位移
1:左移
左移就是把一个数的所有位都向左移动若干位,在C中用<<运算符.例如:
int i = 1;
i = i << 2; //把i里的值左移2位,就是2的2次方
i<<n //2的n次方
也就是说,1的2进制是000...0001(这里1前面0的个数和int的位数有关,32位机器,gcc里有31个0),
左移2位之后变成 000...0100,也就是10进制的4,
所以说左移1位相当于乘以2,
那么左移n位就是乘以2的n次方了(有符号数不完全适用,因为左移有可能导致符号变化,下面解释原因)
1:符号位
需要注意的一个问题是int类型最左端的符号位和移位移出去的情况.
我们知道,int是有符号的整形数,最左端的1位是符号位,即0正1负,
那么移位的时候就会出现溢出,例如:
2:溢出的情况
int i = 0x40000000; //16进制的40000000,为2进制的01000000...0000
i = i << 1;
那么,i在左移1位之后就会变成0x80000000,
也就是2进制的100000...0000,符号位被置1,
其他位全是0,变成了int类型所能表示的最小值,
32位的int这个值是-2147483648,溢出.
如果再接着把i左移1位会出现什么情况呢?
在C语言中采用了丢弃最高位的处理方法,丢弃了1之后,i的值变成了0.
左移里一个比较特殊的情况是当左移的位数超过该数值类型的最大位数时,编译器会用左移的位数去模类型的最大位数,然后按余数进行移位,如:
int i = 1, j = 0x80000000; //设int为32位
i = i << 33; // 33 % 32 = 1 左移1位,i变成2
j = j << 33; // 33 % 32 = 1 左移1位,j变成0,最高位被丢弃
在用gcc编译这段程序的时候编译器会给出一个warning,说左移位数>=类型长度.那么实际上i,j移动的就是1位,也就是33%32后的余数.在gcc下是这个规则,别的编译器是不是都一样现在还不清楚.
总之左移就是: 丢弃最高位,0补最低位
3:何为符号位
符号位就是最高为正数为0,负数为1.
这里1前面0的个数和int的位数有关,32位机器,gcc里有31个0
2:右移
右移的概念和左移相反,就是往右边挪动若干位,运算符是>>.
右移对符号位的处理和左移不同,对于有符号整数来说,比如int类型,右移会保持符号位不变,例如:
int i = 0x80000000;
i = i >> 1; //i的值不会变成0x40000000,而会变成0xc0000000
就是说,符号位向右移动后,正数的话补0,负数补1,
也就是汇编语言中的算术右移.同样当移动的位数超过类型的长度时,会取余数,然后移动余数个位.
负数10100110 >>5(假设字长为8位)，则得到的是 11111101
总之,在C中,左移是逻辑/算术左移(两者完全相同),右移是算术右移,会保持符号位不变.实际应用中可以根据情况用左/右移做快速的乘/除运算,这样会比循环效率高很多.
