用位运算实现四则运算之加减乘除（用位运算求一个数的1/3）
2016-03-06 21:03
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http://blog.csdn.net/hackbuteer1/article/details/7390093
听同学百度二面中，不准用四则运算操作符来实现四则运算。一想就想到了计算机组成原理上学过的。位运算的思想可以应用到很多地方，这里简单的总结一下用位运算来实现整数的四则运算。
加法运算：
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int AddWithoutArithmetic(int num1,int num2)
{
if(num2==0) return num1;//没有进位的时候完成运算
int sum,carry;
sum=num1^num2;//完成第一步没有进位的加法运算
carry=(num1&num2)<<1;//完成第二步进位并且左移运算
return AddWithoutArithmetic(sum,carry);//进行递归，相加
}
简化一下：
[cpp] view
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int Add(int a,int b)
{
return b ? Add(a^b,(a&b)<<1) : a;
/*if(b)
return Add(a^b,(a&b)<<1);
else
return a;*/
}
上面的思路就是先不计进位相加，然后再与进位相加，随着递归，进位会变为0，递归结束。
非递归的版本如下：
[cpp] view
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int Add(int a, int b)
{
int ans;
while(b)
{ //直到没有进位
ans = a^b; //不带进位加法
b = ((a&b)<<1); //进位
a = ans;
}
return a;
}
减法运算：
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//这个和加法一样了，首先取减数的补码，然后相加。
int negtive(int a) //取补码
{
return Add(~a, 1);
}
int Sub(int a, int b)
{
return Add(a, negtive(b));
}
正数乘法运算：
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//正数乘法运算
int Pos_Multiply(int a,int b)
{
int ans = 0;
while(b)
{
if(b&1)
ans = Add(ans, a);
a = (a<<1);
b = (b>>1);
}
return ans;
}
整数除法（正整数）
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//除法就是由乘法的过程逆推，依次减掉（如果x够减的）y^(2^31),y^(2^30),...y^8,y^4,y^2,y^1。减掉相应数量的y就在结果加上相应的数量。
int Pos_Div(int x,int y)
{
int ans=0;
for(int i=31;i>=0;i--)
{
//比较x是否大于y的(1<<i)次方，避免将x与(y<<i)比较，因为不确定y的(1<<i)次方是否溢出
if((x>>i)>=y)
{
ans+=(1<<i);
x-=(y<<i);
}
}
return ans;
}
完整的实现：
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// 加减乘除位运算
// 程序中实现了比较大小、加减乘除运算。所有运算都用位操作实现
// 在实现除法运算时，用了从高位到低位的减法
// 具体如下，算法也比较简单，所以没有作注释
#include<iostream>
#include<cstdio>
using namespace std;
int Add(int a, int b)
{
int ans;
while(b)
{ //直到没有进位
ans = a^b; //不带进位加法
b = ((a&b)<<1); //进位
a = ans;
}
return a;
}
//这个和加法一样了，首先取减数的补码，然后相加。
int negtive(int a) //取补码
{
return Add(~a, 1);
}
int Sub(int a, int b)
{
return Add(a, negtive(b));
}
// 判断正负
int ispos( int a )
{ //正
return (a&0xFFFF) && !(a&0x8000);
}
int isneg( int a )
{ //负
return a&0x8000;
}
int iszero( int a )
{ //0
return !(a&0xFFFF);
}
//正数乘法运算
int Pos_Multiply(int a,int b)
{
int ans = 0;
while(b)
{
if(b&1)
ans = Add(ans, a);
a = (a<<1);
b = (b>>1);
}
return ans;
}
//乘法运算
int Multiply(int a,int b)
{
if( iszero(a) || iszero(b) )
return 0;
if( ispos(a) && ispos(b) )
return Pos_Multiply(a, b);
if( isneg(a) )
{
if( isneg(b) )
{
return Pos_Multiply( negtive(a), negtive(b) );
}
return negtive( Pos_Multiply( negtive(a), b ) );
}
return negtive( Pos_Multiply(a, negtive(b)) );
}
