Как работает переопределение переменных XOR?

Может кто-нибудь объяснить мне, как работает XOR замена двух переменных без изменения temp?

void xorSwap (int *x, int *y)
{
    if (x != y) {
        *x ^= *y;
        *y ^= *x;
        *x ^= *y;
    }
}

Я понимаю, ЧТО это делает, но может ли кто-нибудь пройти меня через логику того, как это работает?

Ответ 1

Вы можете увидеть, как это работает, выполнив замену:

x1 = x0 xor y0
y2 = x1 xor y0
x2 = x1 xor y2

Подставив,

x1 = x0 xor y0
y2 = (x0 xor y0) xor y0
x2 = (x0 xor y0) xor ((x0 xor y0) xor y0)

Поскольку xor является полностью ассоциативным и коммутативным:

y2 = x0 xor (y0 xor y0)
x2 = (x0 xor x0) xor (y0 xor y0) xor y0

Так как x xor x == 0 для любого x,

y2 = x0 xor 0
x2 = 0 xor 0 xor y0

А так как x xor 0 == x для любого x,

y2 = x0
x2 = y0

И обмен сделан.

Ответ 2

Другие люди объяснили это, теперь я хочу объяснить, почему это была хорошая идея, но теперь это не так.

В тот же день, когда у нас были простые одноцилиндровые или многоцилиндровые процессоры, было дешевле использовать этот трюк, чтобы избежать дорогостоящих разломов памяти или проливных регистров в стек. Однако теперь у нас есть процессоры с массивными конвейерами. Конвейер P4 варьировался от 20 до 31 (или около того) этапов в их трубопроводах, где любая зависимость между чтением и записью в регистр может привести к остановке всего этого. Обмен xor имеет очень тяжелые зависимости между A и B, которые на самом деле не имеют никакого значения, но на практике останавливают трубопровод. Замедленный конвейер вызывает медленный путь кода, и если этот обмен в вашем внутреннем цикле, вы будете двигаться очень медленно.

В общей практике ваш компилятор может выяснить, что вы действительно хотите сделать, когда вы выполняете обмен с переменной temp и можете скомпилировать его в одну инструкцию XCHG. Использование xor swap усложняет компилятор для угадывания ваших намерений и, следовательно, гораздо реже оптимизирует его. Не говоря уже об обслуживании кода и т.д.

Ответ 3

Мне нравится думать об этом графически, а не численно.

Скажем, вы начинаете с x = 11 и y = 5 В двоичном (и я буду использовать гипотетическую 4-битную машину), здесь x и y

       x: |1|0|1|1|   -> 8 + 2 + 1
       y: |0|1|0|1|   -> 4 + 1

Теперь для меня XOR является инвертированной операцией, и сделать это дважды - это зеркало:

     x^y: |1|1|1|0|
 (x^y)^y: |1|0|1|1|   <- ooh!  Check it out - x came back
 (x^y)^x: |0|1|0|1|   <- ooh!  y came back too!

Ответ 4

Здесь один, который должен быть немного легче grock:

int x = 10, y = 7;

y = x + y; //x = 10, y = 17
x = y - x; //x = 7, y = 17
y = y - x; //x = 7, y = 10

Теперь понять XOR-трюк немного легче, понимая, что ^ можно рассматривать как + или. Точно так же:

x + y - ((x + y) - x) == x

поэтому:

x ^ y ^ ((x ^ y) ^ x) == x

Ответ 5

Причина, по которой это работает, заключается в том, что XOR не теряет информации. Вы могли бы сделать то же самое с обычным добавлением и вычитанием, если бы могли игнорировать переполнение. Например, если переменная пара A, B изначально содержит значения 1,2, вы можете поменять их следующим образом:

 // A,B  = 1,2
A = A+B // 3,2
B = A-B // 3,1
A = A-B // 2,1

Кстати, есть старый трюк для кодирования двухстороннего связанного списка в одном "указателе". Предположим, у вас есть список блоков памяти по адресам A, B и C. Первое слово в каждом блоке:

 // first word of each block is sum of addresses of prior and next block
 0 + &B   // first word of block A
&A + &C   // first word of block B
&B + 0    // first word of block C

Если у вас есть доступ к блоку A, он дает вам адрес B. Чтобы добраться до C, вы берете "указатель" в B и вычитаете A и так далее. Он работает так же хорошо назад. Чтобы бегать по списку, вам нужно сохранить указатели на два последовательных блока. Конечно, вы бы использовали XOR вместо добавления/субтракции, поэтому вам не пришлось бы беспокоиться о переполнении.