C语言中的移位操作，内容不多。不过有些地方你不注意，就疏忽了。
先做两个小题先。
(1)unsigned char x=3;
x<<1是多少？x>>1是多少？
(2)char x=3;
x<<1是多少？x>>1是多少？
(3)char x=-3;
x<<1是多少？x>>1是多少？
3写成二进制数是00000011；-3写成二进制数是(补码)11111101。
程序执行的时候，操作的是数值的编码表示，也就是数值在内存中的二进制表示。比如说，程序取-3的时候，就去取11111101。
(1)对无符号数3来说，x<<1往左移一位，最左边的位移掉了，最右边的移进来的位补零。变成00000110，所以结果是6；x>>1往右边移一位，由于是无符号数，所以逻辑右移，最右边一位移掉，最左边移进来的位补零，变成00000001，所以结果是1。
(2)对于有符号数3来说，x<<1往左移一位，最左边的位移掉了，最右边的移进来的位补零。变成00000110，所以结果是6；x>>1往右边移一位，由于是有符号数，可能发生逻辑右移，也可能发生算术右移，这一点，C标准并没有明确地指定是使用逻辑右移还是算术右移。但大多数的机器都使用算术右移，变成00000001，所以结果还是1。但是请注意，这只是说大多数的机器是这样的，你敢保证自己不会碰到特殊情况吗？
(3)对于有符号数-3来说，x<<1往左移一位，最左边的位移掉了，最右边的移进来的位补零。变成11111010，结果是-6。往右移一位，由于是有符号数，可能发生逻辑右移，也可能发生算术右移。大多数机器使用算术右移，变成11111110，结果是-2。
总结：左移时总是移位和补零。右移时无符号数是移位和补零，此时称为逻辑右移;而有符号数大多数情况下是移位和补最左边的位（也就是补最高有效位），移几位就补几位,此时称为算术右移。
附打印内存中字节编码的代码:
void print_char(char x)
{
unsigned char * bp=(unsigned char *)&x;
int size=sizeof(x);
for(int i=0; i<size; i++)
printf("%.2x", bp[i]);
printf(" ");
}
补码源码反码
一:原码反码补码的基础概念:
1:原码:
原码就是符号位加上真值的绝对值, 即用第一位表示符号, 其余位表示值. 比如如果是8位二进制:
[+1]原 = 0000 0001
[-1]原 = 1000 0001
第一位是符号位. 因为第一位是符号位, 所以8位二进制数的取值范围就是:
[1111 1111 , 0111 1111]
即
[-127 , 127]
原码是人脑最容易理解和计算的表示方式.
2. 反码
反码的表示方法是:
正数的反码是其本身
负数的反码是在其原码的基础上, 符号位不变，其余各个位取反.
[+1] = [00000001]原 = [00000001]反
[-1] = [10000001]原 = [11111110]反
可见如果一个反码表示的是负数, 人脑无法直观的看出来它的数值. 通常要将其转换成原码再计算.
3. 补码
补码的表示方法是:
正数的补码就是其本身
负数的补码是在其原码的基础上, 符号位不变, 其余各位取反, 最后+1. (即在反码的基础上+1)
[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补
[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补
对于负数, 补码表示方式也是人脑无法直观看出其数值的. 通常也需要转换成原码在计算其数值.
总的来说
原码 = 符号位 + 数的绝对值的二进制表示.
反码 :
正数的反码是本身
负数的反码是在原码的基础上,符号位不变各位取反
补码:
正数的补码是本身
负数的补码是在反码的基础上加一.
二:. 为何要使用原码, 反码和补码
在开始深入学习前, 我的学习建议是先"死记硬背"上面的原码, 反码和补码的表示方式以及计算方法.
现在我们知道了计算机可以有三种编码方式表示一个数. 对于正数因为三种编码方式的结果都相同:
[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补
所以不需要过多解释. 但是对于负数:
[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补
可见原码, 反码和补码是完全不同的. 既然原码才是被人脑直接识别并用于计算表示方式, 为何还会有反码和补码呢?
首先, 因为人脑可以知道第一位是符号位, 在计算的时候我们会根据符号位, 选择对真值区域的加减. (真值的概念在本文最开头). 但是对于计算机, 加减乘数已经是最基础的运算, 要设计的尽量简单. 计算机辨别"符号位"显然会让计算机的基础电路设计变得十分复杂! 于是人们想出了将符号位也参与运算的方法. 我们知道, 根据运算法则减去一个正数等于加上一个负数, 即: 1-1 = 1 + (-1) = 0 , 所以机器可以只有加法而没有减法, 这样计算机运算的设计就更简单了.
于是人们开始探索 将符号位参与运算, 并且只保留加法的方法. 首先来看原码:
计算十进制的表达式: 1-1=0
1 - 1 = 1 + (-1) = [00000001]原 + [10000001]原 = [10000010]原 = -2
如果用原码表示, 让符号位也参与计算, 显然对于减法来说, 结果是不正确的.这也就是为何计算机内部不使用原码表示一个数.
