有趣的二進制—高效位運算

上一篇《有趣的二進制》咱們講到二進制的一些基礎知識，但沒有講到位運算，有同窗大呼不過癮，那這一篇主要講解下位運算的運用，仍是從一個例子開始，但願對你們有啓發。記得後面例子應用請自行mark，幫助很大。

數獨

數獨是介紹位運算的好例子，運用位運算和不運用效率差異仍是挺大的。咱們先看數獨需求:

一、當前數字所在行數字均含1-9，不重複

二、當前數字所在列數字均含1-9，不重複

三、當前數字所在宮（即3x3的大格）數字均含1-9，不重複（宮，以下圖每一個粗線內是一個宮）

、

常規算法

如果咱們採用常規方式的，每填寫一個數字，須要檢查當前行、列，宮中其餘位置是否有重複數字，極端狀況下須要循環27（3*9）次來進行檢查，咱們看下常規算法下check

int check(int sp) {
	   // 檢查同行、列、九宮格有沒有相同的數字，如有傳回 1
	   int fg= 0 ;
	   if(!fg) fg= check1(sp, startH[sp], addH) ;   // 檢查同列有沒有相同的數字
	   if(!fg) fg= check1(sp, startV[sp], addV) ;   // 檢查同行有沒有相同的數字
	   if(!fg) fg= check1(sp, startB[sp], addB) ;   // 檢查同九宮格有沒有相同的數字
	   return(fg) ;
	}

	int check1(int sp, int start, int *addnum) {
	   // 檢查指定的行、列、九宮格有沒有相同的數字，如有傳回 1
	   int fg= 0, i, sp1  ;
	   //萬惡的for循環
	   for(i=0; i<9; i++) {
	      sp1= start+ addnum[i] ;
	      if(sp!=sp1 && sudoku[sp]==sudoku[sp1]) fg++ ;
	   }
	   return(fg) ;
	}

這個效率是否很嚇人，每次填寫一個就須要check27次，有木有check一次的算法？固然有了，採用位運算，一次搞定。來咱們看下位運算的思路:

位運算

咱們看上圖所示，單個行（或者列、宮）數據，都是有1-9共9個數字，咱們統稱爲九宮數字。如果咱們採用二進制，以九宮數字充當二進制數據的位座標,採用9位的二進制就能夠與之一一對應，位上有數據，標識爲1，無數據標識爲0，如此一個正數就能解決一行九宮數據狀態，無需需存一個數組。

好比 看圖中深紅色部分，當前九宮數據中已經有1和3，那麼二進制右起第一位和第三位標識爲1，一個數字5就能夠存下當前行（或者列、宮）數組狀態了,如若數字爲511代表，全部的九宮數字都用完了，如圖第一行。

check一個數字是否已經被佔用了，能夠採起位運算來獲取二進制的右數第k位來查看是不是1，如果1，代表指定數字已經被佔用了。咱們看下具體check算法:

// sp 是當前位置索引，indexV 行索引，indexH 列索引，indexB九宮格索引
	int check(int sp,int indexV,int indexH,int indexB) {
	   // 檢查同行、列、九宮格沒有用到的數字，若已經用過返回 1
		int status = statusV[indexV]|statusH[indexH]|statusB[indexB];
		//9個數字都被用了
		if (status>=STATUS_MAX_VALUE)
		{
			return 1;
		}
		int number=sudoku[sp];
		//取右數第k位,如果1代表這個值已經存在了
		return status>>(number-1)&1;
	}

// 行、列、宮二進制數據指定位置標記爲1
	int markStatus(int indexV,int indexH,int indexB,int number){
		if (number<1)
		{
			return 0;
		}
		//把右數第k(從1計數)位變成1 
   	  	statusV[indexV]|=(1<<(number-1));
    	statusH[indexH]|=(1<<(number-1));
    	statusB[indexB]|=(1<<(number-1));
	}

咱們以如下圖例位置舉例，如何得到當前位置能夠填取的數字

能夠看到2個位運算就解決了檢查可用數字的操做了，而以前常規算法，須要用27次查找才能夠獲取到。固然了這個算法還能夠優化，好比採用啓發式DFS，搜索可用數字，速度更快，感興趣可點擊這裏。

常規算法和位運算算法C語言代碼，我已經上傳碼雲了，想了解的點擊下面連接，自行去查看去。（常規算法google的）

地址: 常規算法數獨，位運算版本數獨

 基礎

位操做符

符號	含義	規則
&	與	兩個位都爲1時，結果爲1
|	或	有一個位爲1時，結果爲1
^	異或	0和1異或0都不變，異或1則取反
~	取反	0和1所有取反
<<	左移	位所有左移若干位，高位丟棄，低位補0
>>	算術右移	位所有右移若干位，，高位補k個最高有效位的值
>>	邏輯右移	位所有右移若干位，高位補0

注意:

一、位運算只可運用於整數，對於float和double不行。

二、另外邏輯右移符號各類語言不太同，好比java是>>>。

三、位操做符的運算優先級比較低，儘可能使用括號來確保運算順序。好比1&i+1,會先執行i+1再執行&。

 

