演算法 求二進位制數中1的個數

2021-08-21 04:01:04 字數 4936 閱讀 8991

任意給定乙個32位無符號整數n,求n的二進位制表示中1的個數,比如n = 5(0101)時,返回2,n = 15(1111)時,返回4

這也是一道比較經典的題目了,相信不少人面試的時候可能遇到過這道題吧,下面介紹了幾種方法來實現這道題,相信很多人可能見過下面的演算法,但我相信很少有人見到本文中所有的演算法。如果您上頭上有更好的演算法,或者本文沒有提到的演算法,請不要吝惜您的**,分享的時候,也是學習和交流的時候。

我總是習慣叫普通法,因為我實在找不到乙個合適的名字來描述它,其實就是最簡單的方法,有點程式基礎的人都能想得到,那就是移位+計數,很簡單,不多說了,直接上**,這種方法的運算次數與輸入n最高位1的位置有關,最多迴圈32次。

int bitcount(unsigned int n)

return c ;

}

乙個更精簡的版本如下

int bitcount1(unsigned int n)

這種方法速度比較快,其運算次數與輸入n的大小無關,只與n中1的個數有關。如果n的二進位制表示中有k個1,那麼這個方法只需要迴圈k次即可。其原理是不斷清除n的二進位制表示中最右邊的1,同時累加計數器,直至n為0,**如下

int bitcount2(unsigned int n)

return c ;

}

為什麼n &= (n – 1)能清除最右邊的1呢?因為從二進位制的角度講,n相當於在n - 1的最低位加上1。舉個例子,8(1000)= 7(0111)+ 1(0001),所以8 & 7 = (1000)&(0111)= 0(0000),清除了8最右邊的1(其實就是最高位的1,因為8的二進位制中只有乙個1)。再比如7(0111)= 6(0110)+ 1(0001),所以7 & 6 = (0111)&(0110)= 6(0110),清除了7的二進位制表示中最右邊的1(也就是最低位的1)。

由於表示在程式執行時動態建立的,所以速度上肯定會慢一些,把這個版本放在這裡,有兩個原因

1. 介紹填表的方法,因為這個方法的確很巧妙。

2. 型別轉換,這裡不能使用傳統的強制轉換,而是先取位址再轉換成對應的指標型別。也是常用的型別轉換方法。

int bitcount3(unsigned int n) 

; // 初始化表

for (int i =0; i <256; i++)

unsigned int c =0 ;

// 查表

unsigned char* p = (unsigned char*) &n ;

c = bitssettable256[p[0]] +

bitssettable256[p[1]] +

bitssettable256[p[2]] +

bitssettable256[p[3]];

return c ;

}

先說一下填表的原理,根據奇偶性來分析,對於任意乙個正整數n

1.如果它是偶數,那麼n的二進位制中1的個數與n/2中1的個數是相同的,比如4和2的二進位制中都有乙個1,6和3的二進位制中都有兩個1。為啥?因為n是由n/2左移一位而來,而移位並不會增加1的個數。

2.如果n是奇數,那麼n的二進位制中1的個數是n/2中1的個數+1,比如7的二進位制中有三個1,7/2 = 3的二進位制中有兩個1。為啥?因為當n是奇數時,n相當於n/2左移一位再加1。

再說一下查表的原理

對於任意乙個32位無符號整數,將其分割為4部分,每部分8bit,對於這四個部分分別求出1的個數,再累加起來即可。而8bit對應2^8 = 256種01組合方式,這也是為什麼表的大小為256的原因。

注意型別轉換的時候,先取到n的位址,然後轉換為unsigned char*,這樣乙個unsigned int(4 bytes)對應四個unsigned char(1 bytes),分別取出來計算即可。舉個例子吧,以87654321(十六進製制)為例,先寫成二進位制形式-8bit一組,共四組,以不同顏色區分,這四組中1的個數分別為4,4,3,2,所以一共是13個1,如下面所示。

10000111

01100101

01000011

00100001 = 4 + 4 + 3 + 2 = 13

原理和8-bit表相同,詳見8-bit表的解釋

int bitcount4(unsigned int n)

; unsigned int count =0 ;

while (n)

return count ;

}

首先構造乙個包含256個元素的表table,table[i]即i中1的個數,這裡的i是[0-255]之間任意乙個值。然後對於任意乙個32bit無符號整數n,我們將其拆分成四個8bit,然後分別求出每個8bit中1的個數,再累加求和即可,這裡用移位的方法,每次右移8位,並與0xff相與,取得最低位的8bit,累加後繼續移位,如此往復,直到n為0。所以對於任意乙個32位整數,需要查表4次。以十進位制數2882400018為例,其對應的二進位制數為10101011110011011110111100010010,對應的四次查表過程如下:紅色表示當前8bit,綠色表示右移後高位補零。

