Java实现使用位图生成真值组合

摘要： 使用位图生成真值组合。

难度： 初级。

 

/**
 * 问题描述： 给定 n 个布尔变量，打印所有真值组合。
 * 例如， n = 2 时 ， 所有真值组合为 (true, false),(true, true),(false, true),(false, false).
 *
 * 算法的基本思路：
 * 使用一个长度为 n 的数组存储着 n 个布尔变量；位 1 表示 true , 位 0 表示 false,
 * 生成每一个真值元组，实际上是生成一个由 0 和 1 表示的 数组。
 *
 * 生成每一个真值元组的方法：从零开始，逐次加一。
 * 比如  000 -> 001 -> 010 -> 011 -> 100 -> 101 -> 110 -> 111
 *
 * 具体算法：
 * 每次都从最低位开始，将最低位作【置 一】处理 ：
 * ①  如果最低位是 0 ， 则置 1 即可【不进位】；
 * ②  如果最低位为 1 ， 则置 0 ； 由于有进位，进一步将次低位作【置一】处理。
 *    直至某一位由 0 置 1 为止 【不进位】。
 *
 * 例如： 011 :
 * ①  最低位为1， 置 0 ， 并进位；
 * ②  次低位为1， 置 0 ， 并进位；
 * ③  次次低位为 0 ， 置 1。 结果为 100
 *
 *
 * 技巧：
 * ① 由于这里只涉及置 1 或 置 0 ， 实际上就是置 true 或 置 false ，
 *   因此， 可以直接在数组里存储布尔值，并不必要在 1,0 和 true, false 之间转换。
 *
 * ②  设置一个结束标识变量 endflag ，当 1..1 -> 0..0 时 设置为 true
 *
 */

package algorithm;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;

public class Combination {

       private boolean[] combination ;
       private long count;
       private boolean endflag;

       public Combination(int n) {
              if (n <= 0)
                     throw new IllegalArgumentException("参数必须为正整数");
              if (combination == null) {
                     combination = new boolean[n];
                     count = 0;
                     endflag = false;
              }
       }

       /**
        * 求解问题，打印所有的真值组合结果。
        *
        */
       public void solution()
       {
              System.out.println("n = " + combination.length + " ***** 所有真值组合： ");
              do {
                     System.out.println(getOneTuple());
                     count++;
                     increOne();
              } while(!terminate());
              System.out.println("真值组合数： " + count);
       }

       /**
        * 逐次加一，生成每一个真值元组
        *
        */
       private void increOne()
       {
              int i;
              for (i=0; i < combination.length; i++) {
                     // 若为 0 ，则置 1 ， 结束。
                     if (combination[i] == false) {
                            combination[i] = true;
                            break;
                     }
                     else {
                            // 若为 1， 则置 0， 并通过 i++ 转至次低位进行相同处理
                            combination[i] = false;
                     }
              }
              // 由 1..1 -> 0..0 时, 设置 endflag = true;
              if (i == combination.length) { endflag = true; }
       }

       /**
        *  根据整数数组表示生成的真值元组，转化为布尔数组表示生成的真值元组。
        *
        */
    private String getOneTuple()
    {
           StringBuilder tuple = new StringBuilder("(");
           for (int i=0; i < combination.length; i++) {
                  tuple.append(combination[i]);
                  tuple.append(",");
           }
           // 删除 多余的 逗号
           tuple.deleteCharAt(tuple.length()-1);
           tuple.append(")");
           return tuple.toString();
    }

   /**
    * 终止条件： 结束标识符 endflag = true;
    *
    */
    private boolean terminate()
    {
           return endflag == true;
    }

       public static void main(String[] args) {
              BufferedReader stdin = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in));
              try {
                     String s = null;
                     while ((s = stdin.readLine()).matches("[1-9][0-9]*")) {
                               int n = Integer.parseInt(s);
                               System.out.println("n = " + n);
                            Combination c = new Combination(n);
                            c.solution();
                     }
              } catch (IOException e) {
                     e.printStackTrace();
              } catch (Exception e) {
                     System.out.println(e.getMessage());
                     e.printStackTrace();
              }
//            Combination c = new Combination(3);
//            c.solution();
       }

}

算法分析：

总的运行时间由两部分组成： 置一处理时间 和 判断结束时间。

T(n) = setBit(n) + judgeEnd(n)

其中： judgeEnd(n) = 2^n ，因为从 0..0 -> 1..1 -> 0..0 每次变换做一个简单的比较操作，endflag == true ，总共花时 2^n

下面计算 setBit(n) :

n = 1 时 0 -> 1   setBit(1) = 1;

n = 2 时 00-> 01 -> 10 -> 11   setBit(2) = 121 【置位次数：1+2+1】

n = 3 时 000 –> 001 -> 010 -> 011 -> 100 -> 101 -> 110 -> 111 setBit(3) = 1213121

n = 4 时 0000 -> 0001 -> 0010 -> 0011 -> 0100 -> 0101 -> 0110 -> 0111 -> 1000 -> 1001 -> .. -> 1111 setBit(4) = 121312141213121

归纳可得：

setBit(n) = n + 2setBit(n-1)  setBit(1) = 1 ； 解得： setBit(n) = O(n^2)

故 T(n) = 2^n