LeetCode- 137.Single Number II (位运算)

本文深入解析了LeetCode-137题的两种解决方案,旨在找出数组中唯一出现一次的数,其余数均出现三次。第一种方法通过遍历32位并利用位运算求解,第二种采用一次遍历结合位运算,巧妙地构造mask变量,适用于更复杂的情况。文章详细阐述了算法原理,并提供了通用的代码实现。

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LeetCode-137

链接: 137. Single Number II

大概题意:
给定一组整数, 除某个数出现 p 次外, 其他数 均出现 k 次. 找到这个出现 p 次的数.
LeetCode-137 中, k = 3, p = 1

Solution1:
不合题意的解法.

  1. 循环遍历每个数的每一位(32 bit).
  2. 将所有数的某一位 (第 i 位) 加起来, 得到的总和为 sum.
  3. sum % 3 得到这个单独数的第 i 位.
  4. 通过位运算将这个第 i 位移到正确位置, 遍历完所有位得到最终结果.

Code:

class Solution {    // 找到只出现一次的数. (其他都出现三次.)
public:
    int singleNumber(vector<int>& nums) {
        // 将所有数的 32bit 中的一位加起来, %3 得到只出现一次的 bit.
        int res = 0, sum;
        for(int i = 0; i < 32; i++) {
            sum = 0;
            for(int num : nums) {
                sum += ((num >> i) & 1);
            }
            res |= (sum % 3) << i;
        }
        return res;
    }
};

Solution2:
一次遍历.

Code

class Solution {    // k = 3, p = 1
public:             // mask = "11".
    int singleNumber(vector<int>& nums) {
        int x2 = 0, x1 = 0, mask;
        for(int num : nums) {
            x2 ^= x1 & num;
            x1 ^= num;
            mask = ~(x2 & x1);
            x2 &= mask;
            x1 &= mask;
        }
        return x1;
    }
};

分析:
考虑一个数 num 进行运算.(实际上所有数按照不同顺序进行运算, 结果是一样的)

  1. 注意上面这条事项.
  2. 考虑 num 出现一次. 则有 x2 = 0, x1 = num.
  3. num 出现第二次, 则有 x2 = num, x1 = 0.
  4. num 出现第三次
    4.1 先有 x2 = num, x1 = num.
    4.2 mask 将变成 0, 则 x2 = 0, x1 = 0

该算法中的各个变量的含义:

  1. x1 用于记录 num 出现一次. x2 用于记录 num 出现两次.

  2. 当 x2 = num, x1 = num, mask = ~(x2 & x1) 为零.

  3. 由于 k = 3, 因此, 当 num 的次数达到三次, 则应将 x2, x1 清零, 因此, mask 的构造形式根据 k 的值来定. 例如:
    3.1 k = 2. 对应二进制 “10”. 则应在 x2 = num, x1 = 0 时清零. 得到 mask = ~(x2 & ~x1).
    3.2 k = 4. 对应二进制"100"有三位, 则应在 x3 = num, x2 = 0, x1 = 0 时进行清零. 得到 mask = ~(x3 & ~x2 & ~x1). (多加一个用于记录的 x3)

  4. 因此, 最终某个数 x 只出现一次时, 将会由 x1 记录.

  5. 假如 p = 2. 则(x2 = x, x1 = 0), 则因返回 x2.

总结:
将 x2,x1 视为二进制中位, x2 权重为 2, 记录 num 出现两次. x1 权重为 1, 记录 num 出现一次.
根据 k 的值, 构造 mask 的形式, 并根据需要使用足够的变量(Xn, Xn-1, … x2, x1).
这里使用一个数进行分析, 但实际上, 所有数一起运算, 不定的顺序, 结果均是一样的

贴几个其他情况的代码:

// k = 2, p = 1. 无需构造 mask.
public int singleNumber(int[] nums) {
    int x1 = 0;

    for (int i : nums) {
        x1 ^= i;
    }

    return x1;
}
// k = 5, p = 3.
// k = 5 => "101" => 构造 mask = ~(x1 & ~x2 & x3).
public int singleNumber(int[] nums) {
    int x1 = 0, x2 = 0, x3  = 0, mask = 0;

    for (int i : nums) {
        x3 ^= x2 & x1 & i;
        x2 ^= x1 & i;
        x1 ^= i;
        mask = ~(x1 & ~x2 & x3);
        x3 &= mask;
        x2 &= mask;
        x1 &= mask;
    }

    return x1;  // Since p = 3, in binary form p = '011', then p1 = p2 = 1, so we can return either x1 or x2. 
    // If p = 4, in binary form p = '100', only p3 = 1, which implies we can only return x3.
    // Or alternatively we can simply return (x1 | x2 | x3).
    }

参考的是 LeetCode 的 Discuss

Detailed explanation and generalization of the bitwise operation method for single numbers
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