LeetCode通关：求次数有妙招，位运算三连
分门别类刷算法，坚持，进步！ 刷题路线参考： https://github.com/chefyuan/algorithm-base
大家好，我是刷题困难户老三，这一节我们来刷几道很有意思的求次数问题，它们都有同一类非常巧妙的解法。
这种解法是什么呢？往下看吧！
基础知识
在开始之前，我们最好先了解一些位运算的基础知识。
原反补码
先简单说一下，原码、反码、补码。
一个数在计算机中的二进制表示形式, 叫做这个数的机器数。机器数是带符号的，在计算机用一个数的最高位存放符号, 正数为0, 负数为1.
比如，十进制中的数 +3 ，假如计算机字长为8位，转换成二进制就是00000011。如果是 -3 ，就是 10000011 。
- 原码
原码就是符号位加上真值的绝对值, 即用第一位表示符号, 其余位表示值. 比如如果是8位二进制:
[+1]原 = 0000 0001 [-1]原 = 1000 0001
- 反码
正数的反码是其本身
负数的反码是在其原码的基础上, 符号位不变，其余各个位取反。
[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 [-1] = [10000001]原 = [11111110]反
- 补码
正数的补码就是其本身
负数的补码是在其原码的基础上, 符号位不变, 其余各位取反, 最后+1. (即在反码的基础上+1)
[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补 [-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补
补码是人脑认识里不太直观的一种表示方式，之所以发明补码，是为了让机器以一种一致的方式来处理加法运算。
更多知识建议阅读《j计算机组成原理》。
与或非异或运算
在处理整型数值时，位运算符可以直接对组成整型数值的各个位进行操作。这些位运算符在位模式下工作。位运算符包括：&、|、~、^
- 与（&）
对应位都为1，结果为1，否则结果为0
int a=129;
int b=128;
System.out.println("a与b的结果："+(a&b));
# 输出
a与b的结果：128计算过程如下:
10000001 &
10000000 =
10000000- 或（|）
对应位只要有一个为1，结果是1，否则就为0
int a=129;
int b=128;
System.out.println("a或b的结果："+(a|b));
# 输出
a或b的结果是：129计算过程如下:
10000001 |
10000000 =
10000001- 非（~）
位为0，结果是1；位为1，结果是0
int a = 8;
System.out.println("非a的结果："+(~a));
# 输出
非a的结果：-9计算过程如下
//8转换为二进制
1000
// 补符号位
01000
// 取反
10111 (补码)
// 转源码除符号位取反+1
11001- 异或（^）
对应位相同，结果是0，否则结果是1
1111 ^
0010 =
1101移位运算
移位运算见名知意，是数字二进位的移动，我们这里只讨论int型的移位运算。
- << 左移运算符
数值的补码全部左移若干位，符号位和高位丢弃，低位补 0。
- >> 右移运算符
数值的补码全部右移若干位，符号位不变。
假如int是8位二进制，两个例子如下：
10的补码为0000 1010，左移一位变成20（0001 0100），右移一位变成5（0000 0101）
5的补码为0000 0101，左移一位变成10（0000 1010），右移一位变成2（0000 0010）
求次数问题
LeetCode136. 只出现一次的数字
☕ 题目：136. 只出现一次的数字 (https://leetcode-cn.com/problems/single-number/)
❓ 难度：简单
? 描述：
给定一个非空整数数组，除了某个元素只出现一次以外，其余每个元素均出现两次。找出那个只出现了一次的元素。
说明：
你的算法应该具有线性时间复杂度。 你可以不使用额外空间来实现吗？
?思路：
哈希法
用哈希表存储每一个元素出现的次数，最后找到出现一次的元素。
代码如下：
public int singleNumber(int[] nums) {
Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
//存储元素出现的次数
for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
map.put(nums[i], map.getOrDefault(nums[i], 0) + 1);
}
//遍历获取出现次数为1的情况
for (int k : map.keySet()) {
if (map.get(k) == 1) {
return k;
}
}
return -1;
}⏰ 时间复杂度：O(n)
? 空间复杂度：O(n)
位运算
题中要求空间复杂度O(1)，哈希法明显是不合要求的。
这里有一个全新的方法：位运算。
异或运算有如下特点：
- 一个数和 0 做
异或运算等于本身：a⊕0 = a - 一个数和其本身做
异或运算等于 0：a⊕a = 0 异或运算满足交换律和结合律：a⊕b⊕a = (a⊕a)⊕b = 0⊕b = b
可以重复分利用异或运算的特性，异或数组所有元素，最后留下的那个就是只出现一次的元素。
public int singleNumber(int[] nums) {
int ans = 0;
for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
//异或运算
ans ^= nums[i];
}
return ans;
}⏰ 时间复杂度：O(n)
? 空间复杂度：O(1)
LeetCode137. 只出现一次的数字 II
☕ 题目：137. 只出现一次的数字 II (https://leetcode-cn.com/problems/single-number-ii/)
❓ 难度：中等