第一次(n & 0xff)             10101011110011011110111100010010

第二次((n >> 8) & 0xff)  00000000101010111100110111101111

第三次((n >> 16) & 0xff)00000000000000001010101111001101

第四次((n >> 24) & 0xff)000000000000000000000000

10101011

int bitcount7(unsigned int n)

; return table[n &0xff] +

table[(n >>8) &0xff] +

table[(n >>16) &0xff] +

table[(n >>24) &0xff] ;

}

當然也可以搞乙個16bit的表,或者更極端一點32bit的表,速度將會更快。

網上都這麼叫,我也這麼叫吧,不過話說回來,的確有平行的意味在裡面,先看**,稍後解釋

int bitcount4(unsigned int n) 

速度不一定最快,但是想法絕對巧妙。 說一下其中奧妙,其實很簡單,先將n寫成二進位制形式,然後相鄰位相加,重複這個過程,直到只剩下一位。

以217(11011001)為例,有圖有真相,下面的圖足以說明一切了。217的二進位制表示中有5個1

完美法

int bitcount5(unsigned int n) 

最喜歡這個,**太簡潔啦,只是有個取模運算,可能速度上慢一些。區區兩行**,就能計算出1的個數,到底有何奧妙呢?為了解釋的清楚一點,我盡量多說幾句。

第一行**的作用

先說明一點,以0開頭的是8進製數,以0x開頭的是十六進製制數,上面**中使用了三個8進製數。

將n的二進位制表示寫出來,然後每3bit分成一組,求出每一組中1的個數,再表示成二進位制的形式。比如n = 50,其二進位制表示為110010,分組後是110和010,這兩組中1的個數本別是2和3。2對應010,3對應011,所以第一行**結束後,tmp = 010011,具體是怎麼實現的呢?由於每組3bit,所以這3bit對應的十進位制數都能表示為2^2 * a + 2^1 * b + c的形式,也就是4a + 2b + c的形式,這裡a,b,c的值為0或1,如果為0表示對應的二進位制位上是0,如果為1表示對應的二進位制位上是1,所以a + b + c的值也就是4a + 2b + c的二進位制數中1的個數了。舉個例子,十進位制數6(0110)= 4 * 1 + 2 * 1 + 0,這裡a = 1, b = 1, c = 0, a + b + c = 2,所以6的二進位制表示中有兩個1。現在的問題是,如何得到a + b + c呢?注意位運算中,右移一位相當於除2,就利用這個性質!

4a + 2b + c 右移一位等於2a + b

4a + 2b + c 右移量位等於a

然後做減法

4a + 2b + c –(2a + b) – a = a + b + c,這就是第一行**所作的事,明白了吧。

第二行**的作用

在第一行的基礎上,將tmp中相鄰的兩組中1的個數累加,由於累加到過程中有些組被重複加了一次,所以要捨棄這些多加的部分,這就是&030707070707的作用,又由於最終結果可能大於63,所以要取模。

需要注意的是,經過第一行**後,從右側起,每相鄰的3bit只有四種可能,即000, 001, 010, 011,為啥呢?因為每3bit中1的個數最多為3。所以下面的加法中不存在進製的問題,因為3 + 3 = 6,不足8,不會產生進製。

tmp + (tmp >> 3)-這句就是是相鄰組相加,注意會產生重複相加的部分,比如tmp = 659 = 001 010 010 011時,tmp >> 3 = 000 001 010 010,相加得

0010100

10011

0000010

10010---------------------

001011100

101011 + 101 = 3 + 5 = 8。(感謝網友di哈指正。)注意,659只是個中間變數,這個結果不代表659這個數的二進位制形式中有8個1。

注意我們想要的只是第二組和最後一組(綠色部分),而第一組和第三組(紅色部分)屬於重複相加的部分,要消除掉,這就是&030707070707所完成的任務(每隔三位刪除三位),最後為什麼還要%63呢?因為上面相當於每次計算相連的6bit中1的個數,最多是111111 = 77(八進位制)= 63(十進位制),所以最後要對63取模。

感謝網友 gussing提供

struct _byte 

; long get_bit_count( unsigned char b )

演算法 求二進位制數中1的個數

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