<think>我们有一个32位整数,需要将其二进制表示中所有非重叠的"101"模式替换为"011"。
注意:非重叠意味着一旦替换了一个模式,被替换的部分就不能再次用于匹配其他模式。
例如:1010101,如果我们先替换最左边的101(从第0位开始),得到0110101,然后从第3位开始有101,再替换得到0110111。
但如果我们从第2位开始替换,那么就会变成1010011,然后再替换第0位得到0110011。然而,题目要求非重叠,而且通常从左到右扫描,所以我们应该从左到右进行替换。
然而,位操作是同时作用于整个整数的,所以我们需要设计一个方法,能够在不使用循环扫描的情况下(或者使用位操作模拟扫描)完成替换。
思路:
我们可以考虑使用位掩码和位运算来同时检测多个位置上的模式。但是,由于替换可能会影响相邻的模式(比如重叠的情况),但题目要求非重叠,所以我们可以考虑从左到右进行替换,但是如何避免重叠呢?实际上,我们每次替换一个模式后,这个模式的三个位就被替换了,下一个模式应该从当前替换结束的位置之后开始。但是位操作是并行的,所以我们需要一种方法避免替换重叠。
另一种思路:由于模式是3位,我们可以考虑将32位数分成32个3位组(实际上会有重叠,但题目要求非重叠,所以我们需要避免重叠的组)。但是非重叠的组意味着我们每3位一组,然后组与组之间不重叠?这样会漏掉一些模式,比如模式可能从第1位开始。
因此,我们需要考虑所有可能的起始位置(0,1,2)?但是注意,非重叠意味着我们一旦匹配了一个模式,下一个模式必须从当前模式结束的下一个位开始,所以实际上整个二进制串被划分成连续的块,每个块可能是1位或者3位(当我们匹配到一个模式时,我们就消耗3位)。
然而,位操作通常不能这样顺序进行。所以我们需要多次操作,每次处理一个模式?但这样效率低,而且32位最多有10个模式,需要循环10次?题目要求不使用数组转换,但没说不准用循环。不过,我们可以尝试用位操作并行处理。
这里有一个巧妙的方法:我们可以同时检测所有非重叠的模式吗?实际上,如果我们从左到右扫描,那么每次遇到一个模式就替换,然后跳过这三个位。但是位操作不能这样跳。所以我们可以尝试用状态机?或者多次掩码操作。
参考:字符串替换的位操作技巧。我们可以尝试将问题分解:
1. 检测所有“101”模式出现的位置。注意,这些位置可能有重叠,但我们只考虑非重叠的匹配。如何避免重叠?实际上,如果我们从左到右,那么每次匹配最左边的,然后跳过这三个位,继续匹配。但是位操作如何实现?
2. 替换:将“101”替换为“011”,实际上就是将中间的0变成1,将右边的1变成0?不对,101变成011:第一位1变成0,第二位0变成1,第三位1变成1?所以实际上是:第一位由1变0,第二位由0变1,第三位不变(1还是1)。但是,注意,如果我们同时替换所有非重叠的模式,那么这些模式之间至少间隔一位(因为非重叠要求,所以不会相邻,但可能间隔任意位数)。所以我们可以同时替换所有模式吗?但是,如果两个模式有重叠,比如10101,如果我们同时替换位置0和位置2的模式,那么位置0的替换会影响位置2的模式吗?会,因为位置0的替换改变了位置0,1,2的值,那么位置2的模式原本是101,但被位置0的替换变成了0和1(位置1变成了1,位置2不变?不对,我们来看:
原始:10101(从高位到低位:位4到位0:1 0 1 0 1,或者我们通常写二进制是高位在左,但这里我们讨论位位置,我们假设位0是最低位,位31是最高位?但是模式匹配可以任意位置。为了简单,我们假设位0是最低位,位31是最高位。那么10101如果是从低位到高位,那么就是10101(从右往左)?实际上,在整数中,我们通常将最低位称为位0。
但是,模式匹配的方向:我们是从低位向高位扫描还是从高位向低位?题目没有规定,但是通常替换是从低到高或者从高到低。这里我们假设从左到右(即从高位到低位)或者从右到左(从低位到高位)都可以,但要注意模式的定义。
为了清晰,我们考虑一个例子:假设整数为0b10101(5位),我们想要替换非重叠的101。如果我们从最低位(位0)开始扫描:
- 位0:1, 位1:0, 位2:1 -> 匹配101(从位0到位2)?注意,模式101的位顺序:如果我们从低位开始,那么位0(最低位)是1,位1是0,位2是1,这正好是101(二进制数101表示5,和我们写的顺序一致吗?)。但是,我们通常写二进制字符串是从高位到低位,比如5的二进制是101,即高位1,中间0,低位1。所以当我们说模式101时,指的是连续的三个位,其中最高位是1,中间是0,最低位是1?还是最低位是1,中间0,高位1?这取决于我们扫描的方向。
题目没有明确,但通常,在二进制数中,我们说“101”模式,指的是连续三个位,从高到低是1,0,1(即从左到右)?但是,在整数中,位31是最高位,位0是最低位。所以如果我们从左(高位)到右(低位)扫描,那么模式101应该出现在高位部分。例如,一个32位整数,模式可能出现在位31到29,或者位30到28等。
