C++中实现无符号整数最低两个比特位交换的最快方法

实现代码 #

直接用无分支位运算实现，所有操作均为CPU原生支持的单周期指令，性能最优：

unsigned int x = 883621;
// 仅需一行完成交换
x ^= (((x ^ (x >> 1)) & 1U) * 3U);

运行逻辑说明 #

我们需要交换的是整数的第0位（最低位）和第1位，两种情况处理逻辑完全统一，无需分支判断：

• 若两位值相同（同为0或同为1），交换后数值无变化，不需要做任何修改
• 若两位值不同，仅需同时翻转这两位，即可完成交换

逐段解释运算逻辑：

1. x ^ (x >> 1)：把x右移1位后和原数做异或运算，如果最低两位不同，运算结果的第0位会是1，否则为0
2. & 1U：提取出上述判断位，得到的结果只能是0或1
3. * 3U：把判断位转换为掩码，1乘3得到二进制11，0乘3得到00，编译器会自动把乘3优化为(bit << 1) + bit，不会产生额外乘法开销
4. 最后和原数异或：掩码为00时数值不变，掩码为11时翻转最低两位，刚好完成交换

效果验证 #

1. 输入x=883621，二进制最低两位为01：
   判断位计算结果为1，掩码为11，异或后最低两位变为10，完全符合预期输出
2. 输入x=7（二进制0b111，最低两位为11）：
   判断位计算结果为0，掩码为00，数值保持7不变，符合补充要求

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Mojtaba Valizadeh