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墨滴

阿Q

2021/12/09  阅读:41  主题:默认主题

面试官:请说出4种不使用第三方变量交换两个变量值的方法

哈喽,大家好,我是阿Q。前几天有个小伙伴去面试,被面试官的一个问题劝退了:请说出几种不使用第三方变量交换两个变量值的方法。

问题有点绕,好不容易缕清了面试官的问题,却发现答不上来。一时间尴尬无比,只能硬着头皮说不会。

遇到交换变量值的问题,通常我们的做法是:定义一个新的变量,借助它完成交换。

代码如下:

t = a;
a = b; 
b = t;

但问题的重点是“不使用第三方变量”,那就变得“可爱”起来了。思考过后,抛出以下四种方法来解决该问题:

  • 变量本身交换数值;
  • 算术运算;
  • 指针地址操作;
  • 位运算;

变量本身交换数值

b = (a + b) - (a = b);

首先执行 a + b 操作,然后将 b 赋值给 a,则 b = a + b - b = a,这就完成了 ab 的互换操作。

算术运算

如图所示: OA = a; OB = b; AB = b - a;

首先我们把 AB 之间的距离 b - a 赋值给 a,此时 AB = a, OB = b 。

由于要达到 ab 交换的目的,所以 OA 要等于 b,而此时 OA 的距离为 b - a ,所以得将 b - a 赋值给 b ,此时 OA = b, AB = a 。

很容易从图中看出,OB 的距离为 b + a,所以我们只需要将 b + a 赋值给 a 就可以完成两者的交换了。

综上所述,我们的步骤为

int a = 10;
int b = 15;
a = b - a; //b=15;a=5;
b = b - a; //b=10;a=5;
a = b + a; //b=10;a=15;

该算法只能用于整型类型。

指针地址操作

我们可以把 a 和 b 想象为内存中的地址值,假设 a 为 0x01ff5e70 ,b 为 0x01ff5e90 ,而 b - a 表示两个变量在内存中的储存位置隔了多少个字节。所以我们理论上也可以按算术运算的逻辑来交换两个变量的值。

代码如下(此处是 c 语言):

//其中 a 和 b 都是指针变量,里边存储着10和20的地址
int *a = new int(10); //a=0x01ff5e70 ,此处代表a中存储的地址
int *b = new int(20); //b=0x01ff5e90 ,此处代表b中存储的地址

//指针变量相减得到20和10的地址间隔了多少个字节,然后转为指针变量
a = (int*)(b-a);  //b=0x01ff5e90;a=0x8
b = (int*)(b-a);  //b=0x01ff5e70;a=0x8
a=(int*)(b+long(a));//b=0x01ff5e70;a=0x01ff5e90

b - a = 0x01ff5e90 - 0x01ff5e70 = 0x20,0x20 转换为十进制为 32 位,因为一个 int 占4位,所以这里是 0x8 。

以上只是理论状态下的执行过程,如果直接执行是不能实现交换的。因为上边的代码忽略了一个问题:代码编译之后,变量都是存在内存中的,而内存区都会存在基地址。

基地址可以理解为某块内存的起点。上边的数据都是在基地址的基础上做了偏移。

变量的地址 = 变量的基地址 + 变量的偏移地址

当我们进行 b - a 操作的时候,得到结果为 8 ,然后转化为指针变量的时候就会给 8 自动添加基地址,此时的结果就不是 0x8 了,所以会导致结果错误。

另外,地址运算不能出现负数,即当 a 的地址大于 b 的地址时,b - a < 0 ,系统自动采用补码的形式表示负的位移,也会产生错误。

为了解决这个问题,我们只需要保证 b - a 得到的结果不受基地址的影响即可,所以给出以下解决方案。

int *a = new int(10);
int *b = new int(20); 
cout << a << "`````";
cout << b << "`````";
if(a < b){
 a = (int*)(b-a); 
 cout << a << "`````";

 b=(int*)(b-(long(a)&0x0000ffff));
 cout << b << "`````";
 
 a=(int*)(b+long(a));
 cout << a << "`````";
else {
 b = (int*)(a-b); 
 cout << b << "`````";

 a=(int*)(a-(long(b)&0x0000ffff));
 cout << a << "`````";
 
 b=(int*)(a+long(b));
 cout << b << "`````";
}

执行结果:

0x8dbe70`````0x8dbe90`````0x8`````0x8dbe70`````0x8dbe90`````

看到这,不知道大家是否真的看懂了。反正我第一次看到这儿时,感觉非常清晰(其实完全没有理解),第二次看的时候懵逼了,完全不懂,所以还得大家仔细思考一下才行。

b=(int*)(b-(long(a)&0x0000ffff)); 指令的精妙之处就在于采用了位运算中的与运算,将 a 和 0x0000ffff 进行与运算后,b - a 的基地址计算结果被屏蔽,只保留了偏移地址的计算结果,也就是我们需要的字节数。

在交换很大的数据类型时,该方法执行速度比算术算法快。因为它交换的是地址,而变量值在内存中是没有移动过的。

位运算

既然上边用到了位运算,那我们再说一种直接通过“异或“完成交换的方法。

简单介绍一下异或的规则:

  • 如果a、b两个值不相同,则异或结果为1;
  • 如果a、b两个值相同,异或结果为0。

代码如下

int a=10, b=12;//二进制:a=1010;b=1100;
a = a^b;//a=0110;b=1100
b = a^b;//a=0110;b=1010
a = a^b;//a=1100;b=1010
System.out.println("a="+ a +",b="+ b);

执行结果

a=12,b=10

异或运算能够使数据中的某些位翻转,其他位不变。这就意味着任意一个数与任意一个给定的值连续异或两次,值不变。

简单总结

以上四种方法均实现了不借助第三方变量来完成两个变量值的交换:

  • 算术运算和位运算计算量相当,只能进行整形数据的交换;
  • 地址运算中计算较复杂,可以很轻松的实现大类型(比如自定义的类或结构)的交换;
  • 理论上重载 “^” 运算符,也可以实现任意结构的交换;

以上就是今天的全部内容了,如果你有不同的意见或者更好的idea,欢迎联系阿Q,添加阿Q可以加入技术交流群参与讨论呦!

阿Q

2021/12/09  阅读:41  主题:默认主题

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阿Q

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