为了解决原码做减法的问题, 出现了反码:
计算十进制的表达式: 1-1=0
1 - 1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原= [0000 0001]反 + [1111 1110]反 = [1111 1111]反 = [1000 0000]原 = -0
发现用反码计算减法, 结果的真值部分是正确的. 而唯一的问题其实就出现在"0"这个特殊的数值上. 虽然人们理解上+0和-0是一样的, 但是0带符号是没有任何意义的. 而且会有[0000 0000]原和[1000 0000]原两个编码表示0.
于是补码的出现, 解决了0的符号以及两个编码的问题:
1-1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原 = [0000 0001]补 + [1111 1111]补 = [0000 0000]补=[0000 0000]原
这样0用[0000 0000]表示, 而以前出现问题的-0则不存在了.而且可以用[1000 0000]表示-128:
(-1) + (-127) = [1000 0001]原 + [1111 1111]原 = [1111 1111]补 + [1000 0001]补 = [1000 0000]补
-1-127的结果应该是-128, 在用补码运算的结果中, [1000 0000]补 就是-128. 但是注意因为实际上是使用以前的-0的补码来表示-128, 所以-128并没有原码和反码表示.(对-128的补码表示[1000 0000]补算出来的原码是[0000 0000]原, 这是不正确的)
使用补码, 不仅仅修复了0的符号以及存在两个编码的问题, 而且还能够多表示一个最低数. 这就是为什么8位二进制, 使用原码或反码表示的范围为[-127, +127], 而使用补码表示的范围为[-128, 127].
因为机器使用补码, 所以对于编程中常用到的32位int类型, 可以表示范围是: [-231, 231-1] 因为第一位表示的是符号位.而使用补码表示时又可以多保存一个最小值.
三 原码, 反码, 补码 再深入
计算机巧妙地把符号位参与运算, 并且将减法变成了加法, 背后蕴含了怎样的数学原理呢?
将钟表想象成是一个1位的12进制数. 如果当前时间是6点, 我希望将时间设置成4点, 需要怎么做呢?我们可以:
-
往回拨2个小时: 6 - 2 = 4
-
往前拨10个小时: (6 + 10) mod 12 = 4
-
往前拨10+12=22个小时: (6+22) mod 12 =4
2,3方法中的mod是指取模操作, 16 mod 12 =4 即用16除以12后的余数是4.
所以钟表往回拨(减法)的结果可以用往前拨(加法)替代!
现在的焦点就落在了如何用一个正数, 来替代一个负数. 上面的例子我们能感觉出来一些端倪, 发现一些规律. 但是数学是严谨的. 不能靠感觉.
首先介绍一个数学中相关的概念: 同余
同余的概念
两个整数a，b，若它们除以整数m所得的余数相等，则称a，b对于模m同余
记作 a ≡ b (mod m)
读作 a 与 b 关于模 m 同余。
举例说明:
4 mod 12 = 4
16 mod 12 = 4
28 mod 12 = 4
所以4, 16, 28关于模 12 同余.
负数取模
正数进行mod运算是很简单的. 但是负数呢?
下面是关于mod运算的数学定义:
上面是截图, "取下界"符号找不到如何输入(word中粘贴过来后乱码). 下面是使用"L"和"J"替换上图的"取下界"符号:
x mod y = x - y L x / y J
上面公式的意思是:
x mod y等于 x 减去 y 乘上 x与y的商的下界.
以 -3 mod 2 举例:
-3 mod 2
= -3 - 2xL -3/2 J
= -3 - 2xL-1.5J
= -3 - 2x(-2)
= -3 + 4 = 1
所以:
(-2) mod 12 = 12-2=10
(-4) mod 12 = 12-4 = 8
(-5) mod 12 = 12 - 5 = 7
开始证明
再回到时钟的问题上:
回拨2小时 = 前拨10小时
回拨4小时 = 前拨8小时
回拨5小时= 前拨7小时
注意, 这里发现的规律!
结合上面学到的同余的概念.实际上:
(-2) mod 12 = 10
10 mod 12 = 10
-2与10是同余的.