? 描述：
给你一个整数数组 nums ，除某个元素仅出现 一次 外，其余每个元素都恰出现 三次 。请你找出并返回那个只出现了一次的元素。
这道题和 剑指 Offer 56 - II. 数组中数字出现的次数 II 是一样的。
?思路：
哈希法
第一反应还是哈希法，不用多说了，直接上代码：
public int singleNumber(int[] nums) {
if (nums.length == 1) {
return nums[0];
}
Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
map.put(nums[i], map.getOrDefault(nums[i], 0) + 1);
}
for (int k : map.keySet()) {
if (map.get(k) == 1) {
return k;
}
}
return -1;
}⏰ 时间复杂度：O(n)
? 空间复杂度：O(n)
位运算
好了，又到了我们的主角出场。
将我们的数的二进制位每一位相加，然后对每一位的和与3取余：
这个原理是什么呢？
如果其他数都出现 3 次，只有目标数出现 1 次，那么每一位的 1 的个数无非有这两种情况，
- 为 3 的倍数（全为出现三次的数）
- 3 的倍数 +1（包含出现一次的数）
这个 3 的倍数 +1 的情况也就是我们的目标数的那一位。
代码如下：
public int singleNumber(int[] nums) {
int res = 0;
for (int i = 0; i < 32; i++) {
int count = 0;
for (int num : nums) {
//检查第i位是否为1
if ((num >> i & 1) == 1) {
count++;
}
}
if (count % 3 != 0) {
//将第i位设为1
res = res | 1 << i;
}
}
return res;
}?时间复杂度：O(n)
? 空间复杂度：O(1)
LeetCode260. 只出现一次的数字 III
☕ 题目：260. 只出现一次的数字 III (https://leetcode-cn.com/problems/single-number-iii/)
❓ 难度：中等
? 描述：
给定一个整数数组 nums，其中恰好有两个元素只出现一次，其余所有元素均出现两次。 找出只出现一次的那两个元素。你可以按 任意顺序 返回答案。
这道题和 剑指 Offer 56 - I. 数组中数字出现的次数 是一模一样的。
?思路：
这次不是一个重复的元素了，是两个。还是先上我们朴素的哈希法。
哈希法
代码如下：
public int[] singleNumber(int[] nums) {
int[] res = new int[2];
Map<Integer, Integer> map = new HashMap<>();
for (int i = 0; i < nums.length; i++) {
map.put(nums[i], map.getOrDefault(nums[i], 0) + 1);
}
int index = 0;
for (int k : map.keySet()) {
if (map.get(k) == 1) {
res[index] = k;
index++;
}
}
return res;
}?时间复杂度：O(n)
? 空间复杂度：O(n)
位运算[5]
我们在 LeetCode136. 只出现一次的数字 里只用了一个异或就找出了那个出现一次的数字。
这道题怎么办呢？
要是我们能把它分成两组就好了。
怎么分呢？
大家都知道异或运算对应位相同，结果是0，否则结果是1
我们可以根据两个数某一位是否是0和1来把数组分为两组。
例如数组： [12，13，14，17，14，12]
异或的结果是：13^17。
分组位找到了。
那么怎么借助分组位进行分组呢？
13、17的异或值，可以仅保留异或值的分组位，其余位变为 0，例如 11100变成00100。
为什么要这么做呢？在第二题提到，我们可以根据 a & 1 来判断 a 的最后一位为 0 还是为 1，所以我们将 11100变成00100之后，然后数组内的元素 x & 001 即可对 x 进行分组 。
那么我们如何才能仅保留分组位，其余位变为 0 呢？
可以利用 x & (-x) 来保留最右边的 1。
代码如下：
public int[] singleNumber(int[] nums) {
int bitMask = 0;
//把数组中的所有元素全部异或一遍
for (int num : nums) {
bitMask ^= num;
}
//保留最右边的1
bitMask &= -bitMask;
int[] res = {0, 0};
for (int num : nums) {
//将数组分成两部分，每部分分别异或
if ((num & bitMask) == 0) {
res[0] ^= num;
} else {
res[1] ^= num;
}
}
return res;
}总结
三道求次数问题就这么做完了。
求次数问题的朴素做法是Hash法，使用Hash存储元素出现次数。
但是Hash法空间复杂度是O(n)，如果要求O(1)的空间复杂度就不行了。
这时候就要灵活利用位运算的方法，位运算的关键在于充分了解位运算的相关应用。
简单的事情重复做，重复的事情认真做，认真的事情有创造性地做。
点赞、关注不迷路，咱们下期见！
博主算法练习生一枚，刷题路线和思路主要参考如下！
参考：
[1]. https://github.com/chefyuan/algorithm-base
[3]. https://blog.csdn.net/White_Idiot/article/details/70178127
[4].https://blog.csdn.net/qq_30374549/article/details/89520849
[6]. https://www.cnblogs.com/zhangziqiu/archive/2011/03/30/computercode.html