二进制中 1 的个数（C++ 和 Python 实现）

（说明：本博客中的题目、题目详细说明及参考代码均摘自 “何海涛《剑指Offer：名企面试官精讲典型编程题》2012年”）

题目

　　请实现一个函数，输入一个整数，输出该数二进制表示中 1 的个数。例如把 9 表示成二进制是 1001，有 2 位是 1。因此如果输入 9，该函数输出是 2。

算法设计思想

　　计算一个整数的二进制表示中 1 的个数有多种算法。本文主要介绍两种算法，按位与运算算法和快速算法，更多算法，可以查看网友 zdd 的博文 “算法-求二进制数中1的个数”。

　　按位与运算算法思想很简单，即对整数的二进制表示的每一位与 1 求与，所得结果为非 0 的个数，即为一个整数二进制表示中 1 的个数，这种算法所需的移位次数至少为整数的二进制表示中，数字 1 所在的最高位的位次（例如 0b0101，高位和低位所在的位次分别为 2 和 0），不够高效；

　　快速算法，则不采用移位操作，而是用整数 i 与这个整数减 1 的值 i - 1，按位求与，如此可以消除，整数的二进制表示中，最低位的 1 。整数的二进制表示有几个 1，则只需计算几次。在 C/C++ 实现时，负整数溢出后为最大整数，但 Python 数值类型（Numeric Type）不会出现溢出的情况，所以，此时，还需要对边界值进行限定。

注，整数的二进制表示方式和移位操作处理方式：
1）整数的二进制表示方式：在计算机中，整数的二进制表示中，最高位为符号位。最高位为 0 时，表示正数； 最高位为 1 时表示负数。
2）对整数的移位操作：
当整数是负数时，右移时，最低位丢弃，最高位补 1；  左移时，最高位丢弃，最低位补 0。
当整数是正数时，右移时，最低位丢弃，最高位补 0；  左移时，最高位丢弃，最低位补 0 。

C++ 实现

/*
* Author: klchang
* Date: 2017.12.16
* Description: Compute the number of 1 in the binary representation of an integer.
*/

#include <iostream>

#define INT_BITS 32

// Generic method: bitwise and operation with a number that has only one 1 in binary.
int numberOf_1_InBinary_Generic(int i)
{
    int count = ;
    int shiftCount = ;

    while (i && shiftCount < INT_BITS)
    {
        if (i & ) {
            ++ count;
        }
        i = i >> ;
        ++ shiftCount;
    }

    return count;
}

// Fast method: bitwise and operation between integer i and (i-1).
int numberOf_1_InBinary_Fast(int i)
{
    int count = ;
    while (i)
    {
        std::cout << "iter " << count << ": " << i << std::endl;
        i = i & (i - );
        count ++;
    }

    return count;
}

void unitest()
{
    int data[] = {-, , };

    std::cout << "---------------------- Generic Method -----------------------"  << std::endl;
    for (int i = ; i < ; ++i)
        std::cout << "The number of 1 in the binary representation of " << data[i] << " is "
                  << numberOf_1_InBinary_Generic(data[i]) << ".\n" << std::endl;

    std::cout << "----------------------- Fast Method --------------------------"  << std::endl;
    for (int i = ; i < ; ++i)
        std::cout << "The number of 1 in the binary representation of " << data[i] << " is "
                  << numberOf_1_InBinary_Fast(data[i]) << ".\n" << std::endl;
}

int main()
{
    unitest();

    return ;
}

Python 实现

原理

　　为了更好的理解这个问题在 Python 中的实现，先简单介绍 Python 数值类型，需要注意 Python 2 和 Python 3 的数值类型是有些区别的。Python 2 的数值类型有 4 种类型，即 int, long, float 和 complex 。而在 Python 3 中，int 和 long 类型已经整合到一起，成为新的 int 类型，也就是说，Python 3 中，只有 3 种类型，即 int, float 和 complex。 对 bool 类型，在 Python 2 中，其是普通整型 int （at least 32 bits of precision）的子类型；在 Python 3 中，其是 int 类型（unlimited precision）的子类型。