Вы можете распространить это на "связанную сеть", если хотите немного повеселиться.

Ответ 6

Большинство людей будут менять две переменные x и y, используя временную переменную, например:

tmp = x
x = y
y = tmp

Вот аккуратный программный трюк, чтобы обменять два значения без необходимости в temp:

x = x xor y
y = x xor y
x = x xor y

Подробнее в Обмен двумя переменными с помощью XOR

В строке 1 мы объединяем x и y (используя XOR), чтобы получить этот "гибрид", и мы храним его обратно в x. XOR - отличный способ сохранить информацию, потому что вы можете удалить ее, снова сделав XOR.

В строке 2. Мы XOR гибрид с y, который отменяет всю информацию y, оставляя нас только с x. Мы сохраняем этот результат обратно в y, так что теперь они поменялись местами.

В последней строке x все еще имеет гибридное значение. Мы снова XOR с y (теперь с исходным значением xs), чтобы удалить все следы x из гибрида. Это оставляет нас с y, и своп завершен!

На самом деле компьютер имеет неявную переменную temp, которая хранит промежуточные результаты, прежде чем записывать их обратно в регистр. Например, если вы добавите 3 в регистр (в псевдокоде машинного языка):

ADD 3 A // add 3 to register A

ALU (Арифметическая логическая единица) на самом деле выполняет команду 3 + A. Он принимает входные данные (3, A) и создает результат (3 + A), который затем сохраняется в исходном регистре As. Итак, мы использовали ALU в качестве временного пространства для царапин, прежде чем мы получили окончательный ответ.

Мы принимаем ALU неявные временные данные как должное, но всегда там. Аналогичным образом, ALU может возвращать промежуточный результат XOR в случае x = x xor y, после чего CPU сохраняет его в исходный регистр xs.

Поскольку мы часто думали о бедных, пренебрегали ALU, своп XOR кажется волшебным, потому что у него нет явной временной переменной. Некоторые машины имеют одношаговую команду обмена XCHG для обмена двумя регистрами.

Ответ 7

@VonC имеет правильное решение, это аккуратный математический трюк. Представьте себе 4-х битные слова и посмотрите, помогает ли это.

word1 ^= word2;
word2 ^= word1;
word1 ^= word2;


word1    word2
0101     1111
after 1st xor
1010     1111
after 2nd xor
1010     0101
after 3rd xor
1111     0101

Ответ 8

Как правило, в подходе XOR есть 3 шага:

a = a XOR b (1)
b = a XOR b (2)
a "= a XOR b (3)

Чтобы понять , почему это работает сначала, обратите внимание, что:

XOR будет генерировать 1, только если один из его операндов равен 1, а другой - нулю;
XOR является коммутативным, поэтому XOR b = b XOR a;
XOR ассоциативный, поэтому (a XOR b) XOR c = a XOR (b XOR c); и
a XOR a = 0 (это должно быть очевидно из определения в 1 выше)

После шага (1) двоичное представление a будет иметь 1 бит только в битовых позициях, где a и b имеют противоположные биты. Это либо (ak = 1, bk = 0), либо (ak = 0, bk = 1). Теперь, когда мы выполняем замену на шаге (2), получаем:

b = (a XOR b) XOR b
= a XOR (b XOR b), поскольку XOR ассоциативно = a XOR 0 из-за [4] выше
= a из-за определения XOR (см. 1 выше)

Теперь мы можем заменить на шаг (3):

a "= (a XOR b) XOR a
  = (b XOR a) XOR a, поскольку XOR является коммутативным   = b XOR (a XOR a), поскольку XOR является ассоциативным
  = b XOR 0 из-за [4] выше
  = b из-за определения XOR (см. 1 выше)

Более подробная информация здесь: Необходимый и достаточный

Ответ 9

В качестве примечания я несколько раз изобрел это колесо в виде замены целых чисел, выполнив:

a = a + b
b = a - b ( = a + b - b once expanded)
a = a - b ( = a + b - a once expanded).

(Это упоминается выше в трудном для чтения способом),

Точно такие же рассуждения применимы к xOR-свопам: a ^ b ^ b = a и a ^ b ^ a = a. Так как xor коммутативна, x ^ x = 0 и x ^ 0 = x, то это довольно легко видеть, так как

= a ^ b ^ b
= a ^ 0
= a

= a ^ b ^ a 
= a ^ a ^ b 
= 0 ^ b 
= b

Надеюсь, это поможет. Это объяснение уже было дано... но не очень понятно, имо.