逛奔的蝸牛

Title:       位操作基礎篇之位操作全面總結
Author:     MoreWindows
E-mail:      morewindows@126.com
KeyWord:   C/C++ 位操作 位操作技巧 判斷奇偶 交換兩數(shù) 變換符號 求絕對值 位操作壓縮空間 篩素數(shù) 位操作趣味應用 位操作筆試面試

位操作篇共分為基礎篇和提高篇，基礎篇主要對位操作進行全面總結，幫助大家梳理知識。提高篇則針對各大IT公司如微軟、騰訊、百度、360等公司的筆試面試題作詳細的解答，使大家能熟練應對在筆試面試中位操作題目。

      下面就先來對位操作作個全面總結，歡迎大家補充。

在計算機中所有數(shù)據(jù)都是以二進制的形式儲存的。位運算其實就是直接對在內(nèi)存中的二進制數(shù)據(jù)進行操作，因此處理數(shù)據(jù)的速度非常快。

在實際編程中，如果能巧妙運用位操作，完全可以達到四兩撥千斤的效果，正因為位操作的這些優(yōu)點，所以位操作在各大IT公司的筆試面試中一直是個熱點問題。因此本文將對位操作進行如下方面總結：

      一． 位操作基礎，用一張表描述位操作符的應用規(guī)則并詳細解釋。

      二． 常用位操作小技巧，有判斷奇偶、交換兩數(shù)、變換符號、求絕對值。

      三． 位操作與空間壓縮，針對篩素數(shù)進行空間壓縮。

      四． 位操作的趣味應用，列舉了位操作在高低位交換、二進制逆序、二進制中1的個數(shù)以及缺失的數(shù)字這4種趣味應用。

希望讀者能認真學習和親自上機輸入代碼進行實驗，相信通過本文及適當?shù)木毩暱梢允鼓銓ξ徊僮饔懈由钊氲牧私猓诠P試面試中遇到位操作相關試題能更加從容。

一． 位操作基礎

基本的位操作符有與、或、異或、取反、左移、右移這6種，它們的運算規(guī)則如下所示：

符號	描述	運算規(guī)則                        by MoreWindows
&	與	兩個位都為1時，結果才為1
|	或	兩個位都為0時，結果才為0
^	異或	兩個位相同為0，相異為1
~	取反	0變1，1變0
<<	左移	各二進位全部左移若干位，高位丟棄，低位補0
>>	右移	各二進位全部右移若干位，對無符號數(shù)，高位補0，有符號數(shù)，各編譯器處理方法不一樣，有的補符號位（算術右移），有的補0（邏輯右移）

注意以下幾點：

1．  在這6種操作符，只有~取反是單目操作符，其它5種都是雙目操作符。

2．  位操作只能用于整形數(shù)據(jù)，對float和double類型進行位操作會被編譯器報錯。

3．  對于移位操作，在微軟的VC6.0和VS2008編譯器都是采取算術稱位即算術移位操作，算術移位是相對于邏輯移位，它們在右移操作中都一樣，低位補0即可，但在左移中邏輯移位的高位補0而算術移位的高位是補符號位。如下面代碼會輸出-4和3。

因為15=0000 1111(二進制)，右移二位，最高位由符號位填充將得到0000 0011即3。-15 = 1111 0001(二進制)，右移二位，最高位由符號位填充將得到1111 1100即-4（見注1）。

4．  位操作符的運算優(yōu)先級比較低，因為盡量使用括號來確保運算順序，否則很可能會得到莫明其妙的結果。比如要得到像1，3，5，9這些2^i+1的數(shù)字。寫成int a = 1 << i + 1;是不對的，程序會先執(zhí)行i + 1，再執(zhí)行左移操作。應該寫成int a = (1 << i) + 1;

5．  另外位操作還有一些復合操作符，如&=、|=、 ^=、<<=、>>=。

 

