异或运算的应用

异或是一种基于二进制的位运算,用符号XOR或者 ^ 表示,

其运算法则是对运算符两侧数的每一个二进制位,同值取0,异值取1。

它与布尔运算的区别在于,当运算符两侧均为1时,布尔运算的结果为1,异或运算的结果为0。

异或的性质

  1. 交换律:a ^ b = b ^ a
  2. 结合律:a ^ b ^ c = a ^ (b ^ c) = (a ^ b) ^ c
  3. d = a ^ b ^ c 可以推出 a = d ^ b ^ c
  4. 自反性:a ^ b ^ a = b
  5. x ^ x = 0, x ^ 0 = x

应用:

1.最早我们常见的就是交换两个数:

void exchange(int a, int b)
{
    a ^= b;
    b ^= a;
    a ^= b;
}  

这里就用到了异或运算的自反性:

首先 a = a ^ b;

然后 b = a ^ b ^ b = a

然后 a = a ^ b ^ a = b

1-1000放在含有1001个元素的数组中,只有唯一的一个元素值重复,其它均只出现一次。每个数组元素只能访问一次,设计一个算法,将它找出来;不用辅助存储空间,能否设计一个算法实现?

解法一:将所有数加起来,减去1+2+...+1000的和。

这个算法已经足够完美了,相信出题者的标准答案也就是这个算法,唯一的问题是,如果数列过大,则可能会导致溢出。
解法二:异或就没有这个问题,并且性能更好。将所有的数全部异或,得到的结果与1^2^3^...^1000的结果进行异或,得到的结果就是重复数。

解法一很显然,解法二需要证明一下:

前面提到异或具有交换律和结合律,所以1^2^...^n^...^n^...^1000,无论这两个n出现在什么位置,都可以转换成为1^2^...^1000^(n^n)的形式。
其次,对于任何数x,都有x^x=0,x^0=x。
所以1^2^...^n^...^n^...^1000 = 1^2^...^1000^(n^n)= 1^2^...^1000^0 = 1^2^...^1000(即序列中除了n的所有数的异或)。

令,1^2^...^n^..^1000(序列中包含一个n)的结果为T
则1^2^..^n^..^n^..^1000(序列中包含2个n)的结果就是T^n。
T^(T^n)=n。
所以,将所有的数全部异或,得到的结果与1^2^3^...^1000的结果进行异或,得到的结果就是重复数。

一个数组存放若干整数,一个数出现奇数次,其余数均出现偶数次,找出这个出现奇数次的数?

这个其实是上一个题目的一个变形题目,最直接的办法还是和上面一样,就是把所有数异或 (奇数个异或是本身,偶数个是0)

一个32位整数任意两个比特位交换的宏定义写法 

#include <stdio.h>

#define bswap(data, m, n)    \
    (data & (1 << m)) == (data & (1 << n)) ? data : data ^ ((1 << m) | (1 << n))

void main(void)
{
    int data = 4;

    int m = 2, n = 3;

    //0000 0000 0000 0100
    //exchange bit2 and bit3
    //0000 0000 0000 1000
    //8

    printf("%d -> bswap(2, 3) -> %d\n", data, bswap(data, m, n));
}

这个写法的巧妙之处就是利用异或运算来进行所谓的比特位交换,那段宏的大意是,如果两个比特位相同,自然就是返回原始的data,如果两个比特位不同,那么
就是将原来的0变为1,1变为0, 那么就可以将该比特位与1异或即可以取反了

时间: 2024-10-12 07:29:14

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