Q：统计二进制数中bit位为1的个数

常规解法

思路：将二进制的每一位依次与1作与运算，T=O(n)，n为二进制位数。

public int bitCount(int i) {
        int count = 0;
        do {
            if ((i & 1) == 1) {
                count++;
            }
            i >>= 1;
        } while (i > 0);

        return count;
    }

优化解法

思路：将整数减一后与原数作与运算，达到将原二进制最低位"1"重置为"0"的目的。此时T=O(n)，但n为二进制中"1"的个数。

public int countBit(int i) {
        int count = 0;
        while (i > 0) {
            i = i & (i - 1); // 抹除二进制中最低位的1
            count++;
        }
        
        return count;
    }

java内置的Integer.bitCount()解法

思路：先每两位一组统计二进制中的"1"，然后每四位一组统计"1"，接着是8位、16位和32位，最终再与0x3f作与运算，输出结果。如下图：

             二进制                       十进制
1  0  1  1  0  0  1  1  0  1  1  1    10 11 00 11 01 11
 01    10    00    10    01    10     1  2  0  2  1  2
    \ /         \ /         \ /        \ /   \ /   \ /
    0011        0010        0011        3     2     3
                    \       /           3      \   /
    0011               0101             3        5
        \             /                  \      /
              1000                          8
          
              2871的二进制中的1的位数计算过程

算法原型：

public static int bitCount(int i) {
    i = (i & 0x55555555) + ((i >>> 1) & 0x55555555);
    i = (i & 0x33333333) + ((i >>> 2) & 0x33333333);
    i = (i & 0x0f0f0f0f) + ((i >>> 4) & 0x0f0f0f0f);
    i = (i & 0x00ff00ff) + ((i >>> 8) & 0x00ff00ff);
    i = (i & 0x0000ffff) + ((i >>> 16) & 0x0000ffff);
    return i;
}

其中16进制数对应二进制为：

16进制	二进制
0x55555555	01010101010101010101010101010101
0x33333333	00110011001100110011001100110011‬
0x0f0f0f0f	00001111000011110000111100001111‬
0x00ff00ff	00000000111111110000000011111111
0x0000ffff	00000000000000001111111111111111
0x3f	00111111‬

优化思路：

对于第一步：两个bit计算1的数量：0b11: 0b01 + 0b01 = 0b10 = 2, 0b10: 0b00 + 0b01 = 0b01 = 1。研究发现：2=0b11-0b1，1=0b10-0b1,可以减少一次位于计算：i = i - ((i >>> 1) & 0x55555555)
对于第二步：无优化
对于第三步：实际是计算每个byte中的1的数量，最多8（0b1000）个，占4bit，可以最后进行位与运算消位，减少一次&运算：i = (i + (i >>> 4)) & 0x0f0f0f0f
第四,五步：同上理由，可以最后消位。但是由于int最多32（0b100000）个1，所以这两步可以不消位，最后一步把不需要的bit位抹除就可以了：i & 0x3f

优化原型算法后，就得到java中内置的bitCount()方法:

public static int bitCount(int i) {
        i = i - ((i >>> 1) & 0x55555555);
        i = (i & 0x33333333) + ((i >>> 2) & 0x33333333);
        i = (i + (i >>> 4)) & 0x0f0f0f0f;
        i = i + (i >>> 8);
        i = i + (i >>> 16);
        return i & 0x3f;
    }

从数学角度推导

变量与表达式	公式	说明	值
`i`	$b_02^0+b_12^1+...+b_{31}*2^{31}$	$b_i\epsilon[0,1]$	(2871)₁₀, (101100110111)₂
`i >>> 1`	$b_12^0+b_22^1+...+b_{31}*2^{30}$	无符号右移一位	(1435)₁₀, (10110011011)₂
`(i >>> 1) & 0x55555555`	$(b_12^0+b_22^1+...+b_{31}2^{30}) - (b_22^1+b_42^3+...+b_{30}2^{29})$	将与运算转换为减法	(1297)₁₀, (10100010001)₂
第一步：`i - (i >>> 1) & 0x55555555`	$i=(b_0+b_1)2^0+(b_2+b_3)2^2+...+(b_{30}+b_{31})*2^{30}$	实现每两位一组统计"1"的个数，每组之间的公比是2²，此时i的值已被更新	(1574)₁₀, (1 10 00 10 01 10)₂
第二步：`(i & 0x33333333) + ((i >>> 2) & 0x33333333)`	$i=(b_0+b_1+b_2+b_3)2^0+(b_4+b_5+b_6+b_7)2^4+...+(b_{28}+b_{29}+b_{30}+b_{31})*2^{28}$	实现每四位一组统计"1"的个数，每组之间的公比是2⁴，此时i的值已被更新	(803)₁₀, (11 0010 0011)₂
第三步：`(i + (i >>> 4)) & 0x0f0f0f0f`	$i=(b_0+b_1+...+b_7)2^0+(b_8+b_9+...+b_{15})2^8+...+(b_{24}+b_{25}+...+b_{24})*2^{28}$	实现每八位一组统计"1"的个数，每组之间的公比是2⁸，此时i的值已被更新	(773)₁₀, (11 00000101)₂
第四步：`i + (i >>> 8)`	$i=(b_0+b_1+...+b_{15})2^0+(b_8+b_9+...+b_{23})2^8+(b_{16}+b_{17}+...+b_{31})2^{16}+(b_{24}+b_{25}+...+b_{31})2^{24}$	实现每16位一组统计"1"的个数，更新i的值	(776)₁₀, (1100001000)₂
第五步：`i + (i >>> 16)`	$i=(b_0+b_1+...+b_{31})2^0+(b_8+b_9+...+b_{31})2^8+(b_{16}+b_{17}+...+b_{31})2^{16}+(b_{24}+b_{25}+...+b_{31})2^{24}$	实现所有32位中"1"的统计	(776)₁₀, (1100001000)₂
最后一步：`i & 0x3f`	$i=(b_0+b_1+...+b_{31})*2^0$	因为int二进制最多有2⁵位"1"，因此在第五步中因子大于2⁵的后是三项需要被抹掉，只保留第一项，后者刚好是这个二进制所有位数之和	(8)₁₀, (1000)₂

参考链接