LeetCode 136. 只出现一次的数字

Question

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两次。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: [2,2,1]
输出: 1
示例 2:

输入: [4,1,2,1,2]
输出: 4

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前置知识

• 位运算

公司

• 阿里
• 腾讯
• 百度
• 字节

思路

根据题目描述，由于加上了时间复杂度必须是 O(n)，并且空间复杂度为 O(1)的条件，因此不能用排序方法，也不能使用 map 数据结构。我们可以利用二进制异或的性质来完成，将所有数字异或即得到唯一出现的数字。

关键点

1. 异或的性质 两个数字异或的结果 a^b 是将 a 和 b 的二进制每一位进行运算，得出的数字。 运算的逻辑是 如果同一位的数字相同则为 0，不同则为 1
2. 异或的规律
3. 任何数和本身异或则为 0
4. 任何数和 0 异或是 本身
5. 很多人只是记得异或的性质和规律，但是缺乏对其本质的理解，导致很难想到这种解法（我本人也没想到）
6. bit 运算

代码

• 语言支持：JS，C，C++，Java，Python

JavaScrip Code：

/**
 * @param {number[]} nums
 * @return {number}
 */
var singleNumber = function (nums) {
  let ret = 0;
  for (let index = 0; index < nums.length; index++) {
    const element = nums[index];
    ret = ret ^ element;
  }
  return ret;
};

C Code：

int singleNumber(int* nums, int numsSize){
    int res=0;
    for(int i=0;i<numsSize;i++)
    {
        res ^= nums[i];
    }

    return res;
}

C++ Code：

class Solution {
public:
    int singleNumber(vector<int>& nums) {
        auto ret = 0;
        for (auto i : nums) ret ^= i;
        return ret;
    }
};

// C++ one-liner
class Solution {
public:
    int singleNumber(vector<int>& nums) {
        return accumulate(nums.cbegin(), nums.cend(), 0, bit_xor<int>());
    }
};

Java Code：

class Solution {
    public int singleNumber(int[] nums) {
        int res = 0;
        for(int n:nums)
        {
            // 异或
            res ^= n;
        }
        return res;
    }
}

Python Code:

class Solution:
    def singleNumber(self, nums: List[int]) -> int:
        single_number = 0
        for num in nums:
            single_number ^= num
        return single_number

复杂度分析

• 时间复杂度：$O(N)$
• 空间复杂度：$O(1)$

延伸

有一个 n 个元素的数组，除了两个数只出现一次外，其余元素都出现两次，让你找出这两个只出现一次的数分别是几，要求时间复杂度为 O(n) 且再开辟的内存空间固定（与 n 无关)。

和上面一样，只是这次不是一个数字，而是两个数字。还是按照上面的思路，我们进行一次全员异或操作， 得到的结果就是那两个只出现一次的不同的数字的异或结果。

我们刚才讲了异或的规律中有一个 任何数和本身异或则为 0 ， 因此我们的思路是能不能将这两个不同的数字分成两组 A 和 B。 分组需要满足两个条件.

1. 两个独特的的数字分成不同组
2. 相同的数字分成相同组

这样每一组的数据进行异或即可得到那两个数字。

问题的关键点是我们怎么进行分组呢？

由于异或的性质是，同一位相同则为 0，不同则为 1. 我们将所有数字异或的结果一定不是 0，也就是说至少有一位是 1.

我们随便取一个， 分组的依据就来了， 就是你取的那一位是 0 分成 1 组，那一位是 1 的分成一组。 这样肯定能保证 2. 相同的数字分成相同组 , 不同的数字会被分成不同组么。 很明显当然可以， 因此我们选择是 1，也就是 说 两个独特的的数字 在那一位一定是不同的，因此两个独特元素一定会被分成不同组。