位运算:x&(x-1)等

本文介绍了通过位操作实现特定功能的方法,包括统计二进制数中1的个数、判断一个数是否为2的N次幂及分离二进制最低位等。还探讨了如何利用位运算求两数平均值。

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有这样一个函数,作用是统计二进制数中1的个数:

int func(int x){
    int countx = 0;
    while(x){
        countx++;
        x = x&(x-1);
    }
    return countx;
} 

假定x = 9999(10011100001111)
答案: 8
其中,每执行一次x = x&(x-1),会将x用二进制表示时最右边的一个1变为0。
具体来说,假设x的二进制表示的最右边的1是在第k位,那么最右边第1到k-1位都是0。而(x-1)会将该位变为0,并让第1到k-1位变为1。于是
x = x&(x-1)
的结果自然就是第1到k位都变成0。即把x最右边的1擦掉了。

用途:用来判断某数是否是2的N次幂。

当x为奇数的时候,x=x&(x-1)它的值相当于x=x-1一样的效果;当x为2的N次幂时,结果为0,这可以用来快速判断一个数是否为2的n次方。

int func(int x){
    if( (x&(x-1)) == 0 ) return 1;
    else return 0;
}

x&(~(x-1))的含义

在上面的基础上,该表达式又有新的功能:分离出x(二进制表示)中是1的最低位。

int x=100110000;
x&(~(x-1))=000010000;

这是因为x和~(x-1)只有在值是1的最低位同时为1。

(x&y) + (x^y)>>1

仔细观察,x&y是取相同的位与,是x和y相同位的和的一半,而(x^y)>>1又是x和y不同位的和的一半,所以,这个语句的功能是两个数的平均值。

<think>我们正在讨论位运算表达式 `x &= x - 1` 的作用。根据位运算的知识,这个操作通常用于将一个整数的二进制表示中最右边的1变为0。让我们逐步分析: 1. 考虑一个非负整数 `x` 的二进制表示。假设其最低位的1位于第 `k` 位(从右向左,从0开始计数),那么 `x` 可以表示为:`... a_{k+1} 1 0...0`(即第 `k` 位为1,其右边都是0)。 2. 那么 `x-1` 的二进制表示就会变成:`... a_{k+1} 0 1...1`(第 `k` 位变为0,其右边的所有位变为1)。 3. 现在,将 `x` 和 `x-1` 进行按位与操作(`x & (x-1)`): - 在第 `k` 位:`x` 是1,`x-1` 是0,所以结果为0- 在第 `k` 位右边:`x` 是0,`x-1` 是1,所以结果为0- 在第 `k` 位左边:`x` 和 `x-1` 的位都相同(因为减1操作没有影响到更高位),所以按位与后保持不变。 4. 因此,整个操作的结果就是将 `x` 的最右边的1变成了0,而其他位不变。 这个操作有几个常见的应用: - 计算一个整数的二进制表示中1的个数(每次循环消去一个1,直到x变为0)。 - 判断一个数是否是2的幂(因为2的幂的二进制表示中只有一个1,所以执行一次`x &= x-1`后结果为0)。 例如: - 设 `x = 12`(二进制1100): - 第一步:`x = 12 (1100)`,`x-1=11 (1011)`,`x & (x-1) = 1000 (8)`。 - 第二步:`x=8 (1000)`,`x-1=7 (0111)`,`x & (x-1)=0`。 - 所以12的二进制中有两个1- 设 `x=8 (1000)`: - 一次操作后变为0,说明8是2的幂。 根据上述分析,我们可以回答用户的问题:`x &= x - 1` 的作用是将整数 `x` 的二进制表示中最右边的1变成0。 现在,根据指令,我们需要生成相关问题: §§相关问题§§ 1. 如何计算一个整数的二进制表示中1的个数? 2. 如何判断一个整数是否是2的幂? 3. 除了 `x &= x-1`,还有哪些常用的位运算技巧?</think>### 位运算表达式 `x &= x - 1` 的作用详解 `x &= x - 1` 是一个高效的位运算操作,其核心功能是**将整数 `x` 的二进制表示中最右侧的 1 变为 0**,同时保持其他位不变。以下是逐步分析: #### 1. **操作原理** - **二进制表示**:设 `x` 的二进制为 `...a_k...a_1a_0`,其中最低位的 1 位于第 `k` 位(右侧为低位)。 - **`x-1` 的效果**: 当 `x` 减 1 时,第 `k` 位从 1 变为 0,其右侧所有位从 0 变为 1。 例如: - `x = 12`(二进制 `1100`)→ `x-1 = 11`(二进制 `1011`) - **按位与操作 `&`**: `x & (x-1)` 会保留 `k` 位左侧相同的位,而将第 `k` 位及其右侧变为 0- `x`:`... a_{k+1} 1 0...0` - `x-1`:`... a_{k+1} 0 1...1` - 结果:`... a_{k+1} 0 0...0` 例如: `12 & 11 = 1100 & 1011 = 1000`(二进制)。 #### 2. **典型应用场景** - **统计二进制中 1 的个数**: 循环执行 `x &= x-1` 直到 `x=0`,循环次数即为 1 的个数: ```python def count_ones(x): count = 0 while x: x &= x - 1 # 每次消除一个 1 count += 1 return count ``` - 示例:`x=12 (1100)` 第 1 次:`12 & 11 = 8 (1000)` 第 2 次:`8 & 7 = 0` → 共 2 个 1- **判断 2 的幂**: 若 `x` 是 2 的幂(如 `8=1000`),则 `x & (x-1) = 0`: ```python def is_power_of_two(x): return x > 0 and (x & (x - 1)) == 0 ``` #### 3. **数学解释** - 设 `x` 的最低位 1 对应 $2^k$,则: $$ x = a \cdot 2^{k+1} + 2^k, \quad x-1 = a \cdot 2^{k+1} + (2^k - 1) $$ - 按位与结果: $$ x \ \& \ (x-1) = a \cdot 2^{k+1} $$ 相当于移除了 $2^k$ 项[^3]。 #### 4. **边界与注意事项** - **`x=0` 的情况**:操作无效果(`0 & (-1)` 仍为 0)。 - **负数处理**: 在补码表示下,操作同样有效(如 `x=-2`(二进制 `...1110`)→ `x-1=-3 (...1101)` → `x & (x-1) = ...1100`)。 ### 总结 `x &= x - 1` 通过消除最右侧的 1,广泛应用于二进制位操作,如统计 1 的个数(时间复杂度 $O(\text{1 的个数})$)或快速判断 2 的幂[^4]。 ---
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