查找一组数据中单独出现的三个数字

查找一组数据中单独出现的三个数字

一组数据中只有三个数字单独出现，其余数字都是成对出现的，请找出这三个数字。要解决这个问题，我们先来看一下下面这两个问题：

1. 一组数据中只有一个数字单独出现，其余数字都是成对出现，请找出这个数字。
   根据异或的性质：相同为0，相异为1，可得自己异或自己结果为0。一组数据中只有一个数字单独出现，其余数字都成对出现，将所有的数据进行异或，成对出现的数字异或结果都为0，故这组数据异或的结果就是单独出现的数字，代码如下：

void find_one_data(int arr[],int count)
{
	int key = arr[0];	//所有数字的异或值，自己与自己异或为0
	int i = 1;
	assert(arr);
	for(;i<count;i++)
	{
		key ^= arr[i];
	}
	printf("单独出现的数字为:%d\n",key);
}

2. 一组数据中只有两个数字单独出现，其余数字都是成对出现，请找出这两个数字。
   假设单独出现的数字为a和b，将所有数字进行异或得到的结果为x，成对出现的数字异或结果为0，那么x=a^b。由于a和b是两个不同的数字，所以x不为0。x不为0，那么x中至少有一个比特位为1，根据x中为1的最低比特位（设为pos）可将这组数据分为两组，一组数据的pos位为1，一组为0，再将其进行异或就可得到单独出现的其中一个数字，代码如下：

int find_last_bit1(int x)
{
	//返回为1的最低bit位
	return x & ~(x-1);
}

void find_two_data(int arr[],int count)
{
	int a = 0;			//单独出现的数字
	int b = 0;			//单独出现的数字
	int x = arr[0];		//存放所有数据的异或值
	int i = 1;
	int ret = 0;
	assert(arr);
	for(;i<count;i++)
	{
		x ^= arr[i];
	}
	ret = find_last_bit1(x);	//找到x中为1的最低bit位
	for(i=0;i<count;i++)
	{
		if(ret & arr[i])		//根据x中为1的最低bit位将数据分为两组，为1的进行异或得到单独出现的一个值
		{
			a ^= arr[i];
		}
	}
	b = a^x;					//x为a^b的值
	printf("单独出现的数字为：%d %d\n",a,b);
}

3. 一组数据中只有三个数字单独出现，其余数字都是成对出现，请找出这三个数字。

   根据前两个问题的求解，会想到同样用异或的方式求解该问题，三个数字单独出现的情况比较复杂。

• 假设单独出现的三个数字为a、b、c，对所有数据进行异或得到的结果为x，即x = a ^ b ^ c。三个数字各不相同，不能保证x不为0，但是x肯定不是a、b、c中的任一个数。反证法：假设x=a，那么x = a ^ b ^ c就可表示为a = a ^ b ^ c，那么b^c的结果就为0，即b=c，这与三个单独出现的数字相矛盾，故x≠a。同理可得，x≠b、x≠c。
• x与a、b、c都不相等，那么x ^ a 、x ^ b、x ^ c的值也不相等，且都不为0，其结果中至少有一个比特位为1。
• 假设函数f(x)返回x中为1的最低比特位，令y=f (x ^ a)^ f (x ^ b)^ f (x ^ c),由于x ^ a 、x ^ b、x ^ c的值都不为0，且f (x ^ a)、 f (x ^ b)、 f (x ^ c)都有一个比特位为1，所以y≠0。

f(x^a)	f(x^b)	f(x^c)	y
0	0	0	0
1	0	0	1
1	1	0	0
1	1	1	1

• 如表所示，当y≠0时，f(x ^ a) 、f(x ^ b)、f(x ^ c)至少有一位为1。假设y为1的最低比特位为pos，那么x ^ a 、x ^ b、x ^ c的pos位有一个为1或者三个为1。
  如果x ^ a 、x ^ b、x ^ c的pos位都为1，那么a、b、c的第pos位都与x不同，且a、b、c的第pos位都相同。假设a、b、c的第pos位都为0，那么x= a ^ b ^ c在pos位的值为0，与a、b、c的第pos位都与x不同相矛盾；假设a、b、c的第pos位都为1，那么x= a ^ b ^ c在pos位的值为1，与a、b、c的第pos位都与x不同相矛盾。故即x ^ a 、x ^ b、x ^ c的pos位只有一个为1，这样我们就可以找到其中的一个数了，根据问题1、2就可以找到剩余的两个数了。代码如下所示：

void find_three_data(int arr[],int count)	
{
	int i = 0;
	int x = arr[0];
	int y = 0;
	int ret = 0;
	int a = 0;
	int b = 0;
	int c = 0;

	for(i=1;i<count;i++)
	{
		x ^= arr[i];		//x为所有数据的异或值
	}

	for(i=0;i<count;i++)
	{
		y ^= find_last_bit1(x^arr[i]);	//y为f(x^a)^f(x^b)^f(x^c)的值，由于a,b,c不同，x与这三个数也不相同，可得y中至少有一个比特位为1
	}

	ret = find_last_bit1(y);
	for(i=0;i<count;i++)
	{
		if(ret & arr[i])
		{
			a ^= arr[i];	//先找到单独出现的其中一个
		}
	}

	x ^= a;					//x为剩余单独出现的两个数的异或值
	ret = find_last_bit1(x);
	for(i=0;i<count;i++)
	{
		if(ret & arr[i])
		{
			b ^= arr[i];
		}
	}
	b ^= a;					//由于数组中a出现了一次，与a异或后即可得剩于两者中的一个
	c = x^b;
	printf("单独出现的数字为：%d %d %d\n",a,b,c);
}