然而,题目没有规定方向,所以我们可以任意选择,但需要一致。这里,我们选择从低位到高位扫描(即从右向左),因为这样在掩码操作时,我们可以用最低三位作为一组。但注意,模式101在从低位到高位看时,顺序是反的:比如一个整数在连续三个低位是101(二进制),那么从低位到高位就是1,0,1,这和我们写的顺序一致(因为我们写101,最低位是1,然后0,然后1)。所以,我们选择从低位开始匹配。
因此,我们每次检查最低三位,如果是101,就替换为011,然后右移三位(跳过这三个位),如果不是,则右移一位。这样就能保证非重叠且从左到右(这里是从低到高)扫描。但是题目要求不使用循环(因为使用循环效率低,而且题目要求位操作,可能希望一次或几次操作完成),而且32位整数,循环最多32次,虽然可以,但题目要求不使用字符或数组转换,循环是允许的,但可能不是最优。
但是,题目要求“不使用字符或数组转换”,并没有禁止循环。不过,我们可以尝试用并行的方法。
另一种思路:我们可以用掩码同时标记所有匹配的位置。但是匹配的位置可能重叠,我们只取非重叠的匹配?如何定义非重叠?如果我们从左到右(从低到高)取匹配,那么每次取最低的匹配位置,然后屏蔽掉这三个位,再继续匹配?但是这样需要循环。
我们尝试设计一个不需要循环的方法:
步骤:
1. 创建一个掩码,用于标记所有出现“101”模式的起始位置(最低位的位置)。注意,同一个位可能出现在多个模式中(重叠),但我们只关心非重叠的,所以我们需要选择一组互不重叠的模式。
2. 如何避免重叠?我们可以优先选择最左边的模式(即最低位的模式),然后移除这三个位,再匹配下一个。但是这样需要顺序处理。
3. 我们可以用多次位操作来模拟这个顺序过程,但这样很复杂。
4. 参考字符串替换的位并行算法:我们可以用有限自动机,但这里模式很小,我们可以用状态机。
然而,这里有一个更直接的方法:我们可以将整个32位数分成三个独立的流(每个流对应模3余0、余1、余2的起始位置),然后在每个流中独立地替换非重叠的模式。因为不同流的模式不会重叠(因为它们起始位置模3不同,所以不会重叠)。这样,我们就可以分别处理三个流,然后合并。
具体步骤:
a. 将32位数分成三个流:
流0:起始位置为0,3,6,...的3位组
流1:起始位置为1,4,7,...的3位组
流2:起始位置为2,5,8,...的3位组
b. 在每个流中,我们检测连续的3位组是否为101,如果是,则将其替换为011。注意,在一个流中,这些3位组是不重叠的,因为每个组占3位,而流的起始位置间隔3位。
c. 然后,将三个流合并回一个整数。
但是,这样会同时替换所有流中的模式,包括那些重叠的模式?不,因为不同流的模式不会重叠(因为起始位置模3不同),所以每个模式只属于一个流。这样,我们就能同时处理所有非重叠的模式(实际上,我们处理了所有可能起始位置模3的模式,但每个模式只被处理一次,且不会重叠)。
但是,注意,同一个位置可能被多个流覆盖吗?不会,因为每个位只属于一个流(因为每个3位组是连续的,且不同流的起始位置不同,所以每个位只属于一个流中的一个固定位置)。例如,位0属于流0(流0的第一个组的最低三位包含位0,1,2),位1属于流0的第一个组的第二位,同时也属于流1?不,我们划分流的方式是:流0包含从位0开始的3位组(位0,1,2),然后下一个组是位3,4,5;流1包含从位1开始的3位组(位1,2,3),然后下一个组是位4,5,6;流2包含从位2开始的3位组(位2,3,4),然后下一个组是位5,6,7。所以,同一个位(比如位1)同时出现在流0(第一个组)和流1(第一个组)中。因此,如果我们分别处理每个流,那么同一个位可能被修改两次?这就不对了。
所以,我们需要确保每个位只被一个流处理?或者,我们只处理那些完整的3位组(即不处理跨流的不完整组)?但是,我们划分流就是为了同时处理所有可能的非重叠模式,因为模式可能从任意位置开始。但是,同一个位可能被多个流包含,所以如果我们分别替换,就会冲突。
因此,我们需要设计一个方法,能够将三个流独立处理,然后合并时,每个位只采用一个流的修改。
但是,这很困难,因为一个位最多被三个流包含(比如位2:在流0的第一个组中是第三位,在流1的第一个组中是第二位,在流2的第一个组中是第一位)。所以,如果我们三个流都修改,那么位2的值会被修改三次,我们需要决定以哪个流的修改为准。
然而,我们的替换操作是:如果一个3位组是101,我们就将其替换为011。注意,同一个3位组可能被多个流检测吗?不会,因为每个3位组只属于一个流?不,一个3位组实际上被多个流包含?比如,3位组(位0,1,2)属于流0的第一个组,同时位0,1,2也分别属于流1(位0,1,2?流1的第一个组是位1,2,3)?不,流1的第一个组是位1,2,3,所以它包含位1,2,而位0不在流1的第一个组中。所以,位0只出现在流0的第一个组中,位1出现在流0的第一个组和流1的第一个组中,位2出现在流0的第一个组、流1的第一个组和流2的第一个组中。
这样,如果我们分别处理三个流,那么:
- 对于流0:如果位0,1,2是101,则替换为011,即:位0由1变0,位1由0变1,位2不变(1还是1)?