應用實例

很棒的應用實例，你能夠mark一下，方便之後對照使用。

一、混合體

位運算實例

位運算	功能	示例
x >> 1	去掉最後一位	101101->10110
x << 1	在最後加一個0	101101->1011010
x << 1 | 1	在最後加一個1	101101->1011011
x | 1	把最後一位變成1	101100->101101
x & -2	把最後一位變成0	101101->101100
x ^ 1	最後一位取反	101101->101100
x | (1 << (k-1))	把右數第k位變成1	101001->101101,k=3
x & ~ (1 << (k-1))	把右數第k位變成0	101101->101001,k=3
x ^(1 <<(k-1))	右數第k位取反	101001->101101,k=3
x & 7	取末三位	1101101->101
x & (1 << k-1)	取末k位	1101101->1101,k=5
x >> (k-1) & 1	取右數第k位	1101101->1,k=4
x | ((1 << k)-1)	把末k位變成1	101001->101111,k=4
x ^ (1 << k-1)	末k位取反	101001->100110,k=4
x & (x+1)	把右邊連續的1變成0	100101111->100100000
x | (x+1)	把右起第一個0變成1	100101111->100111111
x | (x-1)	把右邊連續的0變成1	11011000->11011111
(x ^ (x+1)) >> 1	取右邊連續的1	100101111->1111
x & -x	去掉右起第一個1的左邊	100101000->1000
x&0x7F	取末7位	100101000->101000
x& ~0x7F	是否小於127	001111111 & ~0x7F->0
x & 1	判斷奇偶	00000111&1->1

二、交換兩數

int swap(int a, int b)  
{  
    if (a != b)  
    {  
        a ^= b;  
        b ^= a;  
        a ^= b;  
    }  
}

 

三、求絕對值

int abs(int a)  
{  
    int i = a >> 31;  
    return ((a ^ i) - i);  
}

 

四、二分查找32位整數前導0個數

int nlz(unsigned x)
{
   int n;

   if (x == 0) return(32);
   n = 1;
   if ((x >> 16) == 0) {n = n +16; x = x <<16;}
   if ((x >> 24) == 0) {n = n + 8; x = x << 8;}
   if ((x >> 28) == 0) {n = n + 4; x = x << 4;}
   if ((x >> 30) == 0) {n = n + 2; x = x << 2;}
   n = n - (x >> 31);
   return n;
}

五、二進制逆序

int reverse_order(int n){

  n = ((n & 0xAAAAAAAA) >> 1) | ((n & 0x55555555) << 1);
  n = ((n & 0xCCCCCCCC) >> 2) | ((n & 0x33333333) << 2);
  n = ((n & 0xF0F0F0F0) >> 4) | ((n & 0x0F0F0F0F) << 4);
  n = ((n & 0xFF00FF00) >> 8) | ((n & 0x00FF00FF) << 8);
  n = ((n & 0xFFFF0000) >> 16) | ((n & 0x0000FFFF) << 16);

  return n;
}

六、 二進制中1的個數

unsigned int BitCount_e(unsigned int value) {
        unsigned int count = 0;
        // 解釋下下面這句話代碼，這句話求得兩兩相加的結果，例如 11 01 00 10
        // 11 01 00 10 = 01 01 00 00 + 10 00 00 10，即由奇數位和偶數位相加而成
        // 記 value = 11 01 00 10，high_v = 01 01 00 00， low_v = 10 00 00 10
        // 則 value = high_v + low_v，high_v 右移一位得 high_v_1，
        // 即 high_v_1 = high_v >> 1 = high_v / 2
        // 此時 value 能夠表示爲 value = high_v_1 + high_v_1 + low_v，
        // 可見 咱們須要 high_v + low_v 的和即等於 value - high_v_1
        // 寫簡單點就是 value = value & 0x55555555 + (value >> 1) & 0x55555555;
        value = value - ((value >> 1) & 0x55555555);

        // 以後的就好理解了
        value = (value & 0x33333333) + ((value >> 2) & 0x33333333);
        value = (value & 0x0f0f0f0f) + ((value >> 4) & 0x0f0f0f0f);
        value = (value & 0x00ff00ff) + ((value >> 4) & 0x00ff00ff);
        value = (value & 0x0000ffff) + ((value >> 8) & 0x0000ffff);
        return value;

        // 另外一種寫法，原理同樣，緣由在最後一種解法中有提到
        //value = (value & 0x55555555) + (value >> 1) & 0x55555555;
        //value = (value & 0x33333333) + ((value >> 2) & 0x33333333);
        //value = (value & 0x0f0f0f0f) + ((value >> 4) & 0x0f0f0f0f);
        //value = value + (value >> 8);
        //value = value + (value >> 16);
        //return (value & 0x0000003f);
    }

 

-----------------------end-------------------------

大碼候，關注我的成長和技術學習，期待用本身的一點點改變，可以給予你一些啓發

掃描關注更多。