本话题要讨论的是一道面试题目:交换两个变量的值。两个变量而已,看似再简单不过了,不过一道简单的题目可以使用多种方式来完成, 其中有比较普通的实现, 也有相对高明的实现,虽然是一道简单的题目,但是通过面试者对该题目的认知能力,就可以看出面试者的水平。

重点摘要:

1 通过中间变量交换。

2 通过求和与求差交换。

3 通过异或交换。

通过第 3 个变量

首先,我们给出最简单的方式。

【例】 交换两个变量的值。

package chapter2;
2.
3. public class Swap {
4. public static void main(String[] args) {
5. int x = 5;
6. int y = 10;
7. swap(x, y);
8. System.out.println(x);
9. System.out.println(y);
10. Value v = new Value(5, 10);
11. swap(v);
12. System.out.println(v.x);
13. System.out.println(v.y);
14. }
15. //无效的交换
16. public static void swap(int x, int y) {
17. int temp = x;
18. x = y;
19. y = temp;
20. }
21. //有效的交换
22. public static void swap(Value value) {
23. int temp = value.x;
24. value.x = value.y;
25. value.y = temp;
26. }
27.}
28.
29.class Value {
30. int x;
31. int y;
32.
33. public Value(int x, int y) {
34. this.x = x;
35. this.y = y;
36. }
37.}


程序运行结果如下:

5
10
10
5


这个程序同时给出了有效的交换(第2226 行)与无效的交换(第1620 行)。因为形参的改变是无法反作用于实参的,所以不能使用变量交换的方式,而是要使用通过引用来修改其成员变量的方式。这就类似与C / C++的语言中的指针效果。

通过相加的方式

 

通过第3个临时变量,可以成功交换两个变量的值,不过,有时,面试题目的要求会比较苛刻,就是不允许借助于临时变量。这样,就有些复杂了。
【例】 交换两个变量的值2

 

package chapter2;
2.
3. public class Swap2 {
4. public static void main(String[] args) {
5. Value v1 = new Value(5, 10);
6. swap(v1);
7. System.out.println("v1
的交换结果:
");
8. System.out.println(v1.x);
9. System.out.println(v1.y);
10. Value v2 = new Value(1200000000, 1500000000);
11. swap(v2);
12. System.out.println("v2
的交换结果:
");
13. System.out.println(v2.x);
14. System.out.println(v2.y);
15. Value v3 = new Value(-1200000000, -1500000000);
16. swap(v3);
17. System.out.println("v3
的交换结果:
");
18. System.out.println(v3.x);
19. System.out.println(v3.y);
20. }
21.
22. public static void swap(Value v) {
23. v.x = v.x + v.y;
24. v.y = v.x - v.y;
25. v.x = v.x -v.y;
26. }
27.}


程序运行结果如下:

v1的交换结果:

10
5

v2的交换结果:

1500000000
1200000000

v3的交换结果:

-1500000000
-1200000000


核心部分就是swap 方法(第2226 行),该方法的3 条语句解释为:

v.x = v.x + v.y; //
将
v.x
与
v.y
的和存储在
v.x
中
v.y = v.x - v.y; //v.x – v.y
的值就是以前
v.x
的值,赋值给
v.y
v.x = v.x -v.y; //v.x – v.y
的值就是以前
v.y
的值,赋值给
v.x


这样,没有通过临时变量,也同样交换了两个变量的值。也许上面的方法一时不太容易理解,那么可以这样考虑:

int z = v.x + v.y;v.y = z – v.y;v.x = z - v.y;


只不过这里使用另外一个变量z,而上面使用v.x 来存储v.x v.y 的和,但是交换的效果是相同的。
注意程序的第10 行与第15 行,v.x v.y 的初始值非常大(小),这样一来,当执行swap方法时(以第10 行为例):

v.x = v.x + v.y;


 

十六进制求和如下所示:

47868c00
(
v.x
)
+ 59682f00
(
v.y
)
结果:
a0eebb00
(
v.x + v.y
)


注意这个结果的最高位为1,结果为负数(十进制值为1594967296,也就是v.x v.y 的和已经超过了int 类型的最大(小)值,发生溢出。
执行接下来的语句:

 

v.y = v.x - v.y;


这个计算就是使用溢出后的值1594967296减去v.y1500000000),从int 类型的求差角度来说,结果再一次溢出了,十六进制求差如下所示:

a0eebb00
(
v.x + v.y
)
 
59682f00
(
v.y
)
结果:
47868c00
(结果
v.y
)


经过两次溢出以后,又再次得出了我们期望的值。同样,swap 方法的第3 条语句:

v.x = v.x -v.y;


a0eebb00
(
v.x + v.y
)
 
47868c00
(
v.y
)


结果:59682f00(结果v.x
也是发生了溢出,不过最后的差值也得出了期望的结果。可以看出,当两个数之和很大(小)时,虽然发生了溢出,不过最后还是阴差阳错地得到了正确的结果。尽管结果正确,这种相加的方式还不算十分可取。

 

通过异或的方式

位异或运算符(^)有这样一个性质,就是两个整型数据x y,有:

(x ^ y ^ y) == x

 

这说明,如果一个变量x 异或另外一个变量y 两次,结果为x。通过这一点,可以实现交换变量的值。

【例】交换两个变量的值3

 

  1. 1.package chapter2;
    2.
    3. public class Swap3 {
    4. public static void main(String[] args) {
    5. Value v = new Value(5, 10);
    6. swap(v);
    7. System.out.println(v.x);
    8. System.out.println(v.y);
    9. }
    10.
    11. public static void swap(Value v) {
    12. v.x = v.x ^ v.y;
    13. v.y = v.x ^ v.y;
    14. v.x = v.x ^ v.y;
    15. }
    16.}

程序运行结果如下:

10
5


swap 方法(第1115 行)并不复杂,只有3 条语句:

v.x = v.x ^ v.y; (1)
v.y = v.x ^ v.y; (2)
v.x = v.x ^ v.y; (3)


可以这样看:执行(1)后,v.x 的值就是v.x(异或运算之前的值)与v.y 异或后的结果。类似数学上的代入法,将v.x(值为v.x ^ v.y)代入(2)中,于是(2)赋值运算符(=右侧的表达式相当于:

v.x ^ v.y ^ v.y //v.x与v.y都是运算之前的值


这个值就是v.x(异或运算之前的值)、然后赋值给左侧的v.y。此时,v.y 的值就是异或运算之前v.x 的值。然后将v.x(值为v.x ^ v.y)、v.y(值为异或运算之前v.x 的值)代入(3)中赋值运算符右侧,代入后表达式相当于:

v.x ^ v.y ^ v.x //v.x与v.y都是运算之前的值

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这个值就是v.y,然后赋值给v.x,至此,完成两个变量的交换。异或方式要比相加方式更加可取,因为异或运算不涉及溢出。综合这3 种方式而言,第1 种方式最容易理解,第3 种方式相对成熟老练,如果是个人编写程序,建议还是使用最简单的方式,这样不容易出错,而且代码具有可读性,便于后期的维护,如果是在面试过程中,那就可以选择第3 种方式来证明下自己的能力。

总结:

  1. 1.      一个变量x 异或另一个变量y 两次,结果的值为x
    2. 异或运算可以交换两个变量的值,并且这种方式比相加交换的方式更可取些。

 

举一反三
既然相加(第2 种方式)能够实现交换两个变量的值,那么相减肯定也能实现。编写一个程序,不要借助第3 个临时变量,实现相减操作交换两个变量的值。

本文作者梁勇出自柠檬派,请注明出处