替换后:位0=0,位1=1,位2=1。
- 对于流1:检测位1,2,3,如果是101,则替换为011:位1由1变0,位2由0变1,位3由1变1(不变)?但是,注意,在流0中,我们已经将位1和位2修改了,所以流1检测的位1,2,3的值已经改变了?这样就不对了。
所以,我们不能在原始数据上同时处理三个流,因为一个位的修改会影响其他流的检测。
因此,我们需要在原始数据的基础上,分别独立地检测三个流,然后记录修改的掩码,最后合并所有修改。
步骤:
1. 对于每个流,我们独立地检测该流中所有3位组是否为101,并记录哪些组需要替换。这样,我们得到三个掩码,每个掩码标记了该流中需要替换的组的起始位置(注意,一个组用起始位置标记,比如流0中,起始位置0,3,6,...)。
2. 然后,对于每个流,我们生成一个“修改掩码”:对于需要替换的组,我们将该组替换为011,并计算替换后的值。然后,我们计算替换后的值与原始值的差异(即异或),这样我们就知道哪些位需要翻转(因为替换操作可能翻转某些位)。
3. 然后,我们将三个流的修改掩码(异或掩码)合并。注意,同一个位可能被多个流修改吗?有可能,比如位2可能被流0、流1、流2同时修改。但是,我们应该只修改一次。然而,同一个位不应该被多个流同时修改,因为一个模式只属于一个流?不,一个位可能属于多个组,而多个组可能同时被替换。但是,我们只替换非重叠的模式?不,我们这里三个流是独立检测的,所以同一个位可能被多个流检测到需要修改,但实际应该只修改一次?而且,不同的流检测的模式可能重叠,但题目要求非重叠,所以我们应该只取其中一个流?这又回到了问题:如何选择非重叠的模式。
因此,这个方法行不通。
另一种思路:我们只匹配那些不重叠的模式,并且优先选择最低位的模式(即最右边的模式),然后处理,再处理下一个。这样就需要循环,但循环次数最多为32/3≈10次。
我们可以用循环,每次处理最右边(最低位)的101模式,将其替换为011,然后继续,直到没有模式出现。
算法:
result = n
while (存在一个101模式) {
找到最低位的101模式(即最右边的)
将其替换为011
}
如何找到最低位的101模式?我们可以用掩码:101的二进制是5,所以我们可以用掩码0x7(即111)来逐位检查,但是要避免重叠,我们每次处理一个模式后,这个模式就被替换了,所以我们可以继续检查。
但是,如何用位操作找到最右边的101模式?我们可以:
pattern = 0b101 (即5)
用循环,每次将整数右移i位,然后检查最低3位是否等于5?但是这样需要循环32次。
我们可以用位操作技巧来找到所有101模式的位置,然后取最低位的位置。但是,如何用位操作找到所有匹配位置?
x = result
令mask = 0x7; // 二进制为111
// 我们创建一个变量matches,标记所有匹配位置(最低3位等于101的位置)
matches = 0;
for i in range(0, 30): # 因为32位,最多到29位(从0开始),这样右移29位后,只剩下3位
# 但是这样循环,我们避免不了循环
另一种不用循环的方法:我们可以用“位并行”来检测所有位置上的101?参考:https://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html
我们可以:
// 找到所有101模式的位置(以最低位为基准)
// 设x为32位整数
// 我们想要的位置:该位置开始的连续三位是101,即该位置(最低位)是1,下一位是0,下两位是1。
// 注意:我们这里的位置指的是模式的最低位的索引(即模式的最右边位的位置)。
// 那么,我们可以定义:
// 条件1:该位置(i)为1
// 条件2:位置i+1为0
// 条件3:位置i+2为1
// 所以,匹配的位置i满足: (x>>i)&1 == 1, (x>>(i+1))&1 == 0, (x>>(i+2))&1 == 1
// 我们可以这样计算:
let t = x ^ 0b101; // 这样,如果最低三位是101,那么t的最低位三位是000
// 但是,我们要求的是任意位置,所以不能直接用。
// 另一种方法:我们可以用掩码和移位来同时检查所有位置。
// 设A = x, B = ~x, 那么:
// 位置i为1:用A的第i位
// 位置i+1为0:用B的第i+1位
// 位置i+2为1:用A的第i+2位
// 那么,匹配的位置i满足:A[i] & B[i+1] & A[i+2] 为1
// 所以,我们可以:
match_mask = (x) & (~x >> 1) & (x >> 2) & 0x3FFFFFFF; // 这里,我们右移1位和2位,然后与,最后的结果match_mask的第i位为1,当且仅当在位置i开始有一个101模式(注意,这里的位置i是模式的最低位的位置)。但是,我们右移1位后,原来的第i+1位变成了第i位,所以我们需要将~x右移1位,这样它的第i位就是原数的第i+1位。同样,x右移2位,第i位就是原数的第i+2位。然后,我们要求:原数的第i位为1(x的第i位),第i+1位为0(~x的第i+1位,即~x右移1位后第i位),第i+2位为1(x右移2位后第i位)。所以,与操作后,第i位为1就表示有一个以i为最低位的101模式。
// 但是,注意,这样得到的match_mask的每一位表示一个匹配,但可能有多个匹配,而且这些匹配可能有重叠。
// 题目要求非重叠,所以我们只取最右边(最低位)的匹配。我们可以用:
if (match_mask != 0) {
// 取最低位的1的位置:使用ctz(count trailing zeros)或者用位操作取最低位的1
pos = ctz(match_mask); // 返回最低位的1的位数(从0开始)
// 然后,我们替换这个模式:将位置pos, pos+1, pos+2替换为011
// 011:即位置pos为0,pos+1为1,pos+2为1
// 所以,我们需要:
// 将pos位的1改成0,将pos+1位的0改成1,将pos+2位的1保持不变(但是实际上,我们可能同时修改多个模式,但这里我们一次只修改一个)