(-4) mod 12 = 8
8 mod 12 = 8
-4与8是同余的.
距离成功越来越近了. 要实现用正数替代负数, 只需要运用同余数的两个定理:
反身性:
a ≡ a (mod m)
这个定理是很显而易见的.
线性运算定理:
如果a ≡ b (mod m)，c ≡ d (mod m) 那么:
(1)a ± c ≡ b ± d (mod m)
(2)a * c ≡ b * d (mod m)
如果想看这个定理的证明, 请看:http://baike.baidu.com/view/79282.htm
所以:
7 ≡ 7 (mod 12)
(-2) ≡ 10 (mod 12)
7 -2 ≡ 7 + 10 (mod 12)
现在我们为一个负数, 找到了它的正数同余数. 但是并不是7-2 = 7+10, 而是 7 -2 ≡ 7 + 10 (mod 12) , 即计算结果的余数相等.
接下来回到二进制的问题上, 看一下: 2-1=1的问题.
2-1=2+(-1) = [0000 0010]原 + [1000 0001]原= [0000 0010]反 + [1111 1110]反
先到这一步, -1的反码表示是1111 1110. 如果这里将[1111 1110]认为是原码, 则[1111 1110]原 = -126, 这里将符号位除去, 即认为是126.
发现有如下规律:
(-1) mod 127 = 126
126 mod 127 = 126
即:
(-1) ≡ 126 (mod 127)
2-1 ≡ 2+126 (mod 127)
2-1 与 2+126的余数结果是相同的! 而这个余数, 正式我们的期望的计算结果: 2-1=1
所以说一个数的反码, 实际上是这个数对于一个膜的同余数. 而这个膜并不是我们的二进制, 而是所能表示的最大值! 这就和钟表一样, 转了一圈后总能找到在可表示范围内的一个正确的数值!
而2+126很显然相当于钟表转过了一轮, 而因为符号位是参与计算的, 正好和溢出的最高位形成正确的运算结果.
既然反码可以将减法变成加法, 那么现在计算机使用的补码呢? 为什么在反码的基础上加1, 还能得到正确的结果?
2-1=2+(-1) = [0000 0010]原 + [1000 0001]原 = [0000 0010]补 + [1111 1111]补
如果把[1111 1111]当成原码, 去除符号位, 则:
[0111 1111]原 = 127
其实, 在反码的基础上+1, 只是相当于增加了膜的值:
(-1) mod 128 = 127
127 mod 128 = 127
2-1 ≡ 2+127 (mod 128)
此时, 表盘相当于每128个刻度转一轮. 所以用补码表示的运算结果最小值和最大值应该是[-128, 128].
但是由于0的特殊情况, 没有办法表示128, 所以补码的取值范围是[-128, 127]
时间复杂度
1:什么是时间复杂度
作为一个处在学习之路的渣渣，被一个时间复杂度的题给难倒了，然后我就思考了一下什么是时间复杂度。虽然在学校学习了了算法的课程，但是仔细一想，对于时间复杂度还真是不怎么懂。于是重新学习，记下自己的一些理解。
1.时间复杂度
提到时间复杂度，第一时间想到的是算法，简单说，算法就是你解决问题的方法，而你用这个方法解决这个问题所执行的语句次数，称为语句频度或者时间频度，记为T(n)。
那么问题来了，我们为什么要引入这些个概念呢。因为我们想要的是执行一个算法耗费的时间，这个时间理论上可以得到，但是，要得到这个时间就必须要上机测试，但是有这个必要吗？我们需要知道的是哪一个算法需要的时间多，哪一个算法需要的时间少，这样就可以了。而且，算法的耗时和语句的执行次数是成正比的，即语句执行越多，耗时越多。这也就是我们引入概念的原因。
