２倍と左ビットシフトの速度

2018.06.24

はじめに

int型の変数の掛け算による２倍（'*2'）、左ビットシフト１回('<<1')による２倍の２種類の計算を、それぞれ１０００万回行い、処理開始から終了するまでの時間をナノ秒単位で計測しました。２つ違う計算方法で計算した結果は同じです。

この処理を９回繰り返し行いました。

Javaソースコード

ここから、時間計測に使うJava ソースコードの解説と、結果を解説していきます。

TimeBitshiftL1.java

ダウンロード

public class TimeBitshiftL1 {
	public static void main( String[] args ) {
		int  number;
		int  x;
		long ts, te, tresult1, tresult2;

		// 9回計測
		for ( number = 1; number <= 9; ++ number ) {
			// ２倍
			ts = System.nanoTime();
			x = 0;
			for ( int i = 1; i <= 10000000; ++ i ) {
				x = x * 2;
			}
			te = System.nanoTime();
			tresult1 = te - ts;

			// ビットの左シフト
			ts = System.nanoTime();
			x = 0;
			for ( int i = 1; i <= 10000000; ++ i ) {
				x = x << 1;
			}
			te = System.nanoTime();
			tresult2 = te - ts;

			// 結果表示
			System.out.println( number + "回目  2倍:" + tresult1
					 + "ナノ秒  左シフト:" + tresult2
					 + "ナノ秒  　"
					 +  (double)tresult2 /  (double)tresult1 );
		}	
	}
}

コンパイルソースコードが「ANSI」の場合

C:\talavax\javasample>javac -encoding sjis TimeBitshiftL1.java

コンパイルソースコードが「UTF-8」の場合

C:\talavax\javasample>javac TimeBitshiftL1.java

実行

C:\talavax\javasample>java TimeBitshiftL1

出力結果

1回目  2倍:4520189ナノ秒  左シフト:3852210ナノ秒  　0.8522232145602762
2回目  2倍:3995899ナノ秒  左シフト:3803886ナノ秒  　0.9519474841581331
3回目  2倍:3817571ナノ秒  左シフト:3803886ナノ秒  　0.9964152598602619
4回目  2倍:3856914ナノ秒  左シフト:3831255ナノ秒  　0.993347271938135
5回目  2倍:3813294ナノ秒  左シフト:3782931ナノ秒  　0.9920375926954491
6回目  2倍:4112645ナノ秒  左シフト:4225970ナノ秒  　1.0275552594498187
7回目  2倍:4683549ナノ秒  左シフト:4179357ナノ秒  　0.8923483025372426
8回目  2倍:4179784ナノ秒  左シフト:3947575ナノ秒  　0.9444447368572156
9回目  2倍:3959548ナノ秒  左シフト:3805597ナノ秒  　0.9611190469215173

結果の１番右の数値は、左シフトの処理時間を２倍の処理時間で割ったものです。

この値が1.0未満の場合、２倍の処理時間が左シフトの処理時間より長かったことを意味してします。

1.0より大きい場合、２倍の処理時間が左シフトの処理時間より短かったことを意味してします。

この結果から、２倍の処理時間が左シフトの処理時間より少しだけ長くなりそうなことがわかります。6回目の結果は、左シフトの処理時間のほうが長かったことを示しているので、左シフトの処理時間が必ずしも短いとはいえません。

ここから、ソースコードの主要部分について解説していきます。

			// ２倍
			ts = System.nanoTime();
			x = 0;
			for ( int i = 1; i <= 10000000; ++ i ) {
				x = x * 2;
			}
			te = System.nanoTime();
			tresult1 = te - ts;

int型の変数xに0を代入して、その変数xに対して２倍する処理を１０００万回行っています。処理終了時間tsと処理開始時間tsの差を処理時間tsresult1に代入しています。

			// ビットの左シフト
			ts = System.nanoTime();
			x = 0;
			for ( int i = 1; i <= 10000000; ++ i ) {
				x = x << 1;
			}
			te = System.nanoTime();
			tresult2 = te - ts;

int型の変数xに0を代入して、その変数xに対して１回の左ビットシフトを１０００万回行っています。処理終了時間tsと処理開始時間tsの差を処理時間tsresult2に代入しています。

Javaソースコード - 倍数とシフト回数を変数に

次に、"TimeBitshiftL1.Java"の２倍する値と左シフトする回数をint型の変数に変更したソースコードで処理時間の比較を行いました。

TimeBitshiftL2.java

ダウンロード

public class TimeBitshiftL2 {
	public static void main( String[] args ) {
		int  number;
		int  x;
		int  mulnum, shiftnum;
		long ts, te, tresult1, tresult2;