//除法就是由乘法的过程逆推，依次减掉（如果x够减的）y^(2^31),y^(2^30),...y^8,y^4,y^2,y^1。减掉相应数量的y就在结果加上相应的数量。
int Pos_Div(int x,int y)
{
int ans=0;
for(int i=31;i>=0;i--)
{
//比较x是否大于y的(1<<i)次方，避免将x与(y<<i)比较，因为不确定y的(1<<i)次方是否溢出
if((x>>i)>=y)
{
ans+=(1<<i);
x-=(y<<i);
}
}
return ans;
}
//除法运算
int MyDiv( int a, int b )
{
if( iszero(b) )
{
cout << "Error" << endl;
exit(1);
}
if( iszero(a) )
return 0;
if( ispos(a) )
{
if( ispos(b) )
return Pos_Div(a, b);
return negtive( Pos_Div( a, negtive(b)) );
}
if( ispos(b) )
return negtive( Pos_Div( negtive(a), b ) );
return Pos_Div( negtive(a), negtive(b) );
}
// 比较两个正数的大小（非负也可）
int isbig_pos( int a, int b )
{ //a>b>0
int c = 1;
b = (a^b);
if( iszero(b) )
return 0;
while( b >>= 1 )
{
c <<= 1;
}
return (c&a);
}
// 比较两个数的大小
int isbig( int a, int b )
{ //a>b
if( isneg(a) )
{
if( isneg(b) )
{
return isbig_pos( negtive(b), negtive(a) );
}
return 0;
}
if( isneg(b) )
return 1;
return isbig_pos(a, b);
}
扩展：在不使用*、/、+、-、%操作符的情况下，如何求一个数的1/3？（用C语言实现）
使用位操作符并实现“+”操作
[cpp] view
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// 替换加法运算符
int add(int x , int y)
{
int res;
while(y) // 直到没有进位
{
res = x^y; // 不带进位的加法
y = ((x&y)<<1); // 进位
x = res;
}
return x;
}
int divideby3(int num)
{
int sum = 0;
while(num > 3)
{
sum = add(num>>2 , sum);
num = add(num>>2 , num&3);
}
if(num == 3)
sum = add(sum , 1);
return sum;
}
原理：n = 4 * a + b; n / 3 = a + (a + b) / 3; 然后 sum += a, n = a + b 并迭代; 当 a == 0 (n < 4)时，sum += floor(n / 3); i.e. 1, if n == 3, else 0
听同学百度二面中，不准用四则运算操作符来实现四则运算。一想就想到了计算机组成原理上学过的。位运算的思想可以应用到很多地方，这里简单的总结一下用位运算来实现整数的四则运算。
加法运算：
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int AddWithoutArithmetic(int num1,int num2)
{
if(num2==0) return num1;//没有进位的时候完成运算
int sum,carry;
sum=num1^num2;//完成第一步没有进位的加法运算
carry=(num1&num2)<<1;//完成第二步进位并且左移运算
return AddWithoutArithmetic(sum,carry);//进行递归，相加
}
简化一下：
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int Add(int a,int b)
{
return b ? Add(a^b,(a&b)<<1) : a;
/*if(b)
return Add(a^b,(a&b)<<1);
else
return a;*/
}
上面的思路就是先不计进位相加，然后再与进位相加，随着递归，进位会变为0，递归结束。
非递归的版本如下：
[cpp] view
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int Add(int a, int b)
{
int ans;
while(b)
{ //直到没有进位
ans = a^b; //不带进位加法
b = ((a&b)<<1); //进位
a = ans;
}
return a;
}
减法运算：
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//这个和加法一样了，首先取减数的补码，然后相加。
int negtive(int a) //取补码
{
return Add(~a, 1);
}
int Sub(int a, int b)
{
return Add(a, negtive(b));
}
正数乘法运算：
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//正数乘法运算
int Pos_Multiply(int a,int b)
{
int ans = 0;
while(b)
{
if(b&1)
ans = Add(ans, a);
a = (a<<1);
b = (b>>1);
}
return ans;
}
整数除法（正整数）
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//除法就是由乘法的过程逆推，依次减掉（如果x够减的）y^(2^31),y^(2^30),...y^8,y^4,y^2,y^1。减掉相应数量的y就在结果加上相应的数量。