// 创建一个掩码:在pos, pos+1, pos+2这三位上,我们将其设置为011。
// 我们可以用:先清除这三个位,然后设置新的位。
// 或者,用异或:因为011和101的差异:第一位不同(1变0),第二位不同(0变1),第三位相同。
// 所以,我们需要翻转第一位和第二位,第三位不变。
// 翻转第一位:1->0,需要翻转(异或1);翻转第二位:0->1,需要翻转(异或1);第三位:1不变,异或0。
// 因此,翻转掩码:在pos位和pos+1位需要翻转,pos+2位不需要。
flip_mask = (1 << pos) | (1 << (pos+1));
x = x ^ flip_mask;
// 然后,我们需要将match_mask中这个匹配去掉,并且去掉所有与这个匹配重叠的匹配?但是,由于我们替换后,这个匹配的位置已经被修改,所以我们需要重新计算match_mask。因此,我们循环,重新计算match_mask,直到没有匹配。
}
但是,这个循环次数最多32/3≈10次,所以我们可以接受。
算法步骤:
1. 初始化x为输入的32位整数。
2. 循环:
计算 match_mask = (x) & (~x >> 1) & (x >> 2);
将match_mask的高于29位的位清零(因为32位整数,我们只关心0到29位,因为模式需要3位,所以起始位置从0到29)
如果match_mask为0,则退出循环。
找到match_mask中最低位的1的位置(pos = ctz(match_mask))。
构建翻转掩码:flip_mask = (1 << pos) | (1 << (pos+1));
x = x ^ flip_mask;
3. 返回x。
注意:ctz函数(统计末尾0的个数)在C++中有内置函数,但在Python中,我们可以用:
pos = (match_mask & -match_mask).bit_length() - 1
或者,使用bin(match_mask)找到最低位1的位置,但这样效率低。我们可以:
if match_mask == 0: break
pos = 0
while (match_mask & 1) == 0:
pos += 1
match_mask >>= 1
但是这样循环次数最多32次,而外循环最多10次,所以总循环次数不超过320次,可以接受。
但是,题目要求使用位操作,并且没有明确禁止循环,所以我们可以用循环。
但是,我们也可以不用内循环,用位操作技巧找到最低位1的位置:
pos = (match_mask & -match_mask).bit_length() - 1 # 这个在Python中有效,因为match_mask>0
例如,match_mask=0b100,则-match_mask=0b11111100(补码),然后与操作得到0b100,bit_length()=3,然后减1得2,即最低位1在位置2(从0开始计数,最低位是0,然后1,然后2)。
但是,注意:match_mask=0b1时,.bit_length()=1,减1得0,正确(位置0)。
match_mask=0b10,.bit_length()=2,减1得1,正确(位置1)。
所以,我们可以这样写。
但是,我们还需要注意:32位整数,我们只考虑0到29位,所以match_mask我们只保留低30位(因为模式起始位置从0到29,共30位)。
因此,算法如下(Python代码):
注意:Python中整数是任意精度的,但我们可以用0xFFFFFFFF来限制为32位。
代码:
def replace_pattern(n):
# 限制为32位无符号整数
n = n & 0xFFFFFFFF
while True:
# 计算匹配掩码:匹配所有101模式的最低位的位置
# match_mask 的第i位为1,当且仅当:n的第i位为1,第i+1位为0,第i+2位为1
# 注意:i的范围是0到29(因为i+2<=31)
# 步骤:
# A = n
# B = ~n # 注意:Python中~n是无限位的,所以我们需要限制为32位
# match_mask = n & ((~n) >> 1) & (n >> 2)
# 然后,将match_mask的高两位(30和31位)清零,因为我们只关心0-29位。
B = (~n) & 0xFFFFFFFF # 取反后取低32位
match_mask = n & (B >> 1) & (n >> 2)
# 只保留低30位(因为模式起始位置0到29)
match_mask &= 0x3FFFFFFF
if match_mask == 0:
break
# 找到最低位的1的位置
# 方法:取最低位的1所在的掩码
lowest_one = match_mask & -match_mask
# 计算位置:这个数的二进制表示中,后面有多少个0(即位置)
pos = (lowest_one).bit_length() - 1 # 因为1的bit_length()是1,位置0
# 构建翻转掩码:翻转pos和pos+1位
flip_mask = (1 << pos) | (1 << (pos+1))
n ^= flip_mask
return n
测试:
输入:0b101 (5) -> 应该替换为0b011 (3)
输入:0b1010 (10) -> 二进制为1010,从低位开始:位0:0, 位1:1, 位2:0, 位3:1 -> 模式101在哪里?注意,我们匹配的是连续三位:最低三位是010,不匹配;再右移一位,得到101(位1,2,3:1,0,1)-> 匹配,位置在1(因为模式的最低位是位1)。所以,替换后:将位1和位0翻转?不对,我们匹配的是以位1为最低位的101模式(即位1,2,3:1,0,1)-> 替换为011:即位1为0,位2为1,位3为1?不对,模式101(位3,2,1:1,0,1)-> 替换为011(0,1,1)-> 所以位3变成0,位2变成1,位1变成1。所以,翻转位3和位2?注意,我们的翻转掩码是翻转pos和pos+1位,即翻转位1和位2?而位3不变?那就不对了。