二． 常用位操作小技巧

下面對位操作的一些常見應用作個總結，有判斷奇偶、交換兩數(shù)、變換符號及求絕對值。這些小技巧應用易記，應當熟練掌握。

1．判斷奇偶

只要根據(jù)最未位是0還是1來決定，為0就是偶數(shù)，為1就是奇數(shù)。因此可以用if (a & 1 == 0)代替if (a % 2 == 0)來判斷a是不是偶數(shù)。

下面程序將輸出0到100之間的所有奇數(shù)。

2．交換兩數(shù)

一般的寫法是：

可以用位操作來實現(xiàn)交換兩數(shù)而不用第三方變量：

可以這樣理解：

第一步  a^=b 即a=(a^b);

第二步  b^=a 即b=b^(a^b)，由于^運算滿足交換律，b^(a^b)=b^b^a。由于一個數(shù)和自己異或的結果為0并且任何數(shù)與0異或都會不變的，所以此時b被賦上了a的值。

第三步 a^=b 就是a=a^b，由于前面二步可知a=(a^b)，b=a，所以a=a^b即a=(a^b)^a。故a會被賦上b的值。
再來個實例說明下以加深印象。int a = 13, b = 6;

a的二進制為 13=8+4+1=1101(二進制)

b的二進制為 6=4+2=110(二進制)

第一步 a^=b  a = 1101 ^ 110 = 1011;

第二步 b^=a  b = 110 ^ 1011 = 1101;即b=13

第三步 a^=b  a = 1011 ^ 1101 = 110;即a=5

3．變換符號

變換符號就是正數(shù)變成負數(shù)，負數(shù)變成正數(shù)。

如對于-11和11，可以通過下面的變換方法將-11變成11

      1111 0101(二進制) –取反-> 0000 1010(二進制) –加1-> 0000 1011(二進制)

同樣可以這樣的將11變成-11

      0000 1011(二進制) –取反-> 0000 1010(二進制) –加1-> 1111 0101(二進制)

因此變換符號只需要取反后加1即可。完整代碼如下：

4．求絕對值

位操作也可以用來求絕對值，對于負數(shù)可以通過對其取反后加1來得到正數(shù)。對-6可以這樣：

      1111 1010(二進制) –取反->0000 0101(二進制) -加1-> 0000 0110(二進制)

來得到6。

因此先移位來取符號位，int i = a >> 31;要注意如果a為正數(shù)，i等于0，為負數(shù)，i等于-1。然后對i進行判斷——如果i等于0，直接返回。否之，返回~a+1。完整代碼如下：

現(xiàn)在再分析下。對于任何數(shù)，與0異或都會保持不變，與-1即0xFFFFFFFF異或就相當于取反。因此，a與i異或后再減i（因為i為0或-1，所以減i即是要么加0要么加1）也可以得到絕對值。所以可以對上面代碼優(yōu)化下：

注意這種方法沒用任何判斷表達式，而且有些筆面試題就要求這樣做，因此建議讀者記住該方法（^_^講解過后應該是比較好記了）。

 

三． 位操作與空間壓縮

篩素數(shù)法在這里不就詳細介紹了，本文著重對篩素數(shù)法所使用的素數(shù)表進行優(yōu)化來減小其空間占用。要壓縮素數(shù)表的空間占用，可以使用位操作。下面是用篩素數(shù)法計算100以內(nèi)的素數(shù)示例代碼（注2）：

運行結果如下：

在上面程序是用bool數(shù)組來作標記的，bool型數(shù)據(jù)占1個字節(jié)（8位），因此用位操作來壓縮下空間占用將會使空間的占用減少八分之一。

下面考慮下如何在數(shù)組中對指定位置置1，先考慮如何對一個整數(shù)在指定位置上置1。對于一個整數(shù)可以通過將1向左移位后與其相或來達到在指定位上置1的效果，代碼如下所示：

