大数据Java-交换变量的 3 种方式

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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。

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

复制代码

程序运行结果如下：

1. 5
   
2. 10
   
3. 10
   
4. 5

复制代码

这个程序同时给出了有效的交换（第 22～26 行）与无效的交换（第 16～20 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。

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

复制代码

程序运行结果如下：
v1的交换结果：

1. 10
   
2. 5

复制代码

v2的交换结果：

1. 1500000000
   
2. 1200000000

复制代码

v3的交换结果：

1. -1500000000
   
2. -1200000000

复制代码

核心部分就是 swap 方法（第 22～26 行），该方法的 3 条语句解释为：

1. v.x = v.x + v.y; //将v.x与v.y的和存储在v.x中
   
2. 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
   
3. 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

复制代码

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：

1. int z = v.x + v.y;
   
2. v.y = z – v.y;
   
3. v.x = z - v.y;

复制代码

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 与 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 与 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）：

1. v.x = v.x + v.y;

复制代码

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 与 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：

1. v.y = v.x - v.y;

复制代码

这个计算就是使用溢出后的值−1594967296 减去 v.y（ 1500000000），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：

1. v.x = v.x -v.y;

复制代码

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 与 y，有：

1. (x ^ y ^ y) == x

复制代码

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

复制代码

程序运行结果如下：

1. 10
   
2. 5

复制代码

swap 方法（第 11～15 行）并不复杂，只有 3 条语句：

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

复制代码

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：

1. v.x ^ v.y ^ v.y //v.x与v.y都是运算之前的值

复制代码

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：

1. v.x ^ v.y ^ v.x //v.x与v.y都是运算之前的值

复制代码

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.        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。

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