirst, inf number_second) {
if (number_thirst.natural == true and number_second.natural == false) {
return '>';
}
if (number_thirst.natural == false and number_second.natural == true) {
return '<';
}
if (number_thirst.natural == false and number_second.natural == false) {
number_thirst.natural = true;
number_second.natural = true;
char tmp = inf::compare(number_thirst, number_thirst);
if (tmp == '>') {
return '<';
}
if (tmp == '<') {
return '>';
}
return '=';
}
if (number_thirst.digits.size() > number_second.digits.size()) {
return '>';
}
if (number_thirst.digits.size() < number_second.digits.size()) {
return '<';
}
for (int numbers_position = 0; numbers_position < number_thirst.digits.size(); numbers_position = numbers_position + 1) {
if (number_thirst.digits[numbers_position] > number_second.digits[numbers_position]) {
return '>';
}
if (number_thirst.digits[numbers_position] < number_second.digits[numbers_position]) {
return '<';
}
}
return '=';
}
inf inf::subtraction_natural(inf number_thirst, inf number_second) {
number_thirst.natural = true;
number_second.natural = true;
if (inf::compare(number_thirst, number_second) == '<') {
inf tmp = number_thirst;
number_thirst = number_second;
number_second = tmp;
number_thirst.natural = false;
}
number_second = inf::shift_right(number_second, number_thirst.digits.size() - number_second.digits.size());
int different;
for (int numbers_position1 = number_thirst.digits.size() - 1; numbers_position1 >= 0; numbers_position1 = numbers_position1 - 1) {
different = number_thirst.digits[numbers_position1] - number_second.digits[numbers_position1];
if (different >= 0) {
number_thirst.digits[numbers_position1] = different;
}
else {
number_thirst.digits[numbers_position1] = different + 10;
for (int numbers_position2 = numbers_position1 - 1; true; numbers_position2 = numbers_position2 - 1) {
if (number_thirst.digits[numbers_position2] == 0) {
number_thirst.digits[numbers_position2] = 10 - 1;
}
else {
number_thirst.digits[numbers_position2] = number_thirst.digits[numbers_position2] - 1;
break;
}
}
}
}
return inf::zeroes_leading_remove(number_thirst);
}
inf inf::sum(inf number_thirst, inf number_second) {
if (number_thirst.natural == true and number_second.natural == false) {
return inf::subtraction_natural(number_thirst, number_second);
}
if (number_thirst.natural == false and number_second.natural == true) {
return inf::subtraction_natural(number_second, number_thirst);
}
if (number_thirst.natural == false and number_second.natural == false) {
number_second.natural = true;
}
if (number_thirst.digits.size() > number_second.digits.size()) {
number_second = inf::shift_right(number_second, number_thirst.digits.size() - number_second.digits.size());
}
else {
number_thirst = inf::shift_right(number_thirst, number_second.digits.size() - number_thirst.digits.size());
}
int sum;
int in_mind = 0;
for (int numbers_position = number_thirst.digits.size() - 1; numbers_position >= 0; numbers_position = numbers_position - 1) {
sum = number_thirst.digits[numbers_position] + number_second.digits[numbers_position] + in_mind;
in_mind = sum / 10;
number_thirst.digits[numbers_position] = sum % 10;
}
if (in_mind != 0) {
number_thirst.digits.insert(number_thirst.digits.begin() + 0, in_mind);
}
return number_thirst;
}
inf inf::subtraction(inf number_thirst, inf number_second) {
if (number_thirst.natural == true and number_second.natural == false) {
number_second.natural = true;
return inf::sum(number_thirst, number_second);
}
if (number_thirst.natural == false and number_second.natural == true) {
number_thirst.natural = true;
inf tmp = inf::sum(number_thirst, number_second);
tmp.natural = false;
return tmp;
}
if (number_thirst.natural == false and number_second.natural == false) {
return inf::subtraction_natural(number_second, number_thirst);
}
return inf::subtraction_natural(number_thirst, number_second);
}
inf inf::multiply(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
inf result;
result.digits.resize(number_thirst.digits.size() + number_second.digits.size());
int composition;
for (int number_thirst_position = number_thirst.digits.size() - 1; number_thirst_position >= 0; number_thirst_position = number_thirst_position - 1) {
for (int number_second_position = number_second.digits.size() - 1; number_second_position >= 0; number_second_position = number_second_position - 1) {
composition = number_thirst.digits[number_thirst_position] * number_second.digits[number_second_position];
result.digits[number_thirst_position + number_second_position + 1] = result.digits[number_thirst_position + number_second_position + 1] + composition;
}
}
int base_total_in_one_digit;
for (int result_position = result.digits.size() - 1; result_position >= 1; result_position = result_position - 1) {
base_total_in_one_digit = result.digits[result_position] / 10;