int Pos_Div(int x,int y)
{
int ans=0;
for(int i=31;i>=0;i--)
{
//比较x是否大于y的(1<<i)次方，避免将x与(y<<i)比较，因为不确定y的(1<<i)次方是否溢出
if((x>>i)>=y)
{
ans+=(1<<i);
x-=(y<<i);
}
}
return ans;
}
完整的实现：
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// 加减乘除位运算
// 程序中实现了比较大小、加减乘除运算。所有运算都用位操作实现
// 在实现除法运算时，用了从高位到低位的减法
// 具体如下，算法也比较简单，所以没有作注释
#include<iostream>
#include<cstdio>
using namespace std;
int Add(int a, int b)
{
int ans;
while(b)
{ //直到没有进位
ans = a^b; //不带进位加法
b = ((a&b)<<1); //进位
a = ans;
}
return a;
}
//这个和加法一样了，首先取减数的补码，然后相加。
int negtive(int a) //取补码
{
return Add(~a, 1);
}
int Sub(int a, int b)
{
return Add(a, negtive(b));
}
// 判断正负
int ispos( int a )
{ //正
return (a&0xFFFF) && !(a&0x8000);
}
int isneg( int a )
{ //负
return a&0x8000;
}
int iszero( int a )
{ //0
return !(a&0xFFFF);
}
//正数乘法运算
int Pos_Multiply(int a,int b)
{
int ans = 0;
while(b)
{
if(b&1)
ans = Add(ans, a);
a = (a<<1);
b = (b>>1);
}
return ans;
}
//乘法运算
int Multiply(int a,int b)
{
if( iszero(a) || iszero(b) )
return 0;
if( ispos(a) && ispos(b) )
return Pos_Multiply(a, b);
if( isneg(a) )
{
if( isneg(b) )
{
return Pos_Multiply( negtive(a), negtive(b) );
}
return negtive( Pos_Multiply( negtive(a), b ) );
}
return negtive( Pos_Multiply(a, negtive(b)) );
}
//除法就是由乘法的过程逆推，依次减掉（如果x够减的）y^(2^31),y^(2^30),...y^8,y^4,y^2,y^1。减掉相应数量的y就在结果加上相应的数量。
int Pos_Div(int x,int y)
{
int ans=0;
for(int i=31;i>=0;i--)
{
//比较x是否大于y的(1<<i)次方，避免将x与(y<<i)比较，因为不确定y的(1<<i)次方是否溢出
if((x>>i)>=y)
{
ans+=(1<<i);
x-=(y<<i);
}
}
return ans;
}
//除法运算
int MyDiv( int a, int b )
{
if( iszero(b) )
{
cout << "Error" << endl;
exit(1);
}
if( iszero(a) )
return 0;
if( ispos(a) )
{
if( ispos(b) )
return Pos_Div(a, b);
return negtive( Pos_Div( a, negtive(b)) );
}
if( ispos(b) )
return negtive( Pos_Div( negtive(a), b ) );
return Pos_Div( negtive(a), negtive(b) );
}
// 比较两个正数的大小（非负也可）
int isbig_pos( int a, int b )
{ //a>b>0
int c = 1;
b = (a^b);
if( iszero(b) )
return 0;
while( b >>= 1 )
{
c <<= 1;
}
return (c&a);
}
// 比较两个数的大小
int isbig( int a, int b )
{ //a>b
if( isneg(a) )
{
if( isneg(b) )
{
return isbig_pos( negtive(b), negtive(a) );
}
return 0;
}
if( isneg(b) )
return 1;
return isbig_pos(a, b);
}
扩展：在不使用*、/、+、-、%操作符的情况下，如何求一个数的1/3？（用C语言实现）
使用位操作符并实现“+”操作
[cpp] view
plain copy
// 替换加法运算符
int add(int x , int y)
{
int res;
while(y) // 直到没有进位
{
res = x^y; // 不带进位的加法
y = ((x&y)<<1); // 进位
x = res;
}
return x;
}
int divideby3(int num)
{
int sum = 0;
while(num > 3)
{
sum = add(num>>2 , sum);
num = add(num>>2 , num&3);
}
if(num == 3)
sum = add(sum , 1);
return sum;
}
原理：n = 4 * a + b; n / 3 = a + (a + b) / 3; 然后 sum += a, n = a + b 并迭代; 当 a == 0 (n < 4)时，sum += floor(n / 3); i.e. 1, if n == 3, else 0
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