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            雁過無痕

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                題目:數組中有三個數只出現一次,其它的數恰好出現兩次,找出這三個數。

             

                先考慮“只有兩個數出現一次”的情況:可以找到一種方法,將數組劃分為兩部分,且讓這兩個數分別在不同部分,這樣每部分所有數的異或值,恰好分別等于這兩個數。一種簡單的分法就是,先計算出這兩個數的異或值M(等價于求數組中所有數的異或值),求出M值的二進制表示中的最低位1(其它位的1也可以,只不過麻煩點)在 +k位,然后根據 +k位是否為1,將原數組分為兩部分。

               

                回到原題,假設這三個不同的數是:ABC,它們的異或值 X = A xor B xor CX值可能為0,也可能不為0。當X值不為0時(比如:這三個數為357X值為1),很難找到一種方法,將原來的數組劃分為兩部分,使得這三個數不都在同一部分。因而,要先對原來的數組進行一次替換:將每個數與X進行異或。這樣原來的三個數就變成了:

            B xor CA xor CA xor B。記a = B xor Cb = A xor Cc = A xor B。新的異或值 x = a xor b xor c = 0

               

                由于ABC互不相等,顯然它們間的異或值abc都不為0,且互不相等。(若a等于b,則 0 = a xor b = (B xor C) xor (A xor C) = A xor B != 0自相矛盾)

              

            若三個數的異或值為0,且其中一個數在 +n位(n為任意值)上為1,則另兩個數在 +n位上必然一個為1,另一個為0(不然的話,這三個數的異或值就不會為0),因而根據 +n位為1,可以將這三個數分成兩部分

             

            f(x)x的二進制表示中最低位1的位置,則f(a)f(b)f(c)這三個數中有且只有兩個數相等。證明:不妨設f(a)f(b)f(c)中最小的是f(a)k = f(a),則bc +k位上必然是一個為1,一個為0,不妨設b +k位為1,則根據f(x)的定義以及f(a)最小,可得f(b)等于f(a)f(c)大于f(a)。因而,新數組的數x對應的所有f(x)的總異或值等于f(c)

             

            假設f(a)等于f(b)m = f(c),由于c +m位上為1,不妨設 b +m位也為1,則a +m位為0。根據 +m位是否為1,可將新數組分為兩部分,每部分的異或值恰好都是 a = B xor C,可以求出數A(等于a xor X)。 將數A放入原來的數組,問題轉為“只有兩個數出現一次”的情況,利用前面提到的方法算出另兩個數。總共需遍歷數組4次。

             

             

            代碼:

             

            #include <cstdio>

            #include <cassert>

             

            static inline int extract_rightmost_one(unsigned value) { return value & -value; }

             

            // if a != b, m = extract_rightmost_one(a), n = extract_rightmost_one(b),

            //             k = extract_rightmost_one(a ^ b)

            // then m == n != k   or   m == k != n   or n == k != m

             

            void print_three_unique_number(const int arr[], unsigned len)

            {

             assert (len >= 3 && len % 2);

             const int* const beg = arr;

             const int* const end = arr + len;

             

             int xor3 = 0;

             for (const int* p = beg; p != end; ++p) xor3 ^= *p;

             

             int flag1 = 0;

             for (const int* p = beg; p != end; ++p) flag1 ^= extract_rightmost_one(*p ^ xor3);

             

             assert(flag1 != 0 && (flag1 & (flag1 - 1u)) == 0u); // flag1 == 2^^k

             

             int xor2 = 0;

             for (const int* p = beg; p != end; ++p) {

                const int value = *p ^ xor3;

                if (value & flag1) xor2 ^= value; //or:

                // if ((value & flag1) == 0) xor2 ^= value;

             }

             

             const int number1 = xor2 ^ xor3;

             const int flag2 = extract_rightmost_one(xor2);

             int number2 = (number1 & flag2) ? number1 : 0; // put number1 into the array

             for (const int* p = beg; p != end; ++p) {

                if (*p & flag2) number2 ^= *p;

             }

             

             const int number3 = xor2 ^ number2;

             printf("%d %d %d\n", number1, number2, number3);

            }

             

            上面的代碼并不嚴格符合C++標準,而是假定機器采用補碼表示負數(不采用補碼表示的老古董,一般人也碰不到)。 另外要特別注意的是,一些計算最好先轉為無符號數,避免溢出,最后再轉回有符號數。因為標準假定有符號數間的計算不發生溢出,當實際上發生溢出時,就是UB行為,編譯器若進行些激進的優化就得不到正確結果。

             

            posted on 2013-03-21 22:00 flyinghearts 閱讀(7055) 評論(4)  編輯 收藏 引用 所屬分類: 算法

            評論

            # re: 面試題: 找出數組中三個只出現一次的數 2013-03-28 09:46 歲月漫步
            先收藏,不過不喜歡這種異或,補碼運算  回復  更多評論
              

            # re: 面試題: 找出數組中三個只出現一次的數 2013-06-23 23:42 void
            數組中恰好有 n 個數只出現奇數次,找出這 n 個數:先排序, 然后比較前二個數, 作稍微的討論即可一直砍下去... 最后剩下這些數. O(nlogn).  回復  更多評論
              

            # re: 面試題: 找出數組中三個只出現一次的數 2013-10-02 21:37 rrison
            面試的時候肯定要你優化到O(n)的,O(nlogn)的算法雖然普適但是不符合要求。@void
              回復  更多評論
              

            # re: 面試題: 找出數組中三個只出現一次的數 2014-10-16 14:51 3d
            ,當實際上發生溢出時,就是UB行為,編譯器若進行些激進的優化就得不到正確結果。  回復  更多評論
              

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