result.digits[result_position] = result.digits[result_position] - (base_total_in_one_digit * 10);
result.digits[result_position - 1] = result.digits[result_position - 1] + base_total_in_one_digit;
}
result.natural = (number_thirst.natural == number_second.natural);
return inf::zeroes_leading_remove(result);
}
inf inf::division_whole(inf number_thirst, inf number_second) {
inf zero = 0;
inf result;
result.natural = (number_thirst.natural == number_second.natural);
inf number_thirst_part;
number_thirst_part.natural = true;
number_thirst.natural = true;
number_second.natural = true;
if (inf::compare(number_second, zero) == '=') {
throw "Fatal error. Division is impossible. Attempt to divide by zero.";
}
if (inf::compare(number_thirst, number_second) == '<') {
return zero;
}
result.digits.resize(0);
number_thirst_part.digits.resize(0);
int quotient;
for (int number_thirst_position = 0; number_thirst_position < number_thirst.digits.size(); number_thirst_position = number_thirst_position + 1) {
number_thirst_part.digits.push_back(number_thirst.digits[number_thirst_position]);
quotient = 0;
while (inf::compare(number_thirst_part, number_second) != '<') {
number_thirst_part = inf::subtraction_natural(number_thirst_part, number_second);
quotient = quotient + 1;
}
if (quotient != 0 or result.digits.size() != 0) {
result.digits.push_back(quotient);
}
if (inf::compare(number_thirst_part, zero) == '=') {
number_thirst_part.digits.resize(0);
}
}
return result;
}
inf inf::division_remainder(inf number_thirst, inf number_second) {
inf zero = 0;
inf number_thirst_part;
number_thirst_part.natural = true;
number_thirst.natural = true;
number_second.natural = true;
if (inf::compare(number_second, zero) == '=') {
throw "Fatal error. Division is impossible. Attempt to divide by zero.";
}
if (inf::compare(number_thirst, number_second) == '<') {
return number_thirst;
}
number_thirst_part.digits.resize(0);
int quotient;
for (int number_thirst_position = 0; number_thirst_position < number_thirst.digits.size(); number_thirst_position = number_thirst_position + 1) {
number_thirst_part.digits.push_back(number_thirst.digits[number_thirst_position]);
quotient = 0;
while (inf::compare(number_thirst_part, number_second) != '<') {
number_thirst_part = inf::subtraction_natural(number_thirst_part, number_second);
quotient = quotient + 1;
}
if (inf::compare(number_thirst_part, zero) == '=') {
number_thirst_part.digits.resize(0);
}
}
if (number_thirst_part.digits.size() > 0) {
return number_thirst_part;
}
return zero;
}
inf inf::pow(inf number_thirst, inf number_second) {
inf zero = 0;
inf one = 1;
inf two = 2;
if (inf::compare(number_thirst, zero) == '=' and inf::compare(number_second, zero) == '=') {
throw "Fatal error. Pow calculation is impossible. It is impossible to raise zero to zero degree.";
}
if (inf::compare(number_second, zero) == '<') {
throw "Fatal error. Pow calculation is impossible. This class only support whole numbers, so erection to negative degree is impossible.";
}
inf result = one;
while (inf::compare(number_second, zero) != '=') {
if (inf::compare(inf::division_remainder(number_second, two), zero) == '=') {
number_second = inf::division_whole(number_second, two);
number_thirst = inf::multiply(number_thirst, number_thirst);
}
else {
number_second = inf::subtraction_natural(number_second, one);
result = inf::multiply(result, number_thirst);
}
}
return result;
}
inf inf::factorial(const inf& number) {
inf zero = 0;
inf one = 1;
inf two = 2;
if (inf::compare(number, one) == '<') {
throw "Fatal error. Factorial calculation is impossible. Factorial is defined only for natural numbers.";
}
if (inf::compare(number, one) == '=') {
return one;
}
inf result = one;
for (inf i = two; inf::compare(i, number) != '>'; i = inf::sum(i, one)) {
result = inf::multiply(result, i);
}
return result;
}
inf inf::gcd(inf number_thirst, inf number_second) {
inf zero = 0;
if (inf::compare(number_thirst, zero) == '=' or inf::compare(number_second, zero) == '=') {
throw "Fatal error. GCD calculation is impossible. One of the numbers is zero.";
}
number_thirst.natural = true;
number_second.natural = true;
while (inf::compare(number_thirst, zero) != '=' and inf::compare(number_second, zero) != '=') {
if (inf::compare(number_thirst, number_second) == '>') {
number_thirst = inf::division_remainder(number_thirst, number_second);
}
else {
number_second = inf::division_remainder(number_second, number_thirst);
}
}
return inf::sum(number_thirst, number_second);
}
inf inf::lcm(inf number_thirst, inf number_second) {
number_thirst.natural = true;
number_second.natural = true;
return inf::division_whole(inf::multiply(number_thirst, number_second), inf::gcd(number_thirst, number_second));
}
inf inf::abs(inf number) {
number.natural = true;
return number;
}
