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一、题目描述
一个整型数组 nums 里除两个数字之外,其他数字都出现了两次。请写程序找出这两个只出现一次的数字。要求时间复杂度是O(n),空间复杂度是O(1)。
示例 1:
输入:nums = [4,1,4,6]
输出:[1,6] 或 [6,1]
示例 2:
输入:nums = [1,2,10,4,1,4,3,3]
输出:[2,10] 或 [10,2]
限制: 2 <= nums.length <= 10000
二、思路讲解
看到这个题第一反应是二重循环暴力解决,但是看到时间复杂度的要求,肯定是不可行了,那就只能想其他办法。
分组异或:
让我们先来考虑一个比较简单的问题:
如果除了一个数字以外,其他数字都出现了两次,那么如何找到出现一次的数字?
答案很简单:全员进行异或操作。考虑异或操作的性质:对于两个操作数的每一位,相同结果为 0,不同结果为 1。那么在计算过程中,成对出现的数字的所有位会两两抵消为 0,最终得到的结果就是那个出现了一次的“落单的”数字。
那么:
这一方法如何扩展到找出两个出现一次的数字呢?
如果我们可以把所有数字分成两组,使得:
1、两个只出现一次的数字在不同的组中;
2、相同的数字会被分到相同的组中。
那么对两个组分别进行异或操作,即可得到答案的两个数字。那么如何实现这样的分组呢?
我们可以试着思考一下,假设两个出现一次的数字分别为a和b,能够把a和b分成两组并且仅分成两组的特征有哪些?很容易思考到二进制,非0即1。
那么我们可以转念想到,a和b的二进制至少有一位是不一样的,我们把不一样的某位记作xi,而其他两两相同的数字的xi也必定两两相同(因为两两相同的数字的二进制也必定两两相同),所以,我们可以把xi作为分组的标志。
这样,问题就解决了。
三、算法描述
先对所有数字进行一次异或,得到两个出现一次的数字的异或值。
在异或结果中找到任意为 1 的位。
根据这一位对所有的数字进行分组。
在每个组内进行异或操作,得到两个数字。
四、Java代码实现
public static int[] singleNumbers(int[] nums) {
int ret = 0; //用于存放所有数字的异或结果
for(int n : nums) {
ret = ret ^ n;
}
int temp = 1; //用于记录为0的最低位
while( (temp&ret) == 0) {
//如果按位与的结果不是0,就左移一位
temp = temp << 1;
}
int a=0; //用于存放第一组的所有数字的异或结果
int b=0; //用于存放第二组的所有数字的异或结果
for(int n:nums) {
if( (temp & n) != 0 ) { //这里不能写成(temp & n) == 1
a = a ^ n;
} else {
b = b ^ n;
}
}
return new int[] {a,b};
}
五、时空复杂度分析
时间复杂度:O(n) 只需要遍历数组两次。
空间复杂度:O(1) 只需要常数的空间存放若干变量。
执行用时: 1 ms 超过了100%的提交记录
内存消耗: 40.1 MB 超过了45%的提交记录