这里我们发现:我们匹配的模式是:最低位在pos,然后pos+1,pos+2。所以模式101在内存中的顺序是:位pos(最低位)->1,位pos+1->0,位pos+2->1。替换为011:位pos->0,位pos+1->1,位pos+2->1。所以,我们需要翻转位pos和位pos+1:因为位pos从1变0(翻转),位pos+1从0变1(翻转),位pos+2不变(1还是1)。
所以,翻转掩码是:pos和pos+1位翻转。
但是,在例子0b1010中,n=10(二进制1010,即8+2=10),位0:0, 位1:1, 位2:0, 位3:1。我们匹配到的是:以位1为最低位的模式:位1=1, 位2=0, 位3=1 -> 101。所以pos=1。翻转掩码:翻转位1和位2。翻转后:位1:1->0,位2:0->1。所以新的二进制:位0:0, 位1:0, 位2:1, 位3:1 -> 1100(二进制),即12。而0110(二进制)是6,但这里我们得到的是1100(12)?不对,因为模式101(位3,2,1)被替换为011(0,1,1)-> 位3变成0,位2变成1,位1变成1,所以整个数变成:0b0110(二进制),即6。但我们的翻转操作只翻转了位1和位2,位3没有翻转?所以错误。
错误原因:我们匹配的模式是101,其中最高位(位3)是1,中间(位2)是0,最低位(位1)是1。替换后,最高位应该变成0,中间变成1,最低位变成1。所以,我们需要翻转最高位(位3)和中间位(位2)?但我们的方法中,pos是模式的最低位(位1),然后我们翻转pos和pos+1(位1和位2)。这样,位1(最低位)从1变成0(应该变成1,这里却变成0了?),位2(中间位)从0变成1(正确),位3(最高位)没有翻转(所以还是1,应该变成0)。所以错误。
所以,我们的方法中,匹配的模式的最低位是pos,然后模式包含:pos, pos+1, pos+2。替换时,我们需要将pos位从1变0,pos+1位从0变1,pos+2位不变(1)。所以,我们只需要翻转pos和pos+1位,因为这两位都变了。而pos+2位不变。但是,在1010的例子中,模式是位3,2,1:101,其中位1(最低位)是1,位2(中间)是0,位3(最高)是1。替换后:位1应该是1(但我们变成了0),位2应该是1(正确),位3应该是0(但我们没有翻转,所以还是1)。所以,我们实际得到的是1100(位3=1,位2=1,位1=0,位0=0)即12,而期望是0110(位3=0,位2=1,位1=1,位0=0)即6。
问题出在哪里?我们匹配的模式是101,其中:
原始:位1=1, 位2=0, 位3=1
期望:位1=1, 位2=1, 位3=0
而我们翻转了位1和位2:位1从1变0,位2从0变1,所以变成:位1=0, 位2=1, 位3=1 -> 1100(12)。
但是,期望的替换是:011(从高位到低位:0,1,1),即:
位3=0, 位2=1, 位1=1
所以,我们应该翻转位1和位3?不行,因为位3不在我们的翻转掩码里(我们只翻转了pos和pos+1,即位1和位2)。
所以,我们的方法错误地将模式的最低三位作为整体,但实际上,替换后,模式的最低三位变成了011(即从低位到高位:1,1,0?不对,011如果从低位到高位是110?)-> 这里二进制位的顺序很混乱。
重新定义:我们匹配的模式101,指的是连续三个位,从高位到低位是1,0,1(即我们通常书写的顺序)。但在整数中,这个模式可能出现在任意位置,我们将其视为一个整体。在替换时,我们将其替换为011(从高位到低位:0,1,1)。所以,替换后,这三个位应该是0,1,1。
但是,我们存储整数时,高位在高地址(大索引),低位在低地址(小索引)。所以,当我们说“位0”时,它是最低位。那么,模式101如果出现在位2,1,0(即高位在2,低位在0):
位2=1, 位1=0, 位0=1 -> 101
替换为:位2=0, 位1=1, 位0=1 -> 011
所以,我们需要翻转位2和位1:位2:1->0(翻转),位1:0->1(翻转),位0:1->1(不变)。
因此,翻转掩码应该包括:模式中的最高位和中间位(即位2和位1)。而模式的最低位(位0)不变。
在我们的匹配中,我们用match_mask的第i位为1表示一个模式:该模式的最低位是i,最高位是i+2。所以,这个模式包含的位是:i, i+1, i+2。其中,最高位是i+2,最低位是i。
替换时,我们需要翻转最高位(i+2)和中间位(i+1)? 不,我们看:翻转后,最高位从1变0,中间位从0变1,最低位不变。所以,需要翻转的位是:最高位(i+2)和中间位(i+1)?不对,因为我们匹配的模式101,最高位(i+2)是1,要变成0;中间位(i+1)是0,要变成1;最低位(i)是1,变成1(不变)。所以,翻转的位是:i+2和i+1。
但是,我们之前定义的翻转掩码是:pos(i)和pos+1(i+1),并不包括i+2。
所以,错误:我们少翻转了最高位。
因此,正确的翻转掩码应该包括:pos+1(中间位)和 pos+2(最高位)? 这样,我们翻转中间位和最高位。
翻转后:
位pos+2: 1->0 (翻转)
位pos+1: 0->1 (翻转)
位pos: 1->1 (不变)
所以,翻转掩码 = (1 << (pos+1)) | (1 << (pos+2))
然后, n = n ^ flip_mask
在1010的例子中:n=10 (0b1010),匹配的模式:pos=1(最低位),所以模式包含:1,2,3位( pos=1, pos+1=2, pos+2=3)。翻转掩码:翻转位2和位3。
原始:位3=1, 位2=0, 位1=1, 位0=0
翻转后:位3=0, 位2=1, 位1=1, 位0=0 -> 0b0110 = 6,正确。
再测试一个例子:0b10101 (21) 二进制 10101
我们期望:先替换最右边的101(位0,1,2:1,0,1)-> 替换为011:0,1,1 -> 0b10011? 不对,因为10101(21)的二进制(32位中):
位0:1, 位1:0, 位2:1, 位3:0, 位4:1
最右边的101:位0,1,2:101 -> 替换为011:即翻转位1和位2(因为模式的最低位是0,所以pos=0,翻转掩码= (1<<1)|(1<<2))?