在上面提到的时间频度T(n)中，n是指算法的规模，n不断的变化，T(n)就会不断的变化，而这些变化的规律是怎样的呢？于是我们引入了时间复杂度的概念。
什么是时间复杂度，算法中某个函数有n次基本操作重复执行，用T(n)表示，现在有某个辅助函数f(n),使得当n趋近于无穷大时，T（n)/f(n)的极限值为不等于零的常数，则称f(n)是T(n)的同数量级函数。
记作T(n)=O(f(n)),称O(f(n)) 为算法的渐进时间复杂度，简称时间复杂度。
通俗一点讲，其实所谓的时间复杂度，就是找了一个同样曲线类型的函数f(n)来表示这个算法的在n不断变大时的趋势 。
当输入量n逐渐加大时，时间复杂性的极限情形称为算法的“渐近时间复杂性”。
我们用大O表示法表示时间复杂性，它是一个算法的时间复杂性。大O表示只是说有上界但并不是上确界。
“大O记法”：在这种描述中使用的基本参数是 n，即问题实例的规模，把复杂性或运行时间表达为n的函数。
这里的“O”表示量级 (order)，比如说“二分检索是 O(logn)的”,也就是说它需要“通过logn量级的步骤去检索一个规模为n的数组”记法 O ( f(n) )表示当 n增大时，运行时间至多将以正比于 f(n)的速度增长。
时间复杂度对于算法进行的分析和大致的比较非常有用，但是真正的情况可能会因为一些其他因素造成差异。
比如一个低附加代价的O(n2)算法在n较小的情况下可能比一个高附加代价的 O(nlogn)算法运行得更快。但是，n越来越大以后，相比较而言较慢上升函数的算法会运行的更快。
上面我引用了一些专业的定义，可能并不是太好理解，下面会写一些常出现的算法时间复杂度和一些实例来解释一下。
2:简单算法的时间复杂度
列举一些简单例子的时间复杂度。
O(1)的算法是一些运算次数为常数的算法。例如：
temp=a;
a=b;
b=temp;
上面语句共三条操作，单条操作的频度为1，即使他有成千上万条操作，也只是个较大常数，这一类的时间复杂度为O(1)。
O(n)的算法是一些线性算法。例如：
sum=0；
for(i=0;i<n;i++)
sum++；
上面代码中第一行频度1，第二行频度为n，第三行频度为n，
所以f(n)=n+n+1=2n+1。所以时间复杂度O(n)。这一类算法中操作次数和n正比线性增长。
O(logn) 一个算法如果能在每个步骤去掉一半数据元素，如二分检索，通常它就取 O(logn)时间。举个栗子：
int i=1;
while (i<=n)
i=i*2;
上面代码设第三行的频度是f(n), 则：2的f(n)次方<=n;f(n)<=log₂n，取最大值f(n)= log₂n，所以T(n)=O(log₂n ) 。
O(n²)（n的k次方的情况）最常见的就是平时的对数组进行排序的各种简单算法都是O(n²)，例如直接插入排序的算法。
而像矩阵相乘算法运算则是O(n³)。
举个简单栗子：
sum=0；
for(i=0;i<n;i++)
for(j=0;j<n;j++)
sum++；
第一行频度1，第二行n，第三行n²，第四行n²，T(n)=2n²+n+1 =O(n²)O(2的n次方) 比如求具有n个元素集合的所有子集的算法
O(n!) 比如求具有N个元素的全排列的算法
时间复杂度按n越大算法越复杂来排的话：常数阶O(1)、对数阶O(logn)、线性阶O(n)、线性对数阶O(nlogn)、平方阶O(n²)、立方阶O(n³)、……k次方阶O(n的k次方)、指数阶O(2的n次方)。
既然说到了这个复杂排序，就必须再多说几句。我们还需要区分算法最坏情况的行为和期望行为。就比如说快速排序，最坏情况运行时间是 O(n²)，但期望时间是O(nlogn)。但是我们只要通过一些手段，可以避免最坏情况发生，所以在实际情况中，精心设计的快速排序都能以期望时间运行。
最后再提一下指数的情况。指数算法一般来说太复杂了，所以实际情况下如果不是迫不得已不要用时间复杂度为指数的算法，除非n特别小。