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c++中如何判断一个整数是否为4的幂_c++位运算高效算法【详解】

冰火之心

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发布时间:2026-01-24 16:27:10

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因为n%4==0只是充分不必要条件,如12满足但不是4的幂;正确方法是先用n>0&&(n&(n-1))==0判断是否为2的幂,再用n&0x55555555≠0确认唯一1在偶数位。

c++中如何判断一个整数是否为4的幂_c++位运算高效算法【详解】

为什么不能只用 n % 4 == 0

因为这是充分不必要条件:比如 12 满足 12 % 4 == 0,但它不是 4 的幂(4^1 = 4, 4^2 = 16)。真正要判断的是形如 4^kk ≥ 0)的数,即 1, 4, 16, 64, 256...。这些数在二进制下有固定模式:1100100001000000……也就是只有一个 1,且该 1 出现在偶数位(从 0 开始计数)。

位运算核心思路:先判 2 的幂,再筛偶数位的 1

4 的幂一定是 2 的幂(因为 4^k = (2^2)^k = 2^(2k)),但反之不成立。所以分两步:

  • (n > 0) && (n & (n - 1)) == 0 判断是否为正的 2 的幂(排除 0 和负数,且确保只有一个 1
  • 再确认这个唯一的 1 是否落在第 0、2、4、6… 位(即偶数索引位)。最高效方式是用掩码 0x55555555(32 位下二进制为 01010101010101010101010101010101)与 n 按位与:只有当 n1 落在偶数位时,结果才非零
bool isPowerOfFour(int n) {
    return n > 0 && (n & (n - 1)) == 0 && (n & 0x55555555);
}

为什么掩码是 0x55555555 而不是 0xAAAAAAAA

0x55555555 的二进制是偶数位全 1(位 0、2、4…),而 0xAAAAAAAA 是奇数位全 1(位 1、3、5…)。我们要保留的是偶数位上的 1,所以必须用前者。若误用后者,4^0 = 1(二进制 1,只在位 0)会因 1 & 0xAAAAAAAA == 0 被错误拒绝。

注意符号与溢出边界

输入是 int,需明确处理负数和 0

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  • n 直接返回 false(负数和零都不是 4 的幂)
  • 对于 32 位 int,最大合法值是 4^15 = 10737418244^16 = 4294967296 已溢出,无法表示,所以无需考虑更高次幂
  • 若用 unsigned intlong long,掩码需对应扩展(如 64 位用 0x5555555555555555ULL

最易被忽略的一点:n & (n - 1)n == 0 时会计算 0 & (-1),结果为 0,但这不代表 0 是 2 的幂——所以 n > 0 必须前置判断,顺序不能颠倒。

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