LC 338. 比特位计数

题目描述

这是 LeetCode 上的 338. 比特位计数 ,难度为 简单

给定一个非负整数 num。对于 0 ≤ i ≤ num 范围中的每个数字 i,计算其二进制数中的 $1$ 的数目并将它们作为数组返回。

示例 1:

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2
3
输入: 2

输出: [0,1,1]

示例 2:
1
2
3
输入: 5

输出: [0,1,1,2,1,2]

进阶:

  • 给出时间复杂度为 $O(n \times sizeof(integer))$ 的解答非常容易。但你可以在线性时间 $O(n)$ 内用一趟扫描做到吗?
  • 要求算法的空间复杂度为 $O(n)$ 。
  • 你能进一步完善解法吗?要求在 C++ 或任何其他语言中不使用任何内置函数(如 C++ 中的 __builtin_popcount)来执行此操作。

模拟

这道题要对每个数进行统计,因此不会有比 $O(n)$ 更低的做法。

而很容易想到的朴素做法是对每个数进行「位运算」计数,每个数都是 $32$ 位的,因此是一个 $O(32n)$ 的做法。

代码:

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class Solution {
public int[] countBits(int n) {
int[] ans = new int[n + 1];
for (int i = 0; i <= n; i++) ans[i] = getCnt(i);
return ans;
}
int getCnt(int u) {
int ans = 0;
for (int i = 0; i < 32; i++) ans += (u >> i) & 1;
return ans;
}
}

  • 时间复杂度:$O(n)$
  • 空间复杂度:使用与输入同等规模的空间存储答案。复杂度为 $O(n)$

动态规划

事实上,这道题是有严格 $O(n)$ 的解法的,要求 $O(n)$ 复杂度又是输出方案的题,通常就是递推的 DP 题。

用已算出的值去凑出要算的值。

那么对于这类问题我们该如何考虑呢?一般是靠经验,如果实在没见过这类题型的话,我们就需要在纸上画一下,分析一下我们朴素做法的最后一步是怎么进行的。

不失一般性的,假设当前我要统计的数的 ii 对应的二进制表示是 00000...0010100101(共 32 位)

如果我们是使用「朴素解法」求解的话,无论是从高位进行统计,还是从低位进行统计,最后一位扫描的都是边缘的数(如果是 1 就计数,不是 1 就不计数)。

  • 从低位到高位,最后一步在扫描最高位之前,统计出 1 的个数应该等同于将 i 左移一位,并在最低位补 0,也就是等于 ans[i << 1],这时候就要求我们在计算 i 的时候 i << 1 已经被算出来(从大到小遍历)
  • 从高位到低位,最后一步在扫描最低位之前,统计出 1 的个数应该等同于将 i 右移一位,并在最高位补 0,也就是等于 ans[i >> 1],这时候就要求我们在计算 i 的时候 i >> 1 已经被算出来(从小到大遍历)

通过对「朴素做法」的最后一步分析,转移方程就出来了:

  • 从大到小遍历 :$f(i) = f(i << 1) + ((i >>31 ) \& 1)$
  • 从小到大遍历 :$f(i) = f(i >> 1) + ( i \& 1 )$

代码:

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class Solution {
// 从小到大遍历
public int[] countBits(int n) {
int[] ans = new int[n + 1];
// ans[i] = 「i >> 1 所包含的 1 的个数」+「i 的最低位是否为 1」
for (int i = 1; i <= n; i++) ans[i] = ans[i >> 1] + (i & 1);
return ans;
}
}

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class Solution {
// 从大到小遍历
public int[] countBits(int n) {
int[] ans = new int[n + 1];
for (int i = n; i >= 0; i--) {
// 如果计算 i 所需要的 i << 1 超过 n,则不存储在 ans 内,需要额外计算
int u = i << 1 <= n ? ans[i << 1] : getCnt(i << 1);
// ans[i] =「i << 1 所包含的 1 的个数」 + 「i 的最高位是否为 1」
ans[i] = u + ((i >> 31) & 1);
}
return ans;
}
int getCnt(int u) {
int ans = 0;
for (int i = 0; i < 32; i++) ans += (u >> i) & 1;
return ans;
}
}

  • 时间复杂度:$O(n)$
  • 空间复杂度:使用与输入同等规模的空间存储答案。复杂度为 $O(n)$

位运算说明

  • a >> b & 1 代表检查 a 的第 b 位是否为 $1$,有两种可能性 $0$ 或者 $1$

  • a += 1 << b 代表将 a 的第 b 位设置为 $1$ (当第 b 位为 $0$ 的时候适用)

如不想写对第 b 位为 $0$ 的前置判断,a += 1 << b 也可以改成 a |= 1 << b

在之前的题解我就强调过,以上两个操作在位运算中使用频率超高,建议每位同学都加深理解


最后

这是我们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No.338 篇,系列开始于 2021/01/01,截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目,部分是有锁题,我们将先把所有不带锁的题目刷完。

在这个系列文章里面,除了讲解解题思路以外,还会尽可能给出最为简洁的代码。如果涉及通解还会相应的代码模板。

为了方便各位同学能够电脑上进行调试和提交代码,我建立了相关的仓库:https://github.com/SharingSource/LogicStack-LeetCode

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