常用的位操作

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读完本文,你不仅学会了算法套路,还可以顺便去 LeetCode 上拿下如下题目:

191.位1的个数(简单)

231.2的幂(简单)


本文分两部分,第一部分列举几个有趣的位操作,第二部分讲解算法中常用的 n & (n - 1) 操作,顺便把用到这个技巧的算法题列出来讲解一下。因为位操作很简单,所以假设读者已经了解与、或、异或这三种基本操作。

位操作(Bit Manipulation)可以玩出很多奇技淫巧,但是这些技巧大部分都过于晦涩,没必要深究,读者只要记住一些有用的操作即可。

一、几个有趣的位操作

  1. 利用或操作 | 和空格将英文字符转换为小写
('a' | ' ') = 'a'
('A' | ' ') = 'a'
  1. 利用与操作 & 和下划线将英文字符转换为大写
('b' & '_') = 'B'
('B' & '_') = 'B'
  1. 利用异或操作 ^ 和空格进行英文字符大小写互换
('d' ^ ' ') = 'D'
('D' ^ ' ') = 'd'

以上操作能够产生奇特效果的原因在于 ASCII 编码。字符其实就是数字,恰巧这些字符对应的数字通过位运算就能得到正确的结果,有兴趣的读者可以查 ASCII 码表自己算算,本文就不展开讲了。

  1. 判断两个数是否异号
int x = -1, y = 2;
bool f = ((x ^ y) < 0); // true

int x = 3, y = 2;
bool f = ((x ^ y) < 0); // false

这个技巧还是很实用的,利用的是补码编码的符号位。如果不用位运算来判断是否异号,需要使用 if else 分支,还挺麻烦的。读者可能想利用乘积或者商来判断两个数是否异号,但是这种处理方式可能造成溢出,从而出现错误。

  1. 不用临时变量交换两个数
int a = 1, b = 2;
a ^= b;
b ^= a;
a ^= b;
// 现在 a = 2, b = 1
  1. 加一
int n = 1;
n = -~n;
// 现在 n = 2
  1. 减一
int n = 2;
n = ~-n;
// 现在 n = 1

PS:上面这三个操作就纯属装逼用的,没啥实际用处,大家了解了解乐呵一下就行。

二、算法常用操作

n&(n-1) 这个操作是算法中常见的,作用是消除数字 n 的二进制表示中的最后一个 1。

看个图就很容易理解了:

其核心逻辑就是,n - 1 一定可以消除最后一个 1,同时把其后的 0 都变成 1,这样再和 n 做一次 & 运算,就可以仅仅把最后一个 1 变成 0 了。

  1. 计算汉明权重(Hamming Weight)

就是让你返回 n 的二进制表示中有几个 1。因为 n & (n - 1) 可以消除最后一个 1,所以可以用一个循环不停地消除 1 同时计数,直到 n 变成 0 为止。

int hammingWeight(uint32_t n) {
    int res = 0;
    while (n != 0) {
        n = n & (n - 1);
        res++;
    }
    return res;
}
  1. 判断一个数是不是 2 的指数

一个数如果是 2 的指数,那么它的二进制表示一定只含有一个 1:

2^0 = 1 = 0b0001
2^1 = 2 = 0b0010
2^2 = 4 = 0b0100

如果使用 n&(n-1) 的技巧就很简单了(注意运算符优先级,括号不可以省略):

bool isPowerOfTwo(int n) {
    if (n <= 0) return false;
    return (n & (n - 1)) == 0;
}

3、查找只出现一次的元素

这里就可以运用异或运算的性质:

一个数和它本身做异或运算结果为 0,即 a ^ a = 0;一个数和 0 做异或运算的结果为它本身,即 a ^ 0 = a

对于这道题目,我们只要把所有数字进行异或,成对儿的数字就会变成 0,落单的数字和 0 做异或还是它本身,所以最后异或的结果就是只出现一次的元素:

int singleNumber(vector<int>& nums) {
    int res = 0;
    for (int n : nums) {
        res ^= n;
    }
    return res;
}

以上便是一些有趣/常用的位操作。其实位操作的技巧很多,有一个叫做 Bit Twiddling Hacks 的外国网站收集了几乎所有位操作的黑科技玩法,感兴趣的读者可以查看:

http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#ReverseParallel

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