翻转后:位0:1(不变),位1:0->1,位2:1->0,位3:0,位4:1 -> 变成10100? 0b10100=20,不对,期望是01101?
但注意,我们替换的是位0,1,2(101->011),所以:
原:位0=1, 位1=0, 位2=1 -> 替换为:位0=1, 位1=1, 位2=0 -> 0b10011? (位4=1,位3=0,位2=0,位1=1,位0=1)-> 19?
不对,我们再看:10101(21)的二进制:...00010101
我们替换的是最低三位:101 -> 011:即...00010 011 -> 0x13=19
然后,我们继续循环,此时n=19(0b10011),二进制:00000000000000000000000000010011
接下来,我们匹配: match_mask = n & (~n>>1)& (n>>2)
n=0b10011 -> 00000000000000000000000000010011
~n=0b11111111111111111111111111101100 (32位)
(~n>>1)=0b11111111111111111111111111110110
n>>2=0b00000000000000000000000000000100
match_mask = n & (0b...11110110) & 0b00000100
= 0b00000000000000000000000000010011
& 0b11111111111111111111111111110110
& 0b00000000000000000000000000000100
= 0b00000000000000000000000000000000 -> 没有匹配,所以结束。
所以结果是19。
但是,我们也可以替换左边的101:位2,3,4:101 -> 0b10101中,位4=1,位3=0,位2=1 -> 101模式, pos=2(因为模式的最低位是2)?
注意,我们匹配的最低位是2,模式:位2,3,4。翻转掩码:翻转位3(pos+1=3)和位4(pos+2=4)?
翻转后:位4:1->0, 位3:0->1, 位2:1->1? -> 0b01101 -> 0x0D=13?
然后,模式10101变成了01101(13),然后继续:13的二进制00000000000000000000000000001101,匹配:低位101(位0,1,2:101)-> 替换为011:翻转位1和2:0b00000000000000000000000000001011=11?
所以结果是11。
题目要求非重叠,并且从左到右(或从右到左)?题目没有规定扫描顺序,但要求非重叠。我们的算法是每次取最右边(最低位)的模式,所以是 from right to left。
但是,题目没有规定顺序,所以 from right to left 也可以。
所以,0b10101 (21) -> 19 (0b10011) 是符合我们的算法的。
再测试一个重叠的例子:0b10101 (21) 如果我们先替换左边的101(位2,3,4)-> 13,然后再替换右边的101(位0,1,2)->11。但我们的算法先替换右边的101(位0,1,2)->19,然后就没有了。
题目要求“替换时不重叠”,所以只要我们替换了一个模式,被替换的三个位就不能再被匹配。我们的算法在替换了位0,1,2后,这三个位变成了011(位0=1,位1=1,位2=0),所以位0,1,2不再是101,所以不会匹配。而位2,3,4:现在是0,0,1(因为位2变成了0)-> 001,不是101,所以也不会匹配。
所以,我们算法是正确的。
因此,代码:
def replace_101_with_011(n):
n &= 0xFFFFFFFF # 确保32位
while True:
# 计算32位整数n的匹配掩码
B = (~n) & 0xFFFFFFFF # 32位取反
# 匹配掩码:第i位为1的条件:n的第i位=1,第i+1位=0,第i+2位=1
match_mask = n & (B >> 1) & ((n >> 2) & 0xFFFFFFFF) # n>>2可能超出32位,所以也取32位
# 我们只关心0到29位(因为i+2<=31)
match_mask &= 0x3FFFFFFF # 低30位,即0..29位
if match_mask == 0:
break
# 找到最低位的1的位置(最右边的匹配)
# 方法:取最低位的1
lowest_one = match_mask & -match_mask
pos = (lowest_one).bit_length() - 1 # 位置
# 翻转掩码:翻转pos+1和pos+2位
flip_mask = (1 << (pos+1)) | (1 << (pos+2))
n ^= flip_mask
return n
测试:
n=5 (0b101) ->
match_mask = 5 & (~5>>1) & (5>>2)
~5 (32位): 0xFFFFFFFA (即0b111...1010),>>1: 0b111...1101
5: 0b101
5>>2: 0b1
match_mask = 0b101 & 0b111...1101 & 0b1
= 0b101 & 0b1 (因为0b1只有最低位) -> 0b1 (最低位1)
pos = 0
flip_mask = (1<<1) | (1<<2) = 2|4=6
n = 5 ^ 6 = 3 -> 0b11 -> 3,正确。
n=10 (0b1010) ->
n=10: 0b1010
B = ~10 & 0xFFFFFFFF = 0xFFFFF5 (32位) -> 0b1111...0101
B>>1 = 0b1111...1010
n & (B>>1) = 0b1010 & 0b1010 (取低4位) = 0b1010
n>>2 = 0b10
match_mask = 0b1010 & 0b10 = 0b10 (即第1位为1,其他为0) -> 0x2
match_mask &= 0x3FFFFFFF -> 0x2
pos = 1 (因为0x2的bit_length=2, 2-1=1)
flip_mask = (1<<2) | (1<<3) = 4|8=12
n = 10 ^ 12 = 6 (0b0110) -> 正确。
n=21 (0b10101) ->
n=21: 0b10101
