列出N以下所有素数的最快方法

Question

这是我能想到的最好的算法。

def get_primes(n):
    numbers = set(range(n, 1, -1))
    primes = []
    while numbers:
        p = numbers.pop()
        primes.append(p)
        numbers.difference_update(set(range(p*2, n+1, p)))
    return primes

>>> timeit.Timer(stmt='get_primes.get_primes(1000000)', setup='import   get_primes').timeit(1)
1.1499958793645562

它还能做得更快吗？

这段代码有一个缺陷:因为numbers是一个无序集合，所以不能保证numbers.pop()会从集合中删除最小的数字。然而，它对一些输入数字(至少对我来说)是有效的：

>>> sum(get_primes(2000000))
142913828922L
#That's the correct sum of all numbers below 2 million
>>> 529 in get_primes(1000)
False
>>> 529 in get_primes(530)
True

Answer 1

更快和更多内存的纯Python代码：

def primes(n):
    """ Returns  a list of primes < n """
    sieve = [True] * n
    for i in range(3,int(n**0.5)+1,2):
        if sieve[i]:
            sieve[i*i::2*i]=[False]*((n-i*i-1)//(2*i)+1)
    return [2] + [i for i in range(3,n,2) if sieve[i]]

或者从半筛开始

def primes1(n):
    """ Returns  a list of primes < n """
    sieve = [True] * (n//2)
    for i in range(3,int(n**0.5)+1,2):
        if sieve[i//2]:
            sieve[i*i//2::i] = [False] * ((n-i*i-1)//(2*i)+1)
    return [2] + [2*i+1 for i in range(1,n//2) if sieve[i]]

速度更快，内存更多的numpy代码：

import numpy
def primesfrom3to(n):
    """ Returns a array of primes, 3 <= p < n """
    sieve = numpy.ones(n//2, dtype=numpy.bool)
    for i in range(3,int(n**0.5)+1,2):
        if sieve[i//2]:
            sieve[i*i//2::i] = False
    return 2*numpy.nonzero(sieve)[0][1::]+1

一个以筛子的三分之一开始的更快的变体：

import numpy
def primesfrom2to(n):
    """ Input n>=6, Returns a array of primes, 2 <= p < n """
    sieve = numpy.ones(n//3 + (n%6==2), dtype=numpy.bool)
    for i in range(1,int(n**0.5)//3+1):
        if sieve[i]:
            k=3*i+1|1
            sieve[       k*k//3     ::2*k] = False
            sieve[k*(k-2*(i&1)+4)//3::2*k] = False
    return numpy.r_[2,3,((3*numpy.nonzero(sieve)[0][1:]+1)|1)]

上面代码的纯python版本(难以编码)如下：

def primes2(n):
    """ Input n>=6, Returns a list of primes, 2 <= p < n """
    n, correction = n-n%6+6, 2-(n%6>1)
    sieve = [True] * (n//3)
    for i in range(1,int(n**0.5)//3+1):
      if sieve[i]:
        k=3*i+1|1
        sieve[      k*k//3      ::2*k] = [False] * ((n//6-k*k//6-1)//k+1)
        sieve[k*(k-2*(i&1)+4)//3::2*k] = [False] * ((n//6-k*(k-2*(i&1)+4)//6-1)//k+1)
    return [2,3] + [3*i+1|1 for i in range(1,n//3-correction) if sieve[i]]

不幸的是，纯python没有采用更简单、更快的numpy方法来进行赋值，而且在循环中调用len()太慢了，就像在[False]*len(sieve[((k*k)//3)::2*k])中一样。所以我不得不即兴纠正输入(避免更多的数学运算)，并做一些极端(&痛苦)的数学魔术。

就我个人而言，我认为numpy (被广泛使用)不是Python标准库的一部分是一件遗憾的事情，而且Python开发人员似乎完全忽略了语法和速度方面的改进。

Answer 2

Python Cookbook here中有一个非常整洁的示例--该URL上建议的最快版本是：

import itertools
def erat2( ):
    D = {  }
    yield 2
    for q in itertools.islice(itertools.count(3), 0, None, 2):
        p = D.pop(q, None)
        if p is None:
            D[q*q] = q
            yield q
        else:
            x = p + q
            while x in D or not (x&1):
                x += p
            D[x] = p

所以这将会给你

def get_primes_erat(n):
  return list(itertools.takewhile(lambda p: p<n, erat2()))

使用pri.py中的以下代码在shell提示符下(我更喜欢这样做)进行测量，我观察到：

$ python2.5 -mtimeit -s'import pri' 'pri.get_primes(1000000)'
10 loops, best of 3: 1.69 sec per loop
$ python2.5 -mtimeit -s'import pri' 'pri.get_primes_erat(1000000)'
10 loops, best of 3: 673 msec per loop

所以看起来Cookbook解决方案的速度要快两倍以上。

Answer 3

使用Sundaram's Sieve，我想我打破了pure-Python的记录：

def sundaram3(max_n):
    numbers = range(3, max_n+1, 2)
    half = (max_n)//2
    initial = 4

    for step in xrange(3, max_n+1, 2):
        for i in xrange(initial, half, step):
            numbers[i-1] = 0
        initial += 2*(step+1)

        if initial > half:
            return [2] + filter(None, numbers)

对比：

C:\USERS>python -m timeit -n10 -s "import get_primes" "get_primes.get_primes_erat(1000000)"
10 loops, best of 3: 710 msec per loop

C:\USERS>python -m timeit -n10 -s "import get_primes" "get_primes.daniel_sieve_2(1000000)"
10 loops, best of 3: 435 msec per loop

C:\USERS>python -m timeit -n10 -s "import get_primes" "get_primes.sundaram3(1000000)"
10 loops, best of 3: 327 msec per loop