剑指 Offer-求二进制中 1 的个数(Python 实现过程遇到的问题)

输入一个整数,输出该数二进制表示中1的个数。其中负数用补码表示。

思路

  1. 需要一个循环结构,不断对输入数进行 无符号 右移动。
  2. 在循环体的结构当中,使用适当的过滤器(1 这个整数)对输入数进行 逻辑与(&)操作:结构为 1 的时候计数(count)增加 1;否则选择跳过继续执行循环 结构。
  3. 无符号右移 操作执行到终点时候(输入数变成 0),终止循环,同时返回最终计数的变量。

位运算基础知识

计算机对有符号数(包括浮点数)的表示有三种方法:原码、反码和补码(补码 =反码 + 1)。在 二进制里,是用 0 和 1 来表示正负的,最高位为符号位,最高位为 1 代表负数,最高位为 0 代表正数。以 8 位的 byte 为例,最大值为:0111,1111,最小值为 1000,0000。

以此类推,在 Integer 的情况下,-5(toBinaryString)的结果为:1111,1111, 1111,1111,1111,1111,1111,1011。

右移

打印 -3 >> 1:-2。这里看一下具体的计算过程(正数左补 0,负数左补 1):

  1. Integer.toHexString(-3) 得到 3 的 16 进制:0xfffffffd(此为-3的补码,计算机中负数用补码表示)。
  2. 将其转换成2进制为1111,1111,1111,1111,1111,1111,1111,1101。
  3. 右移一位得到:1111,1111,1111,1111,1111,1111,1111,1110,显而易见此为-2补码。

左移

打印 -3<<1:-6。左移相对来说比较简单(正负数皆右补 0):

  1. -3 的二进制为:1111,1111,1111,1111,1111,1111,1111,1101。
  2. 左移一位为:1111,1111,1111,1111,1111,1111,1111,1010,其为-6的补码。

无符号右移

打印 -3<<1:2147483646。遵循的原则:正数左补 0,负数左补 1

  1. -3 的二进制为:1111,1111,1111,1111,1111,1111,1111,1101。
  2. 无符号右移,高位补 0 得到:0111,1111,1111,1111,1111,1111,1111,1110,其为 2147483646 的补码/原码(正数的原码和补码相同)。

消失的无符号左移

为什么没有无符号左移?

因为左移是在后面补 0,而右移是在前面边补 1 或 0,有无符号是取决于数的第一位是 0 还是 1,所以右移是会产生到底补1还是0的问题。而左移始终是在右边补,不会产生符号问题,所以没有必要无符号左移 <<<。因此,无符号左移 <<< 和左移 << 是一样的概念。

常规代码实现

根据上述的思路和基本概念,这里用 JS 来对这道题进行解答:

function NumberOf1(n) {
    // write code here
    let count = 0
    for(;n != 0; n >>>= 1) {
        if(n & 1) {
            count++
        }
    }
    return count
}

Python 中遇到的问题和解决方法

Python 中没有无符号右移

在 JS 中,可以使用 a >>> b 来实现无符号位移,Python 中没有这个运算符,只能自己实现了
无符号右移 >>>:就是将有符号 int a 和 b 转为无符号 uint 后,再进行普通右移 >> 运算。比如 -1 的有符号 int 就是 -1,无符号 int 就是 4294967295。

因为 Python 中没有 无符号右移,因而不能对最高位补 0,对于 负数 还是继续用 1 补进,这样就没有办法正确的统计 1 的个数。

解决方法

解决前:

  • Python:打印 -3 >> 1,输出 -2(不符合要求)
  • JavaScript:打印 -3 >>> 1,输出 2147483646(符合要求)

解决后:

  • Python:打印 (-3 & 0xffffffff) >> 1,输出 2147483646(符合要求)

原理:负数与边界数按位与(&) 操作后 得到的是对应二进制数的真值:

-3 & 0xffffffff —> 4294967293

此时再在 Python 当中对其进行正常右移 >> 操作则是对一正数进行右移,前面补 0,符合要求;如果没进行这一步操作,右移依然是针对负数来进行操作的,前面补 1,不符合要求。

代码实现

有了以上的原理铺垫,在 Python 的代码当中,在第一次右移操作之前,先对被操作数进行和边界数 0xffffffff 的 & 运算,可得到正确的执行结果:

class Solution:
    def NumberOf1(self, n):
        # write code here
        count = 0
        n = n & 0xffffffff
        while n != 0:
            if (n & 1) == 1:
                count += 1
            n = n >> 1   
 
        return count

其他的解决办法

class Solution:
    def NumberOf1(self, n):
        # write code here
        M1 = 0x55555555
        M2 = 0x33333333
        M4 = 0x0f0f0f0f
        M8 = 0x00ff00ff
        M16 = 0x0000ffff
 
        n = (n & M1) + ((n >> 1) & M1)
        n = (n & M2) + ((n >> 2) & M2)
        n = (n & M4) + ((n >> 4) & M4)
        n = (n & M8) + ((n >> 8) & M8)
        n = (n & M16) + ((n >> 16) & M16)
 
        return n
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