判断一个数是否为质数/素数——从普通判断算法到高效判断算法思路

定义：约数只有1和本身的整数称为质数，或称素数。
计算机或者相关专业，基本上大一新生开始学编程都会接触的一个问题就是判断质数，下面分享几个判断方法，从普通到高效。

1）直观判断法

最直观的方法，根据定义，因为质数除了1和本身之外没有其他约数，所以判断n是否为质数，根据定义直接判断从2到n-1是否存在n的约数即可。C++代码如下：

bool isPrime_1( int num )
{int tmp =num- 1;for(int i= 2;i <=tmp; i++)if(num %i== 0)return 0 ;return 1 ;
}

2）直观判断法改进

上述判断方法，明显存在效率极低的问题。对于每个数n，其实并不需要从2判断到n-1，我们知道，一个数若可以进行因数分解，那么分解时得到的两个数一定是一个小于等于sqrt(n)，一个大于等于sqrt(n)，据此，上述代码中并不需要遍历到n-1，遍历到sqrt(n)即可，因为若sqrt(n)左侧找不到约数，那么右侧也一定找不到约数。C++代码如下：

bool isPrime_2( int num )
{int tmp =sqrt( num);for(int i= 2;i <=tmp; i++)if(num %i== 0)return 0 ;return 1 ;
}

3）另一种方法

方法（2）应该是最常见的判断算法了，时间复杂度O(sqrt(n))，速度上比方法（1）的O(n)快得多。最近在网上偶然看到另一种更高效的方法，暂且称为方法（3）吧，由于找不到原始的出处，这里就不贴出链接了，如果有原创者看到，烦请联系我，必定补上版权引用。下面讲一下这种更快速的判断方法；
首先看一个关于质数分布的规律：大于等于5的质数一定和6的倍数相邻。例如5和7，11和13,17和19等等；

证明：令x≥1，将大于等于5的自然数表示如下：

······ 6x-1，6x，6x+1，6x+2，6x+3，6x+4，6x+5，6(x+1），6(x+1)+1 ······

可以看到，不在6的倍数两侧，即6x两侧的数为6x+2，6x+3，6x+4，由于2(3x+1)，3(2x+1)，2(3x+2)，所以它们一定不是素数，再除去6x本身，显然，素数要出现只可能出现在6x的相邻两侧。这里有个题外话，关于孪生素数，有兴趣的道友可以再另行了解一下，由于与我们主题无关，暂且跳过。这里要注意的一点是，在6的倍数相邻两侧并不是一定就是质数。

此时判断质数可以6个为单元快进，即将方法（2）循环中i++步长加大为6，加快判断速度，原因是，假如要判定的数为n，则n必定是6x-1或6x+1的形式，对于循环中6i-1，6i，6i+1,6i+2，6i+3，6i+4，其中如果n能被6i，6i+2，6i+4整除，则n至少得是一个偶数，但是6x-1或6x+1的形式明显是一个奇数，故不成立；另外，如果n能被6i+3整除，则n至少能被3整除，但是6x能被3整除，故6x-1或6x+1（即n）不可能被3整除，故不成立。综上，循环中只需要考虑6i-1和6i+1的情况，即循环的步长可以定为6，每次判断循环变量k和k+2的情况即可，理论上讲整体速度应该会是方法（2）的3倍。代码如下：

bool isPrime_3( int num )
{//两个较小数另外处理if(num ==2|| num==3 )return 1 ;//不在6的倍数两侧的一定不是质数if(num %6!= 1&&num %6!= 5)return 0 ;int tmp =sqrt( num);//在6的倍数两侧的也可能不是质数for(int i= 5;i <=tmp; i+=6 )if(num %i== 0||num %(i+ 2)==0 )return 0 ;//排除所有，剩余的是质数return 1 ;
}

算法性能测试：

编写测试代码，使用较多数据测试比较几种方法的判断效率，数据量40w，代码如下：

#include <iostream>
#include <string>
#include <ctime>
#include <vector>
using namespace std;
bool isPrime_1( int num );
bool isPrime_2( int num );
bool isPrime_3( int num );
int main()
{int test_num =400000;int tstart ,tstop; //分别记录起始和结束时间//测试第一个判断质数函数tstart=clock ();for(int i= 1;i <=test_num; i++)isPrime_1(i );tstop=clock ();cout<<"方法(1)时间(ms):" <<tstop- tstart<<endl ;//ms为单位//测试第二个判断质数函数tstart=clock ();for(int i= 1;i <=test_num; i++)isPrime_2(i );tstop=clock ();cout<<"方法(2)时间(ms):" <<tstop- tstart<<endl ;//测试第三个判断质数函数tstart=clock ();for(int i= 1;i <=test_num; i++)isPrime_3(i );tstop=clock ();cout<<"方法(3)时间(ms):" <<tstop- tstart<<endl ;cout<<endl ;system("pause" );return 0 ;
}

运行结果如下；

可以看出，判断到40w，效率上方法（1）明显要差得多，方法（2）和方法（3）在这种测试数量下时间相差2倍多

单独对比方法（2）和（3），数据量加到1000w，结果如下：

可以看出，方法（2）和方法（3）在这种测试数量下时间相差依然是2倍多，不过已经是很不错的提升。

对了，附上运行环境，CPU-i5-3210，内存4G，win7，vs2012。

好了，判断质数的方法暂时就到这里，不足之处欢迎各道友指出。