Stein算法

更新时间:2024-01-23 21:17

Stein算法是一种计算两个数最大公约数的算法,是针对欧几里德算法在对大整数进行运算时,需要试商导致增加运算时间的缺陷而提出的改进算法。

欧几里德算法缺陷

欧几里德算法是计算两个数最大公约数的传统算法,无论从理论还是从实际效率上都是很好的。但是却有一个致命的缺陷,这个缺陷在素数比较小的时候一般是感觉不到的,只有在大素数时才会显现出来。

一般实际应用中的整数很少会超过64位(当然已经允许128位了),对于这样的整数,计算两个数之间的模是很简单的。对于字长为32位的平台,计算两个不超过32位的整数的模,只需要一个指令周期,而计算64位以下的整数模,也不过几个周期而已。但是对于更大的素数,这样的计算过程就不得不由用户来设计,为了计算两个超过64位的整数的模,用户也许不得不采用类似于多位数除法手算过程中的试商法,这个过程不但复杂,而且消耗了很多CPU时间。对于现代密码算法,要求计算128位以上的素数的情况比比皆是,设计这样的程序迫切希望能够抛弃除法和取模。

算法步骤

1、设置An=|A|、Bn=|B|、Cn=1和n=1

2、如果An=Bn,那么An(或Bn)*Cn是最大公约数,算法结束

3、如果An=0,Bn是最大公约数,算法结束

4、如果Bn=0,An是最大公约数,算法结束

5、如果An和Bn都是偶数,则An+1=An/2,Bn+1=Bn/2,Cn+1=Cn*2(注意,乘2只要把整数左移一位即可,除2只要把整数右移一位即可)

6、如果An是偶数,Bn不是偶数,则An+1=An/2,Bn+1=Bn,Cn+1=Cn(很显然啦,2不是奇数的约数)

7、如果Bn是偶数,An不是偶数,则Bn+1=Bn/2,An+1=An,Cn+1=Cn(很显然啦,2不是奇数的约数)

8、如果An和Bn都不是偶数,则An+1=|An-Bn|/2,Bn+1=min(An,Bn),Cn+1=Cn

9、n=n+1,转2

以前的算法有错误,因为cn根本就没有用到。我编程的时候才发现。现在我已经修正了这个错误。

两种算法的对比

欧几里德算法每次迭代中最恶劣的情况是,a=2b-1,这样,迭代后,r=b-1。如果a小于2^N,这样大约需要4N次迭代。而Stein算法,每次迭代后,显然AN+1BN+1≤ ANBN/2,最大迭代次数也不超过4N次。也就是说,迭代次数几乎是相等的。但是,需要注意的是,对于大素数,试商法将使每次迭代都更复杂,因此对于大素数,Stein算法将更有优势。

C++ 实现

Php实现

javascript实现

优化的C实现

Ruby实现

Pascal实现

function stein(a,b :longint):longint;

Begin

if a <b then

begin

a:=a xor b;

b:=a xor b;

a:=a xor b;

end;

if b = 0 then exit(a);

If (a and 1 = 0) and (b and 1 = 0) then exit(stein(a shr 1,b shr 1) shl 1);

If (a and 1 = 0) then exit(stein(a shr 1,b));

If (b and 1 = 0) then exit(stein(a,b shr 1));

exit(stein((a+b)shr 1,(a-b)shr 1));

End;

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