B = ~21 & 0xFFFFFFFF = 0xFFFFFFEA
B>>1 = 0x7FFFFFF5 (32位) -> 0b111...1010110101? 我们取低5位:0b11010 (注意,~21是0b111..1101010,>>1后为0b111..1110101)
n & (B>>1) = 0b10101 & 0b1110101 (低5位) = 0b10101
n>>2 = 0b101
match_mask = 0b10101 & 0b101 = 0b101 (即0x5) -> 第0位和第2位为1?不对,我们看二进制0b101,第0位是1,第2位是1(因为0b101=5,二进制1001?不对,5的二进制是101,所以第0位=1,第1位=0,第2位=1。所以match_mask=0b101,即第0位和第2位为1。
但是,我们要求只保留0-29位,所以match_mask=5(0b101),表示有两个匹配:pos=0和pos=2。
我们取最低位的1:lowest_one = 5 & -5 -> 5 & (0xFFFFFFFB) -> 1? 因为-5的补码是0xFFFFFFFB,所以5 & 0xFFFFFFFB = 1? 不对,在Python中,整数是无限精度的,所以-5的二进制是...11111111111111111111111111111011,所以5 & -5 = 1(因为5的二进制是101,-5的二进制是...1111011,所以按位与:得到1)。
pos=0
flip_mask = (1<<1) | (1<<2) = 2|4=6
n = 21 ^ 6 = 19 (0b10011) -> 正确。
然后下一轮:n=19 (0b10011)
B = ~19 & 0xFFFFFFFF = 0xFFFFFFEC -> 0b1111...11101100
B>>1 = 0b1111...11110110
n & (B>>1) = 0b10011 & 0b10110 (低5位) = 0b10010
n>>2 = 0b100
match_mask = 0b10010 & 0b100 = 0b100 (第2位为1) -> 4
pos = 4的bit_length-1? 4的二进制是100,bit_length=3, pos=2? 不对,我们取最低位1的位置:4 & -4 = 4,bit_length=3, pos=2? 但是4的二进制100,最低位1在位置2(从0开始,第0位是最低位,第2位是第三位)-> 正确。
然后翻转掩码 = (1<<3) | (1<<4) = 8|16=24
n = 19 ^ 24 = 3 (0b00011)? 不对,因为19=0b10011,异或24=0b11000,得到0b01011=11。
但是,我们匹配的是哪个模式?在19(0b10011)中,我们匹配了第2位(即第三位)开始的模式:第2,3,4位:0,0,1(因为n=19,位0:1,位1:1,位2:0,位3:0,位4:1)-> 位2=0,位3=0,位4=1 -> 001,不是101!为什么匹配了?
错误原因:我们计算match_mask = n & (B>>1) & (n>>2)
n=19 (0b10011) -> 二进制:00000000000000000000000000010011(32位)
B = ~19 & 0xFFFFFFFF = 0xFFFFFFEC (32位) -> 二进制:11111111111111111111111111101100
B>>1 = 11111111111111111111111111110110
n & (B>>1) = 00000000000000000000000000010011 & 11111111111111111111111111110110
= 00000000000000000000000000010010 (0x00000012)
n>>2 = 00000000000000000000000000000100 (0x4)
match_mask = 0x12 & 0x4 = 0x0 -> 0
所以,第二轮应该没有匹配,直接退出。所以结果就是19。
之前我手动计算低5位时,没有考虑高位,实际上高位都是0,所以正确。
所以,代码正确。
但是,注意:n>>2时,我们可能会丢失高位,但因为我们限制为32位,所以n>>2也是32位,但高位是0。所以,我们计算n>>2后,不需要再&0xFFFFFFFF,因为Python中整数是无限精度的,但我们的n是32位,所以右移2位后,高2位是0,低30位是原始n的高30位。然后,与操作时,match_mask也只取低30位,所以没问题。
但是,为了确保安全,我们可以:
n>>2 后,我们只关心低30位(因为match_mask只取低30位),所以可以不做处理。
因此,最终代码:
def replace_101_with_011(n):
n = n & 0xFFFFFFFF
while True:
# 取反,并限制为32位
B = (~n) & 0xFFFFFFFF
# 计算匹配掩码:第i位为1的条件:n_i=1, n_{i+1}=0, n_{i+2}=1
# 注意:B的第j位是~n的第j位
# 则:n_i=1 -> n的第i位为1
# n_{i+1}=0 -> B的第i+1位为1 -> 所以用B>>1的第i位为1(因为B的第i+1位右移1位后到第i位)
# n_{i+2}=1 -> n>>2的第i位为1
match_mask = n & (B >> 1) & (n >> 2)
# 只取低30位(0到29位)
match_mask &= 0x3FFFFFFF
if match_mask == 0:
break
# 找到最低位的1的位置(最右边的匹配)
lowest_one = match_mask & -match_mask
# 如果lowest_one是0,则break,但match_mask不为0,所以lowest_one不为0
pos = lowest_one.bit_length() - 1
# 翻转掩码:翻转pos+1和pos+2位
flip_mask = (1 << (pos+1)) | (1 << (pos+2))
n = n ^ flip_mask
return n
注意:这个算法在每次循环中只替换一个模式(最右边的),然后继续,直到没有模式为止。
我们也可以替换最左边的模式(最高位的模式),但题目没有要求,而最右边效率高(因为取最低位1快)。
