剑指 Offer 56 - II. 数组中数字出现的次数 II（二进制求和模运算）

Posted 2022-01-06 --believe

一、题目

剑指 Offer 56 - II. 数组中数字出现的次数 II(位运算的妙用)

1. 题目描述

在一个数组 nums 中除一个数字只出现一次之外，其他数字都出现了三次。请找出那个只出现一次的数字。

示例1：

输入：nums = [3,4,3,3]
输出：4

示例2：

输入：nums = [9,1,7,9,7,9,7]
输出：1

二、分析

方法1：hashMap统计个数，遍历返回

比较常规的思路就是通过hashMap统计个数，然后遍历返回即可。思路简单，但这种方法显示没有充分利用题中的条件其他数字都出现了三次。所以一定不是最优解。

方法2：位运算

分析

其他数字出现了三次，这是我们解题的突破点。

做这种数字题，我们要有位运算的思想在，所以我们绞尽脑汁往位运算那边去靠。我们试想一下，如果将所有数字转换为二进制，然后观察一下会有什么规律呢？如下：

     nums=[4,4,4,5,5,5,3]
     出现3次：4,5
     *          4:0100b
     *          4:0100b
     *          4:0100b
     *          5:0101b
     *          5:0101b
     *          5:0101b
     出现1次：3
     *          3:0011b

我们发现4,5这两个重复的数字每一位之和必定是3的倍数，道理很简单，因为相同的数字出现了3次，多个相同的数之和肯定是3的倍数。

利用这个规律，每位和是三的倍数，我们将所有数字每位求和，然后模3，就是出现一次数字的对应位。如下：

     nums=[4,4,4,5,5,5,3]
     出现3次：4,5
     *          4:0100b
     *          4:0100b
     *          4:0100b
     *          5:0101b
     *          5:0101b
     *          5:0101b
     *          3:0011b
     每位进行sum%3结果就是要求的数，如下：
     *          3:0011b

复杂度

时间O(N)

两次遍历O(32)*O(N)

空间O(1)

常数辅助遍历O(1)

三、代码

方法1：hashMap统计个数，遍历返回

    /**
     * 题目：剑指 Offer 56 - II. 数组中数字出现的次数 II
     * 描述：在一个数组 nums 中除一个数字只出现一次之外，其他数字都出现了三次。请找出那个只出现一次的数字
     * 方法：哈希表存储
     * 复杂度：时间O(N):两次遍历数组O(2*n)
     *        空间O(N):线性哈希表O(N)，和常数辅助遍历j,i,O(1)
     */

    public static int singleNumber(int[] nums) 
        HashMap<Integer, Integer> hashMap = new HashMap<Integer, Integer>();
        int j=0;
        for (int i : nums) 
//            j=hashMap.get(i)==null?1:hashMap.get(i)+1;//可以优化，因为我们只要计数为1的key,超过1的key我们可以直接设置为-1。减少get操作。
            j=hashMap.get(i)==null?1:-1;//优化减少get操作。

            hashMap.put(i,j);

        
        for (Integer i : hashMap.keySet()) 
            if (hashMap.get(i)==1) return i;
        
        return -1;
    

方法1小优化，避免计数

    /**
     * 题目：剑指 Offer 56 - II. 数组中数字出现的次数 II
     * 描述：在一个数组 nums 中除一个数字只出现一次之外，其他数字都出现了三次。请找出那个只出现一次的数字
     * 方法：哈希表存储,上面方法优化。将hashMap分为符合条件的和不符合条件的，减少计数
     * 复杂度：时间O(N):两次遍历数组O(2*n)
     *        空间O(N):线性哈希表O(N)
     */

    public static int singleNumberB(int[] nums) 
        HashMap<Integer, Boolean> hashMap = new HashMap<>();
        for (int i : nums) 
            hashMap.put(i,hashMap.containsKey(i));

        
        for (Integer i : hashMap.keySet()) 
            if (hashMap.get(i)==false) return i;
        
        return -1;
    

方法2：位运算

    /**
     * 题目：剑指 Offer 56 - II. 数组中数字出现的次数 II
     * 描述：在一个数组 nums 中除一个数字只出现一次之外，其他数字都出现了三次。请找出那个只出现一次的数字
     * 方法：位运算如下
     *          4:0100b
     *          4:0100b
     *          4:0100b
     *          3:0011b
     *        sum:0011(每位求和模3就是结果，可以拓展到其他数字出现了n次)
     *
     * 复杂度：时间O(N):两次遍历O(32)*O(N)
     *        空间O(1):常数辅助遍历O(1)
     */

    public static int singleNumberA(int[] nums) 
        int sum;//所有数字某个位置之和
        int res=0;//结果
        for (int j = 0; j <32; j++) 
            sum=0;
            for (int i = 0; i < nums.length; i++) 
                sum += ( (nums[i] >> j) & 1);//用"&1" 和每位测试是1或0
            
            res +=( (sum%3) << j);
        
        return res;

    

四、总结

这道题用位运算可以拓展到其他数字重复n次，具有一定的通解性。本质上利用转换为二进制之后，通过取余运算，找到独一无二的数。

位运算常见性质总结:

0 or 任何数等于其本身
0 xor 任何数等于其本身（本题用到性质）
1 and 任何数等于其本身（本题用到性质）

0 and 任何数等于0
1 or 任何数等于1
1 xor 任何数等于本身取反