关于Python 位运算防坑指南

目录

• 1、背景
• 2、C# 语言
• 3、Python 语言
• 4、技术分析

1、背景

我们先看这个题目：

标题：137. 只出现一次的数字 II
难度：中等
https://leetcode-cn.com/problems/single-number-ii/

给定一个 非空 整数数组，除了某个元素只出现一次以外，其余每个元素均出现了三次。找出那个只出现了一次的元素。

说明：

你的算法应该具有线性时间复杂度。 你可以不使用额外空间来实现吗？

示例 1:

输入: [2,2,3,2]
输出: 3

示例 2:

输入: [0,1,0,1,0,1,99]
输出: 99

思路：

初始result = 0，将每个数想象成 32 位的二进制，对于每一位的二进制的1累加起来必然是3N或者3N + 1(出现3次和1次)；3N代表目标值在这一位没贡献，3N + 1代表目标值在这一位有贡献（=1），然后将所有有贡献的位记录到result中。这样做的好处是如果题目改成k个一样，只需要把代码改成count % k即可，很通用并列去找每一位。

2、C# 语言

• 执行结果：通过
• 执行用时：112 ms, 在所有 C# 提交中击败了 91.53% 的用户
• 内存消耗：25.2 MB, 在所有 C# 提交中击败了 100.00% 的用户

public class Solution
{
    public int SingleNumber(int[] nums)
    {
        int result = 0;
        for (int i = 0; i < 32; i++)
        {
            int mask = 1 << i;
            int count = 0;
            for (int j = 0; j < nums.Length; j++)
            {
                if ((nums[j] & mask) != 0)
                {
                    count++;
                }
            }
            if (count % 3 != 0)
            {
                result |= mask;
            }
        }
        return result;
    }
}

3、Python 语言

class Solution:
    def singleNumber(self, nums: List[int]) -> int:
        result = 0
        for i in range(32):
            mask = 1 << i
            count = 0
            for num in nums:
                if num & mask != 0:
                    count += 1
            if count % 3 != 0:
                result |= mask
        return result

以上 Python 代码与 C# 代码逻辑完全一致，但提交时报错。错误信息如下：

输入：[-2,-2,1,1,-3,1,-3,-3,-4,-2]
输出：4294967292
预期结果：-4

我们发现：

-4 补码为 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100

如果不考虑符号位

1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1100 -> 4294967292

是不是很坑，C++，C#，Java等语言的整型是限制长度的，如：byte 8位，int 32位，long 64位，但 Python 的整型是不限制长度的（即不存在高位溢出），所以，当输出是负数的时候，会导致认为是正数！因为它把32位有符号整型认为成了无符号整型，真是坑。

我们对以上的代码进行修改，加入判断条件 if result > 2 ** 31-1: 超过32位整型的范围就表示负数了result -= 2 ** 32，即可得到对应的负数。

• 执行结果：通过
• 执行用时：96 ms, 在所有 Python3 提交中击败了 19.00% 的用户
• 内存消耗：14.8 MB, 在所有 Python3 提交中击败了 25.00% 的用户

class Solution:
    def singleNumber(self, nums: List[int]) -> int:
        result = 0
        for i in range(32):
            mask = 1 << i
            count = 0
            for num in nums:
                if num & mask != 0:
                    count += 1
            if count % 3 != 0:
                result |= mask
            if result > 2 ** 31-1:
                result -= 2 ** 32
        return result

4、技术分析

上面的问题解决了，我们在深入的探讨一下。

整数在内存中是以补码的形式存在的，输出自然也是按照补码输出。

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        string s1 = Convert.ToString(-3, 2);
        Console.WriteLine(s1);
        // 11111111111111111111111111111101

        string s2 = Convert.ToString(-3, 16);
        Console.WriteLine(s2);
        // fffffffd
    }
}

但我们看一下 Python 的bin() 输出。

print(bin(3))  # 0b11
print(bin(-3))  # -0b11

print(bin(-3 & 0xffffffff))
# 0b11111111111111111111111111111101

print(bin(0xfffffffd))
# 0b11111111111111111111111111111101

print(0xfffffffd)  # 4294967293

是不是很颠覆认知，我们从结果可以看出：

• Python中bin一个负数（十进制表示），输出的是它的原码的二进制表示加上个负号，巨坑。
• Python中的整型是补码形式存储的。
• Python中整型是不限制长度的不会超范围溢出。

所以为了获得负数（十进制表示）的补码，需要手动将其和十六进制数0xffffffff进行按位与操作，再交给bin()进行输出，得到的才是负数的补码表示。

总结：
这篇图文从一道Leetcode题目开始说起，发现C#语言与Python语言在利用二进制处理整型数据时存在不同，Python语言不属于强类型语言所以不限制整型的位数，表面上看好像方便使用其实就是个坑。大家使用时多加小心。

到此这篇关于关于Python 位运算防坑指南的文章就介绍到这了,更多相关Python 位运算防坑指南内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！