std::ostream &operator <<(std::ostream& ostream, const inf& number) {
std::string string = inf::to_string(number);
for (int i = 0; i < string.size(); i = i + 1) {
ostream.put(string[i]);
}
return ostream;
}
bool operator >(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
if (inf::compare(number_thirst, number_second) == '>') {
return true;
}
return false;
}
bool operator >=(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
if (inf::compare(number_thirst, number_second) != '<') {
return true;
}
return false;
}
bool operator <(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
if (inf::compare(number_thirst, number_second) == '<') {
return true;
}
return false;
}
bool operator <=(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
if (inf::compare(number_thirst, number_second) != '>') {
return true;
}
return false;
}
bool operator ==(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
if (inf::compare(number_thirst, number_second) == '=') {
return true;
}
return false;
}
bool operator !=(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
if (inf::compare(number_thirst, number_second) != '=') {
return true;
}
return false;
}
inf operator +(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
return inf::sum(number_thirst, number_second);
}
inf operator -(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
return inf::subtraction(number_thirst, number_second);
}
inf operator *(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
return inf::multiply(number_thirst, number_second);
}
inf operator /(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
return inf::division_whole(number_thirst, number_second);
}
inf operator %(const inf& number_thirst, const inf& number_second) {
return inf::division_remainder(number_thirst, number_second);
}
inf inf::operator +=(const inf& number) {
return *this=(*this + number);
}
inf inf::operator -=(const inf& number) {
return *this=(*this - number);
}
inf inf::operator *=(const inf& number) {
return *this=(*this * number);;
}
inf inf::operator /=(const inf& number) {
return *this=(*this / number);
}
inf inf::operator %=(const inf& number) {
return *this=(*this % number);
}
inf inf::operator ++() {
return *this = (*this + 1);
}
inf inf::operator --() {
return *this = (*this - 1);
}
inf inf::operator ++(int) {
*this = *this + 1;
return *this = (*this - 1);
}
inf inf::operator --(int) {
*this = *this - 1;
return *this = (*this + 1);
}
P.S. На данный момент на моем ноутбуке этот код выдает следующую производительность: Возведение 2 в 100000 степень - 3 секунды. Подсчет факториала от 10000 - 9 секунд.
Один из способов оптимизации — хранить число в двоичном виде. Тогда сложения и умножения можно свести к операциям над байтами или целыми — в зависимости от реализации.
Скажем, у вас есть число 21000, для хранения которого надо 1000 битов или 125 байт. Младшие 8 бит можно хранить в первом байте, следующие 8 бит — во втором. Способ хранения можете выбрать сами.
Сложение двух таких чисел сведётся к побайтовому сложению значений из двух массивов. Если результат больше 256, необходимо к следующей паре байт прибавить 1 — это перенос разряда.
Вы можете существенно ускорить сложение, если будете работать не с байтами, а с целыми
unsigned int
. ЦПУ складывает и умножает целые числа с той же скоростью, что и байты, или даже быстрее.Умножение в простейшем случае можно разложить на умножения байтов и сложение результатов.
Скажем, если у нас есть первое число состоит из байтов A и B, а второй из C и D, то их можно представить, как 256×A + B и 256×C + D. Их произведением будет равно 256×256×A×C+256×A×D + 256×B×C+B×D.
Умножение на 256 означает, что мы просто переходим к следующему байту в массиве.
Здесь
low(x)
означает младший байт двухбайтового словаx
, аhigh(x)
— старший.За счёт перехода к двоичной системе, тем более к целым, вы можете сделать код гораздо быстрее. Есть интересные алгоритмы быстрого умножения (см. алгоритм Шёнхаге — Штрассена), но они довольно трудные. Тем не менее, если интересно, можете погрузиться в тему.
Есть также трюки, снижающие количество операций. Например, чтобы возвести число в степень 1000, нужно 999 умножений само на себя.
Но если разложить 1000 на степени двойки, то получиться 1000 = 512 + 256 + 128 + 64 + 32 + 8, то есть, a1000 = a512*a256*a128*a64*a32*a8.
Здесь умножений уже гораздо меньше, особенно, если кэшировать промежуточные результаты:
a8 = ((a2)2)2
a32 = ((a8)2)2
a64 = (a32)2
a128 = (a64)2
a256 = (a128)2
a512 = (a256)2
Возведение в квадрат это как раз одно умножения. В приведённом примере вместо 1000 умножений мы использовали всего 9.
Я сменил базу с 10 на 1000000000, заменил примитивный алгоритм нахождения факториала на алгоритм нахождения деревом, а также добавил функцию быстрой проверки на четность. Кому интересно что получилось --- https://github.com/gth-other/long_arithmetic.