史上最通俗易懂的异或运算详解【含例题及应用】 |
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一. 什么是异或?
1. Wikipedia的解释:
在逻辑学中,逻辑算符异或(exclusive or)是对两个运算元的一种逻辑析取类型,符号为 XOR 或 EOR 或 ⊕(编程语言中常用^)。但与一般的逻辑或不同,异或算符的值为真仅当两个运算元中恰有一个的值为真,而另外一个的值为非真。转化为命题,就是:“两者的值不同。”或“有且仅有一个为真。” 2. 定义1 ⊕ 1 = 0 0 ⊕ 0 = 0 1 ⊕ 0 = 1 0 ⊕ 1 = 1 3. 真值表 YB = 0B = 1A = 001A = 110 4, 表达式:Y = A ’ ⋅ B + A ⋅ B ’ Y = A’ · B + A · B’ Y=A’⋅B+A⋅B’ 解释:我使用·作为与,我使用+作为或,我使用’作为否(本来应该使用头上一横,但是太难编辑了,就使用了’); 二. 异或有什么特性?根据定义我们很容易获得异或两个特性: 恒 等 律 : X ⊕ 0 = X 恒等律:X ⊕ 0 = X 恒等律:X⊕0=X 归 零 律 : X ⊕ X = 0 归零律:X ⊕ X = 0 归零律:X⊕X=0 然后我们使用真值表可以证明: (1)交换律 A ⊕ B = A' · B + A · B' B ⊕ A = B' · A + B · A'因为·与和+或两个操作满足交换律,所以: A ⊕ B = B ⊕ A A ⊕ B = B ⊕ A A⊕B=B⊕A (2)结合律 (A ⊕ B) ⊕ C = (A' · B + A · B') ⊕ C = (A' · B + A · B')' · C + (A' · B + A · B') · C ' = ((A' · B)' · (A · B')')· C + A' · B · C ' + A · B' · C ' = ((A + B') · (A' + B))· C + A' · B · C ' + A · B' · C ' = (A · B + A' · B') · C + A' · B · C ' + A · B' · C ' = A · B · C + A' · B' · C + A' · B · C ' + A · B' · C '你可以使用同样推导方法得出(请允许我偷懒一下,数学公式敲起来不容易 +_+): A ⊕ (B ⊕ C) = A · B · C + A' · B' · C + A' · B · C ' + A · B' · C '证明过程中使用了如下几个方法(·与 +或 '否): ·与 +或交换律: A · B = B · A A + B = B + A·与 +或结合律: (A · B) · C = A · (B · C) (A + B) + C = A + (B + C)·与 +或分配律: A · (B + C)= A · B + A · C A + B · C = (A + B) · (A + C)摩尔定理 (A · B)' = A' + B' (A + B)' = A' · B'结论: 交换律:A ⊕ B = B ⊕ A 结合律:A ⊕ (B ⊕ C) = (A ⊕ B) ⊕ C 有了归零率和结合律,我们就可以轻松证明: 自反:A ⊕ B ⊕ B = A ⊕ 0 = A 可能这些特性会很顺其自然的理解,但是如果你在解决问题的时候,你可能会忘记异或的这些特性,所以适当的应用可以让我们加深对异或的理解; A ⊕ 1 = A'; A ⊕ 0 = A; A ⊕ A = 0; A ⊕ A' = 1; 异或有什么神奇之处(应用)?说明:以下的的异或全部使用符号^ 可能你已经被乱七八糟的公式和演算搞的有点烦了,不就是很简单的异或运算吗?还解释的那么复杂,嘿嘿,不要着急,打好了基础,你就站在了巨人的肩膀,让我们开始异或的神奇之旅吧; (1)快速比较两个值先让我们来一个简单的问题;判断两个int数字a,b是否相等,你肯定会想到判断a - b == 0,但是如果判断a ^ b == 0效率将会更高,但是为什么效率高呢?就把这个给你当家庭作业吧。 (2)我们可以使用异或来使某些特定的位翻转,因为不管是0或者是1与1做异或将得到原值的相反值;0 ^ 1 = 1 1 ^ 1 = 0 例如:翻转10100001的第6位, 答案:可以将该数与00100000进行按位异或运算;10100001 ^ 00100000 = 10000001 (3)我们使用异或来判断一个二进制数中1的数量是奇数还是偶数例如:求10100001中1的数量是奇数还是偶数; 答案:1 ^ 0 ^ 1 ^ 0 ^ 0 ^ 0 ^ 0 ^ 1 = 1,结果为1就是奇数个1,结果为0就是偶数个1; 应用:这条性质可用于奇偶校验(Parity Check),比如在串口通信过程中,每个字节的数据都计算一个校验位,数据和校验位一起发送出去,这样接收方可以根据校验位粗略地判断接收到的数据是否有误 (4)校验和恢复校验和恢复主要利用的了异或的特性:IF a ^ b = c THEN a ^ c = b 应用:一个很好的应用实例是RAID5,使用3块磁盘(A、B、C)组成RAID5阵列,当用户写数据时,将数据分成两部分,分别写到磁盘A和磁盘B,A ^ B的结果写到磁盘C;当读取A的数据时,通过B ^ C可以对A的数据做校验,当A盘出错时,通过B ^ C也可以恢复A盘的数据。 (5)经典题目:不使用其他空间,交换两个值 a = a ^ b; b = a ^ b; //a ^ b ^ b = a ^ 0 = a; a = a ^ b;原理: 第一步没啥好说a = a^b 第二步:b=b^a ,也就是 b=b^a^b ,也就是b=a^0,此处换值 第三步:a=a^b 也就是a=a^b^a,也就是b (6)最最常出现的面试题:一个整型数组里除了N个数字之外,其他的数字都出现了两次,找出这N个数字;比如,从{1, 2, 3, 4, 5, 3, 2, 4, 5}中找出单个的数字: 1 让我们从最简单的,找一个数字开始; 题目:(LeetCode 中通过率最高的一道题) Single Number: Given an array of integers, every element appears twice except for one. Find that single one. Note:Your algorithm should have a linear runtime complexity. Could you implement it without using extra memory? 思路: 拿到这个题目,本能的你会使用排序(数字文字我们常常需要排序),排序后可以来判断是否数字成对出现,思路很明显,但是排序的算法上限是 O(nlogn),不符合题目要求; 学习了强大的异或,我们可以轻松的使用它的特性来完成这道题目: (1)A ^ A = 0; (2)异或满足交换律、结合律; 所有假设有数组:A B C B C D A使用异或: A ^ B ^ C ^ B ^ C ^ D ^ A = A ^ A ^ B ^ B ^ C ^ C ^ D = 0 ^ 0 ^ 0 ^ D = 0 ^ D = D是不是很神奇?时间复杂度为O(n),当然是线性的,空间复杂度O(1); 代码: class Solution { public: int singleNumber(int A[], int n) { //特殊情况1,2 if(n return num & ~(num - 1); // num 与 -num 相与找到 } void findTwo(int *array, int length){ int res = 0; int firstOneBit = 0; int a = 0; int b = 0; for (int i = 0; i if(array[i] & firstOneBit) { a ^= array[i]; } } b = res ^ a; cout |
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