同樣，可以1向左移位后與原數(shù)相與來判斷指定位上是0還是1（也可以將原數(shù)右移若干位再與1相與）。

擴展到數(shù)組上，我們可以采用這種方法，因為數(shù)組在內(nèi)存上也是連續(xù)分配的一段空間，完全可以“認為”是一個很長的整數(shù)。先寫一份測試代碼，看看如何在數(shù)組中使用位操作：

運行結果如下：

可以看出該數(shù)組每3個就置成了1，證明我們上面對數(shù)組進行位操作的方法是正確的。因此可以將上面篩素數(shù)方法改成使用位操作壓縮后的篩素數(shù)方法：

同樣運行結果為：

另外，還可以使用C++ STL中的bitset類來作素數(shù)表。篩素數(shù)方法在筆試面試出現(xiàn)的幾率還是比較大的，能寫出用位操作壓縮后的篩素數(shù)方法無疑將會使你的代碼脫穎而出，因此強烈建議讀者自己親自動手實現(xiàn)一遍，平時多努力，考試才不慌。

 

四． 位操作的趣味應用

位操作有很有趣的應用，下面列舉出一些，歡迎讀者補充。

1．  高低位交換

給出一個16位的無符號整數(shù)。稱這個二進制數(shù)的前8位為“高位”，后8位為“低位”。現(xiàn)在寫一程序將它的高低位交換。例如，數(shù)34520用二進制表示為：

      10000110 11011000

將它的高低位進行交換，我們得到了一個新的二進制數(shù)：

      11011000 10000110

它即是十進制的55430。

這個問題用位操作解決起來非常方便，設x=34520=10000110 11011000(二進制) 由于x為無符號數(shù)，右移時會執(zhí)行邏輯右移即高位補0，因此x右移8位將得到0000000010000110。而x左移8位將得到11011000 00000000。可以發(fā)現(xiàn)只要將x>>8與x<<8這兩個數(shù)相與就可以得到11011000 10000110。用代碼實現(xiàn)非常簡潔：

運行結果如下：

2．  二進制逆序

我們知道如何對字符串求逆序，現(xiàn)在要求計算二進制的逆序，如數(shù)34520用二進制表示為：

      10000110 11011000

將它逆序，我們得到了一個新的二進制數(shù)：

      00011011 01100001

它即是十進制的7009。

    回顧下字符串的逆序，可以從字符串的首尾開始，依次交換兩端的數(shù)據(jù)。在二進制逆序我們也可以用這種方法，但運用位操作的高低位交換來處理二進制逆序將會得到更簡潔的方法。類似于歸并排序的分組處理，可以通過下面4步得到16位數(shù)據(jù)的二進制逆序：

第一步：每2位為一組，組內(nèi)高低位交換

      10 00 01 10  11 01 10 00

  -->01 00 10 01 11 10 01 00

第二步：每4位為一組，組內(nèi)高低位交換

      0100 1001 1110 0100

  -->0001 0110 1011 0001

第三步：每8位為一組，組內(nèi)高低位交換

      00010110 10110001

  -->01100001 00011011

第四步：每16位為一組，組內(nèi)高低位交換

      01100001 00011011

  -->00011011 01100001

對第一步，可以依次取出每2位作一組，再組內(nèi)高低位交換，這樣有點麻煩，下面介紹一種非常有技巧的方法。先分別取10000110 11011000的奇數(shù)位和偶數(shù)位，空位以下劃線表示。