　　Python 2 的数值类型 int 是普通整型，是有范围的，可以通过 sys.maxint 获取其最大值，至少 32 bit。当 Python 2 程序中的整数值超出范围后，自动转换为 long 类型，而 long 类型是没有范围限制的，即 unlimited precision。在 Python 3 中，这两种类型被统一起来，表示为 int 类型，与 Python 2 的数值类型 long 相同，没有范围限定（unlimited precision）。也就是说，在 Python 中，整型数是没有溢出的（overflow）。在 Python 程序中，当对一个负整数与其减 1 后的值按位求与，若结果为 0 退出，循环执行此过程。由于整型数可以有无限的数值精度，其结果永远不会是 0，如此编程，在 Python 中，只会造成死循环。而在 C/C++ 中，整数（32 bit）的范围是 [ - 2147483648, 2147483647 ]，与此相对， Python 2 中的 long 类型和 Python 3 中 int 类型，如果不指定整型数的位数，是没有范围限制的。

注：数值精度（numeric precision）是指数值中的数字位数（the number of digits）；数值尺度（numeric scale）是指数值中的小数位数（the number of digits after the decimal point）。例如 123.45 可表示为 decimal(p = 5, s = 2)，即 10进制，数值精度为 5， 数值尺度为 2。

实现

#!/usr/bin/python
# -*- coding: utf8 -*-
"""
# Author: klchang
# Date: 2017.12.16
# Description: Compute the number of 1 in the binary representation of an integer.
"""

INT_BITS = 32
MAX_INT = (1 << (INT_BITS - 1)) - 1  # Maximum Integer for INT_BITS

# Generic method: bitwise and operation with a number that has only one 1 in binary.
def number_of_1_in_binary_generic(num):

    count, bit = 0, 1
    while num and bit <= MAX_INT + 1:
        if bit & num:
            count += 1
            num -= bit
        bit = bit << 1

    return count

# Fast method: bitwise and operation between integer num and (num-1).
def number_of_1_in_binary_fast(num):
    count = 0
    while num:
        if num < - MAX_INT - 1 or num > MAX_INT:
            break
        print("iter %d: %d" % (count, num))
        count += 1
        num = num & (num-1)

    return count

def unitest():
    nums = [-5, 0, 5]
    # Generic Method
    print("-" * 30 + " Generic Method " + "-" * 30)
    for n in nums:
        print("The number of 1 in the binary representation of %d is %d.\n" % (n, number_of_1_in_binary_generic(n)))
    # Fast Method
    print('\n' + "-" * 30 + " Fast Method " + "-" * 30)
    for n in nums:
        print("The number of 1 in the binary representation of %d is %d.\n" % (n, number_of_1_in_binary_fast(n)))

if __name__ == '__main__':
    unitest()

参考代码

1. targetver.h

#pragma once

// The following macros define the minimum required platform.  The minimum required platform
// is the earliest version of Windows, Internet Explorer etc. that has the necessary features to run
// your application.  The macros work by enabling all features available on platform versions up to and
// including the version specified.

// Modify the following defines if you have to target a platform prior to the ones specified below.
// Refer to MSDN for the latest info on corresponding values for different platforms.
#ifndef _WIN32_WINNT            // Specifies that the minimum required platform is Windows Vista.
#define _WIN32_WINNT 0x0600     // Change this to the appropriate value to target other versions of Windows.
#endif

2. stdafx.h

// stdafx.h : include file for standard system include files,
// or project specific include files that are used frequently, but
// are changed infrequently
//

#pragma once

#include "targetver.h"

#include <stdio.h>
#include <tchar.h>

// TODO: reference additional headers your program requires here

3. stdafx.cpp

// stdafx.cpp : source file that includes just the standard includes
// NumberOf1.pch will be the pre-compiled header
// stdafx.obj will contain the pre-compiled type information

