我在C++中编写了一个BigInteger类，应该能够对任何大小的数字执行操作。目前，我正在尝试通过比较现有算法并测试它们适用于哪些位数来实现非常快速的乘法方法，但我遇到了非常意外的结果。我尝试进行了20次500位数的乘法并计时。这是结果：
karatsuba:
14.178 seconds
long multiplication:
0.879 seconds
维基百科告诉我：
因此，对于足够大的n，Karatsuba算法将执行比长手乘法更少的移位和单个数字相加，即使其基本步骤使用比直接公式更多的加法和移位。然而，对于小的n值，额外的移位和加法操作可能使其比长手方法运行得更慢。正回报点取决于计算机平台和上下文。作为经验法则，当乘数长度大于320-640位时，Karatsuba通常更快。
由于我的数字至少有1500位长，这是很意外的，因为维基百科说karatsuba应该运行得更快。我认为我的问题可能在于我的加法算法，但我不知道如何使它更快，因为它已经以O(n)的速度运行。我将在下面发布我的代码，以便您可以检查我的实现。我会略去不相关的部分。
我还在想，也许我使用的结构不是最好的。我用小端表示每个数据段。例如，如果我有数字123456789101112存储在长度为3的数据段中，它将如下所示：
{112,101,789,456,123}
所以我现在问什么是实现BigInteger类的最佳结构和最佳方法？为什么karatsuba算法比长乘法慢？
这是我的代码：（对于长度我很抱歉）
using namespace std;
bool __longmult=true;
bool __karatsuba=false;
struct BigInt {
public:
vector <int> digits;
BigInt(const char * number) {
//constructor is not relevant
}
BigInt() {}
void BigInt::operator = (BigInt a) {
digits=a.digits;
}
friend BigInt operator + (BigInt,BigInt);
friend BigInt operator * (BigInt,BigInt);
friend ostream& operator << (ostream&,BigInt);
};
BigInt operator + (BigInt a,BigInt b) {
if (b.digits.size()>a.digits.size()) {
a.digits.swap(b.digits); //make sure a has more or equal amount of digits than b
}
int carry=0;
for (unsigned int i=0;i<a.digits.size();i++) {
int sum;
if (i<b.digits.size()) {
sum=b.digits[i]+a.digits[i]+carry;
} else if (carry==1) {
sum=a.digits[i]+carry;
} else {
break; // if carry is 0 and no more digits in b are left then we are done already
}
if (sum>=1000000000) {
a.digits[i]=sum-1000000000;
carry=1;
} else {
a.digits[i]=sum;
carry=0;
}
}
if (carry) {
a.digits.push_back(1);
}
return a;
}
BigInt operator * (BigInt a,BigInt b) {
if (__longmult) {
BigInt res;
for (unsigned int i=0;i<b.digits.size();i++) {
BigInt temp;
temp.digits.insert(temp.digits.end(),i,0); //shift to left for i 'digits'
int carry=0;
for (unsigned int j=0;j<a.digits.size();j++) {
long long prod=b.digits[i];
prod*=a.digits[j];
prod+=carry;
int t=prod%1000000000;
temp.digits.push_back(t);
carry=(prod-t)/1000000000;
}
if (carry>0) {
temp.digits.push_back(carry);
}
res+=temp;
}
return res;
} else if (__karatsuba) {
BigInt res;
BigInt a1,a0,b1,b0;
assert(a.digits.size()>0 && b.digits.size()>0);
while (a.digits.size()!=b.digits.size()) { //add zeroes for equal size
if (a.digits.size()>b.digits.size()) {
b.digits.push_back(0);
} else {
a.digits.push_back(0);
}
}
if (a.digits.size()==1) {
long long prod=a.digits[0];
prod*=b.digits[0];
res=prod;//conversion from long long to BigInt runs in constant time
return res;
} else {
for (unsigned int i=0;i<a.digits.size();i++) {
if (i<(a.digits.size()+(a.digits.size()&1))/2) { //split the number in 2 equal parts
a0.digits.push_back(a.digits[i]);
b0.digits.push_back(b.digits[i]);
} else {
a1.digits.push_back(a.digits[i]);
b1.digits.push_back(b.digits[i]);
}
}
}
BigInt z2=a1*b1;
BigInt z0=a0*b0;
BigInt z1 = (a1 + a0)*(b1 + b0) - z2 - z0;
if (z2==0 && z1==0) {
res=z0;
} else if (z2==0) {
z1.digits.insert(z1.digits.begin(),a0.digits.size(),0);
res=z1+z0;
} else {
z1.digits.insert(z1.digits.begin(),a0.digits.size(),0);
z2.digits.insert(z2.digits.begin(),2*a0.digits.size(),0);
res=z2+z1+z0;
}
return res;
}
}
int main() {
clock_t start, end;
BigInt a("984561231354629875468546546534125215534125215634987498548489456125215421563498749854848945612385663498749854848945612521542156349874985484894561238561698774565123165221393856169877456512316552156349874985484894561238561698774565123165221392213935215634987498548489456123856169877456512316522139521563498749854848945612385616987745651231652213949651465123151354686324848945612385616987745651231652213949651465123151354684132319321005482265341252156349874985484894561252154215634987498548489456123856264596162131");
BigInt b("453412521563498749853412521563498749854848945612521542156349874985484894561238565484894561252154215634987498548489456123856848945612385616935462987546854521563498749854848945653412521563498749854848945612521542156349874985484894561238561238754579785616987745651231652213965465341235215634987495215634987498548489456123856169877456512316522139854848774565123165223546298754685465465341235215634987498548354629875468546546534123521563498749854844139496514651231513546298754685465465341235215634987498548435468");
__longmult=false;
__karatsuba=true;
start=clock();
for (int i=0;i<20;i++) {
a*b;
}
end=clock();
printf("\nTook %f seconds\n", (double)(end-start)/CLOCKS_PER_SEC);
__longmult=true;
__karatsuba=false;
start=clock();
for (int i=0;i<20;i++) {
a*b;
}
end=clock();
printf("\nTook %f seconds\n", (double)(end-start)/CLOCKS_PER_SEC);
return 0;
}