      原 數(shù)   10000110 11011000

      奇數(shù)位 1_0_0_1_ 1_0_1_0_

      偶數(shù)位 _0_0_1_0 _1_1_0_0

將下劃線用0填充，可得

      原 數(shù)   10000110 11011000

      奇數(shù)位 10000010 10001000

      偶數(shù)位 00000100 01010000

再將奇數(shù)位右移一位，偶數(shù)位左移一位，此時將這兩個數(shù)據(jù)相與即可以達到奇偶位上數(shù)據(jù)交換的效果了。

      原 數(shù)          10000110 11011000

      奇數(shù)位右移 01000011 01101100

      偶數(shù)位左移 0000100 010100000

      相與得到     01001000 11100100

可以看出，結果完全達到了奇偶位的數(shù)據(jù)交換，再來考慮代碼的實現(xiàn)——

      取x的奇數(shù)位并將偶數(shù)位用0填充用代碼實現(xiàn)就是x & 0xAAAA

      取x的偶數(shù)位并將奇數(shù)位用0填充用代碼實現(xiàn)就是x & 0x5555

因此，第一步就用代碼實現(xiàn)就是：

       x = ((x & 0xAAAA) >> 1) | ((x & 0x5555) << 1);

類似可以得到后三步的代碼。完整程序如下：

運行結果如下：

3．  二進制中1的個數(shù)

統(tǒng)計二進制中1的個數(shù)可以直接移位再判斷，當然像《編程之美》書中用循環(huán)移位計數(shù)或先打一個表再計算都可以。本文詳細講解一種高效的方法。以34520為例，可以通過下面四步來計算其二進制中1的個數(shù)二進制中1的個數(shù)。

第一步：每2位為一組，組內(nèi)高低位相加

      10 00 01 10  11 01 10 00

  -->01 00 01 01  10 01 01 00

第二步：每4位為一組，組內(nèi)高低位相加

      0100 0101 1001 0100

  -->0001 0010 0011 0001

第三步：每8位為一組，組內(nèi)高低位相加

      00010010 00110001

  -->00000011 00000100

第四步：每16位為一組，組內(nèi)高低位相加

      00000011 00000100

  -->00000000 00000111

這樣最后得到的00000000 00000111即7即34520二進制中1的個數(shù)。類似上文中對二進制逆序的做法不難實現(xiàn)第一步的代碼：

       x = ((x & 0xAAAA) >> 1) + (x & 0x5555);

好的，有了第一步，后面幾步就請讀者完成下吧，先動動筆再看下面的完整代碼：

運行結果如下：

可以發(fā)現(xiàn)巧妙運用分組處理確實是解決很多二進制問題的靈丹妙藥。

4．  缺失的數(shù)字

很多成對出現(xiàn)數(shù)字保存在磁盤文件中，注意成對的數(shù)字不一定是相鄰的，如2, 3, 4, 3, 4, 2……，由于意外有一個數(shù)字消失了，如何盡快的找到是哪個數(shù)字消失了？

由于有一個數(shù)字消失了，那必定有一個數(shù)只出現(xiàn)一次而且其它數(shù)字都出現(xiàn)了偶數(shù)次。用搜索來做就沒必要了，利用異或運算的兩個特性——1.自己與自己異或結果為0，2.異或滿足交換律。因此我們將這些數(shù)字全異或一遍，結果就一定是那個僅出現(xiàn)一個的那個數(shù)。 示例代碼如下：

 

位操作是一種高效優(yōu)美的方法，同時由于其高效的運算性能和掌握難度較大，位操作運算一直是筆試面試時的熱門話題之一。本文詳細總結了位操作的方法與技巧并列出4種位操作趣味應用，如果讀者能親自上機實現(xiàn)代碼，相信必能更好應對筆試和面試時可能遇到的位操作問題。

另外，歡迎各位能提供筆試面試中的位操作相關的題目給我，我將會在提高篇中加入這些。謝謝大家。

 

 

注1．int類型一般占4字節(jié)，32位。因此15準確表達為

15=00000000 00000000 00000000 00001111(二進制)

-15準確表達為

-15=11111111 11111111 11111111 11110001(二進制)

為了簡便起見，文章中使用15=00001111(二進制)，-15=11110001(二進制)。

 

注2．這種篩素數(shù)的方法很樸素，會多次重復訪問數(shù)據(jù)，有什么辦法能改進一下嗎？請看《改進的篩素數(shù)方法》一文。

 

轉載請標明出處，原文地址：http://blog.csdn.net/morewindows/article/details/7354571

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