JZ15. 二进制中1的个数(位运算)

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编写一个函数,输入是一个无符号整数(以二进制串的形式),返回其二进制表达式中数字位数为 '1' 的个数(也被称为 汉明重量).)。

 

提示:

请注意,在某些语言(如 Java)中,没有无符号整数类型。在这种情况下,输入和输出都将被指定为有符号整数类型,并且不应影响您的实现,因为无论整数是有符号的还是无符号的,其内部的二进制表示形式都是相同的。 在 Java 中,编译器使用 二进制补码 记法来表示有符号整数。因此,在上面的 示例 3 中,输入表示有符号整数 -3。  

示例 1:

输入:n = 11 (控制台输入 00000000000000000000000000001011) 输出:3 解释:输入的二进制串 00000000000000000000000000001011 中,共有三位为 '1'。 示例 2:

输入:n = 128 (控制台输入 00000000000000000000000010000000) 输出:1 解释:输入的二进制串 00000000000000000000000010000000 中,共有一位为 '1'。 示例 3:

输入:n = 4294967293 (控制台输入 11111111111111111111111111111101,部分语言中 n = -3) 输出:31 解释:输入的二进制串 11111111111111111111111111111101 中,共有 31 位为 '1'。  

提示:

输入必须是长度为 32 的 二进制串 。

方法一:循环检查二进制位

思路及解法

我们可以直接循环检查给定整数 n 的二进制位的每一位是否为 1。

具体代码中,当检查第 i 位时,我们可以让 n 与 2 ^ i 进行与运算,当且仅当 n 的第 i 位为 1 时,运算结果不为 0。

代码

public class Solution {
    public int hammingWeight(int n) {
        int ret = 0;
        for (int i = 0; i < 32; i++) {
            if ((n & (1 << i)) != 0) {
                ret++;
            }
        }
        return ret;
    }
}

复杂度分析

时间复杂度:O(k),其中 k 是 int 型的二进制位数 k=32。我们需要检查 n 的二进制位的每一位,一共需要检查 32 位。

空间复杂度:O(1),我们只需要常数的空间保存若干变量。

方法二:逐位判断

根据 与运算 定义,设二进制数字 n ,则有:

  • 若 n&1=0 ,则 n 二进制 最右一位 为 0 ;
  • 若 n&1=1 ,则 n 二进制 最右一位 为 1 。

根据以上特点,考虑以下 循环判断 :

  • 判断 n 最右一位是否为 1 ,根据结果计数。
  • 将 n 右移一位(本题要求把数字 n 看作无符号数,因此使用 无符号右移 操作)。

算法流程:

初始化数量统计变量 res=0 。

  • 循环逐位判断: 当 n=0 时跳出。res += n & 1 : 若 n&1=1 ,则统计数 res 加一。

  • n >>= 1 : 将二进制数字 n 无符号右移一位( Java 中无符号右移为 >>>" ) 。

返回统计数量 res 。

复杂度分析:

时间复杂度 O(log 2​ n) : 此算法循环内部仅有 移位、与、加 等基本运算,占用 O(1) ;逐位判断需循环 log 2​ n 次,其中 log 2​ n 代表数字 n 最高位 1 的所在位数(例如 log 2​ 4=2, log 2​ 16=4)。

空间复杂度 O(1) : 变量 res 使用常数大小额外空间。

代码:

public class Solution {
    public int hammingWeight(int n) {
        int res = 0;
        while(n != 0) {
            res += n & 1;
            n >>>= 1;
        }
        return res;
    }
}

方法三:巧用 n&(n−1)

(n−1) 解析: 二进制数字 n 最右边的 1 变成 0 ,此 1 右边的 0 都变成 1 。

n&(n−1) 解析: 二进制数字 n 最右边的 1 变成 0 ,其余不变。

image.png

算法流程:

初始化数量统计变量 res 。

循环消去最右边的 1 :当 n=0 时跳出。

  • res += 1 : 统计变量加 1 ;

  • n &= n - 1 : 消去数字 n 最右边的 1 。

返回统计数量 res 。

复杂度分析:

时间复杂度 O(M) : n&(n−1) 操作仅有减法和与运算,占用 O(1) ;设 M 为二进制数字 n 中 1 的个数,则需循环 M 次(每轮消去一个 1 ),占用 O(M) 。

空间复杂度 O(1) : 变量 res 使用常数大小额外空间。

代码:

public class Solution {
    public int hammingWeight(int n) {
        int res = 0;
        while(n != 0) {
            res++;
            n &= n - 1;
        }
        return res;
    }
}