#include "stdafx.h"

// TODO: reference any additional headers you need in STDAFX.H
// and not in this file

4. NumberOf1.cpp

// NumberOf1.cpp : Defines the entry point for the console application.
//

// 《剑指Offer——名企面试官精讲典型编程题》代码
// 著作权所有者：何海涛

#include "stdafx.h"
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

// ====================方法一====================
int NumberOf1(unsigned int n);

int NumberOf1Between1AndN_Solution1(unsigned int n)
{
    int number = ;

    for(unsigned int i = ; i <= n; ++ i)
        number += NumberOf1(i);

    return number;
}

int NumberOf1(unsigned int n)
{
    int number = ;
    while(n)
    {
        if(n %  == )
            number ++;

        n = n / ;
    }

    return number;
}

// ====================方法二====================
int NumberOf1(const char* strN);
int PowerBase10(unsigned int n);

int NumberOf1Between1AndN_Solution2(int n)
{
    if(n <= )
        return ;

    char strN[];
    sprintf(strN, "%d", n);

    return NumberOf1(strN);
}

int NumberOf1(const char* strN)
{
    if(!strN || *strN < '' || *strN > '' || *strN == '\0')
        return ;

    int first = *strN - '';
    unsigned int length = static_cast<unsigned int>(strlen(strN));

    if(length ==  && first == )
        return ;

    if(length ==  && first > )
        return ;

    // 假设strN是"21345"
    // numFirstDigit是数字10000-19999的第一个位中1的数目
    int numFirstDigit = ;
    if(first > )
        numFirstDigit = PowerBase10(length - );
    else if(first == )
        numFirstDigit = atoi(strN + ) + ;

    // numOtherDigits是01346-21345除了第一位之外的数位中1的数目
    int numOtherDigits = first * (length - ) * PowerBase10(length - );
    // numRecursive是1-1345中1的数目
    int numRecursive = NumberOf1(strN + );

    return numFirstDigit + numOtherDigits + numRecursive;
}

int PowerBase10(unsigned int n)
{
    int result = ;
    for(unsigned int i = ; i < n; ++ i)
        result *= ;

    return result;
}

// ====================测试代码====================
void Test(char* testName, int n, int expected)
{
    if(testName != NULL)
        printf("%s begins: \n", testName);

    if(NumberOf1Between1AndN_Solution1(n) == expected)
        printf("Solution1 passed.\n");
    else
        printf("Solution1 failed.\n"); 

    if(NumberOf1Between1AndN_Solution2(n) == expected)
        printf("Solution2 passed.\n");
    else
        printf("Solution2 failed.\n"); 

    printf("\n");
}

void Test()
{
    Test("Test1", , );
    Test("Test2", , );
    Test("Test3", , );
    Test("Test4", , );
    Test("Test5", , );
    Test("Test6", , );
    Test("Test7", , );
    Test("Test8", , );
}

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    Test();

    return ;
}

5. 参考代码下载

项目 10_NumberOf1 下载： 百度网盘

何海涛《剑指Offer：名企面试官精讲典型编程题》 所有参考代码下载：百度网盘

参考资料

[1]  何海涛. 剑指 Offer：名企面试官精讲典型编程题 [M]. 北京：电子工业出版社，2012. 77-82.

[2] Python Software Foundation. Python 2.7.14 Documentation, The Python Standard Library, 5.4. Numeric Types — int, float, long, complex [OL]. https://docs.python.org/2/library/stdtypes.html#numeric-types-int-float-long-complex. 2017.

[3] Python Software Foundation. Python 3.6.4rc1 Documentation, The Python Standard Library, 4.4. Numeric Types — int, float, complex [OL]. https://docs.python.org/3/library/stdtypes.html#numeric-types-int-float-complex. 2017.

[4] Stack Overflow Users. How do I interpret precision and scale of a number in a database [OL]. https://stackoverflow.com/questions/2377174/how-do-i-interpret-precision-and-scale-of-a-number-in-a-database.