		// 掛ける値
		mulnum = 2;

		//　左シフトの回数
		shiftnum = 1;

		// 9回計測
		for ( number = 1; number <= 9; ++ number ) {
			// ２倍
			ts = System.nanoTime();
			x = 0;
			for ( int i = 1; i <= 10000000; ++ i ) {
				x = x * mulnum;
			}
			te = System.nanoTime();
			tresult1 = te - ts;

			// ビットの左シフト
			ts = System.nanoTime();
			x = 0;
			for ( int i = 1; i <= 10000000; ++ i ) {
				x = x << shiftnum;
			}
			te = System.nanoTime();
			tresult2 = te - ts;

			// 結果表示
			System.out.println( number + "回目  2倍:" + tresult1
					 + "ナノ秒  左シフト:" + tresult2
					 + "ナノ秒  　"
					 +  (double)tresult2 /  (double)tresult1 );
		}	
	}
}

コンパイルソースコードが「ANSI」の場合

C:\talavax\javasample>javac -encoding sjis TimeBitshiftL2.java

コンパイルソースコードが「UTF-8」の場合

C:\talavax\javasample>javac TimeBitshiftL2.java

実行

C:\talavax\javasample>java TimeBitshiftL2

出力結果

1回目  2倍:12144639ナノ秒  左シフト:8008474ナノ秒  　0.6594246234902494
2回目  2倍:11487779ナノ秒  左シフト:7952025ナノ秒  　0.6922160497690633
3回目  2倍:11540380ナノ秒  左シフト:7894293ナノ秒  　0.6840583239026791
4回目  2倍:11443304ナノ秒  左シフト:7936203ナノ秒  　0.6935237410454184
5回目  2倍:11503174ナノ秒  左シフト:7922518ナノ秒  　0.6887245207279312
6回目  2倍:11448008ナノ秒  左シフト:7917814ナノ秒  　0.6916324656656424
7回目  2倍:11448008ナノ秒  左シフト:7995217ナノ秒  　0.6983937292846056
8回目  2倍:11449292ナノ秒  左シフト:7932781ナノ秒  　0.6928621437902012
9回目  2倍:11414224ナノ秒  左シフト:7926367ナノ秒  　0.6944288985392262

９回の全ての計測結果が、左シフトの処理時間のほうが短いことを示しています。

この結果から、２倍の処理時間が左シフトの処理時間より３割程度長くなるがわかります。

最後に、"TimeBitshiftL1.Java"と"TimeBitshiftL2.Java"の処理時間を比較します。

TimeBitshiftL1.Javaの出力結果（1回目だけ）

1回目  2倍:4520189ナノ秒  左シフト:3852210ナノ秒  　0.8522232145602762

TimeBitshiftL2.Javaの出力結果（1回目だけ）

1回目  2倍:12144639ナノ秒  左シフト:8008474ナノ秒  　0.6594246234902494

この結果の２倍の処理時間の比率は、

4520189 ： 12144639 ＝ 1 ： 2.6867…

です。

この結果の左シフトの処理時間の比率は、

3852210 ： 8008474 ＝ 1 ： 2.0789…

です。

倍数とシフト数を変数に変更することで２倍以上の処理時間がかかることが確認できました。

ここから、ソースコードの主要部分について解説してきます。

008
009

		// 掛ける値
		mulnum = 2;

int型の変数mulnumに掛ける値2を代入しています。

011
012

		//　左シフトの回数
		shiftnum = 1;

int型の変数shiftnumに左シフト回数1を代入しています。

			// ２倍
			ts = System.nanoTime();
			x = 0;
			for ( int i = 1; i <= 10000000; ++ i ) {
				x = x * mulnum;
			}
			te = System.nanoTime();
			tresult1 = te - ts;

int型の変数xに0を代入して、その変数xに対してmulnum倍する処理を１０００万回行っています。処理終了時間tsと処理開始時間tsの差を処理時間tsresult1に代入しています。

			// ビットの左シフト
			ts = System.nanoTime();
			x = 0;
			for ( int i = 1; i <= 10000000; ++ i ) {
				x = x << shiftnum;
			}
			te = System.nanoTime();
			tresult2 = te - ts;

int型の変数xに0を代入して、その変数xに対してshiftnum回の左ビットシフトを１０００万回行っています。処理終了時間tsと処理開始時間tsの差を処理時間tsresult2に代入しています。

以上です。