因此,我们使用这个算法。
但是,题目要求不使用字符或数组转换,我们这里没有使用,只用了位运算和循环。
返回:替换后的32位整数。
测试:输入5,输出3;输入10,输出6;输入21,输出19。
注意:整数按32位处理,所以输入如果是负数,我们将其视为无符号整数(即用补码表示),但Python中负数用无限精度,所以我们需要用0xFFFFFFFF来限制。
例如,输入-1(0xFFFFFFFF),我们将其视为32位全1:
n=0xFFFFFFFF
B = (~n) & 0xFFFFFFFF = 0
match_mask = 0xFFFFFFFF & (0>>1) & (0xFFFFFFFF>>2) = 0
所以直接返回0xFFFFFFFF。
没有101模式(因为全是1),所以正确。
再测试一个:0xFFFFFFF5 (即-11,二进制:1111...11110101) -> 低位是101,所以应该被替换。
n=0xFFFFFFF5
B = (~n) & 0xFFFFFFFF = 0xA (0b1010)
B>>1 = 0x5 (0b0101)
n & (B>>1) = 0xFFFFFFF5 & 0x5 = 0x5
n>>2 = 0x3FFFFFFD (32位,但Python中n>>2是无限精度,所以我们需要限制:n>>2后&0xFFFFFFFF,得到0xFFFFFFFD? 不对,n=0xFFFFFFF5,n>>2=0xFFFFFFFD (32位))
match_mask = 0x5 & 0xFFFFFFFD = 0x5? 因为0x5和0xFFFFFFFD的按位与:0x5的二进制0101,0xFFFFFFFD的二进制...11111101,所以按位与:0x5 & 0xFD -> 0x5? 不对,0x5是0101,0xFD是11111101,所以与操作后,第0位:1, 第2位:1 -> 0x5,正确。
match_mask &= 0x3FFFFFFF -> 0x5 (因为0x5<0x3FFFFFFF)
lowest_one = 0x5 & -0x5 -> 1 (因为0x5的二进制0101,-0x5的补码:0xFFFFFFFB,按位与:0x1)
pos = 0
flip_mask = (1<<1) | (1<<2) = 6
n = 0xFFFFFFF5 ^ 6 = 0xFFFFFFF3 (即0b1111...11110011) -> 替换后,低位从101变成011。
所以,正确。
因此,我们实现这个函数。</think>您的问题是如何使用位操作在32位整数中将所有非重叠的"101"二进制模式替换为"011"。以下是基于位运算的高效解决方案,无需字符串或数组转换,直接操作二进制位:
### 解决方案
```python
def replace_101_with_011(n):
n = n & 0xFFFFFFFF # 限制为32位无符号整数
while True:
# 计算匹配掩码:标记所有"101"模式的起始位置(最低位位置)
B = (~n) & 0xFFFFFFFF
match_mask = n & (B >> 1) & (n >> 2)
match_mask &= 0x3FFFFFFF # 只保留低30位(0-29位)
if match_mask == 0:
break # 无匹配时退出循环
# 找到最低位的匹配位置(最右侧的"101")
lowest_one = match_mask & -match_mask
pos = lowest_one.bit_length() - 1 # 位置索引
# 构建翻转掩码:翻转中间位和最高位(pos+1和pos+2)
flip_mask = (1 << (pos + 1)) | (1 << (pos + 2))
n ^= flip_mask # 应用翻转
return n
```
### 算法说明
1. **掩码计算**:
- `B = (~n) & 0xFFFFFFFF`:获取`n`的按位取反(32位)。
- `match_mask = n & (B >> 1) & (n >> 2)`:
- `n`:标记当前位为1。
- `B >> 1`:标记下一位为0。
- `n >> 2`:标记下两位为1。
- 三者按位与,得到所有"101"模式的起始位置掩码。
2. **位置定位**:
- `lowest_one = match_mask & -match_mask`:提取最右侧的1(最低位匹配)。
- `pos = lowest_one.bit_length() - 1`:计算匹配位置索引。
3. **位翻转替换**:
- 生成翻转掩码`flip_mask`,将`pos+1`(中间位)和`pos+2`(最高位)设为1。
- 通过异或`n ^ flip_mask`将"101"(1,0,1)替换为"011"(0,1,1)。
4. **非重叠处理**:
- 循环每次替换最右侧的"101",确保已替换位不参与后续匹配。
- 当`match_mask = 0`时终止循环。
### 示例测试
```python
# 测试用例
test_cases = {
0b101: 0b011, # 5 → 3
0b1010: 0b0110, # 10 → 6
0b10101: 0b10011, # 21 → 19 (替换最右侧101)
0xFFFFFFF5: 0xFFFFFFF3 # -11 → -13 (32位补码)
}
for input_val, expected in test_cases.items():
output = replace_101_with_011(input_val)
print(f"输入: {bin(input_val)[2:].zfill(32)[-5:]}... → 输出: {bin(output)[2:].zfill(32)[-5:]}...")
assert output == expected, f"测试失败: {input_val} → {output}, 期望 {expected}"
```
### 算法分析
- **时间复杂度**:$O(k)$,$k$为匹配次数(最坏$k \leq \lfloor 32/3 \rfloor = 10$)。
- **空间复杂度**:$O(1)$,仅用常量额外空间。
- **关键优化**:
- 位并行计算掩码,避免逐位扫描。
- 直接定位最右侧匹配,减少循环次数。
此方案严格满足要求:纯位操作、无字符/数组转换、处理32位整数、非重叠替换。