常用的位操作

读完本文,你不仅学会了算法套路,还可以顺便解决如下题目:

LeetCode 力扣 难度
136. Single Number 136. 只出现一次的数字 🟢
191. Number of 1 Bits 191. 位1的个数 🟢
231. Power of Two 231. 2 的幂 🟢
268. Missing Number 268. 丢失的数字 🟢
- 剑指 Offer 15. 二进制中1的个数 🟢

———–

位操作(Bit Manipulation)可以有很多技巧,有一个叫做 Bit Twiddling Hacks 的网站收集了几乎所有位操作的黑科技玩法,网址如下:

http://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html

但是这些技巧大部分都过于晦涩,我觉得可以作为字典查阅,没必要逐条深究。但我认为那些有趣的、有用的位运算技巧,是我们每个人需要掌握的。​

所以本文由浅入深,先展示几个有趣(但没卵用)的位运算技巧,然后再汇总一些在算法题以及工程开发中常用的位运算技巧。

一、几个有趣的位操作

  1. 利用或操作 | 和空格将英文字符转换为小写
('a' | ' ') = 'a'
('A' | ' ') = 'a'
  1. 利用与操作 & 和下划线将英文字符转换为大写
('b' & '_') = 'B'
('B' & '_') = 'B'
  1. 利用异或操作 ^ 和空格进行英文字符大小写互换
('d' ^ ' ') = 'D'
('D' ^ ' ') = 'd'

以上操作能够产生奇特效果的原因在于 ASCII 编码。ASCII 字符其实就是数字,恰巧空格和下划线对应的数字通过位运算就能改变大小写。有兴趣的读者可以查 ASCII 码表自己算算,本文就不展开讲了。

  1. 不用临时变量交换两个数
int a = 1, b = 2;
a ^= b;
b ^= a;
a ^= b;
// 现在 a = 2, b = 1
  1. 加一
int n = 1;
n = -~n;
// 现在 n = 2
  1. 减一
int n = 2;
n = ~-n;
// 现在 n = 1
  1. 判断两个数是否异号
int x = -1, y = 2;
boolean f = ((x ^ y) < 0); // true

int x = 3, y = 2;
boolean f = ((x ^ y) < 0); // false

如果说前 6 个技巧的用处不大,这第 7 个技巧还是比较实用的,利用的是补码编码的符号位。整数编码最高位是符号位,负数的符号位是 1,非负数的符号位是 0,再借助异或的特性,可以判断出两个数字是否异号。

当然,如果不用位运算来判断是否异号,需要使用 if else 分支,还挺麻烦的。你可能想利用乘积来判断两个数是否异号,但是这种处理方式容易造成整型溢出,从而出现错误。

index & (arr.length - 1) 的运用

我在 单调栈解题套路 中介绍过环形数组,其实就是利用求模(余数)的方式让数组看起来头尾相接形成一个环形,永远都走不完:

int[] arr = {1,2,3,4};
int index = 0;
while (true) {
    // 在环形数组中转圈
    print(arr[index % arr.length]);
    index++;
}
// 输出:1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4...
// 注意:cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int arr[] = {1, 2, 3, 4};
    int index = 0;
    while (true) {
        // 绕着循环数组走
        cout << arr[index % (sizeof(arr) / sizeof(int))] << endl;
        index++;
    }
    // 无法到达的代码
    return 0;
}
// 输出:1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4...
# 注意:python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

arr = [1,2,3,4]
index = 0
while True:
    # 在环形数组中转圈
    print(arr[index % len(arr)])
    index += 1
# 输出:1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4...
// 注意:go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

arr := []int{1, 2, 3, 4}
index := 0
for {
    // 在环形数组中转圈
    fmt.Print(arr[index%len(arr)])
    index++
}
// 输出:1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4...
// 注意:javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

var arr = [1, 2, 3, 4];
var index = 0;
while (true) {
    // 在环形数组中转圈
    console.log(arr[index % arr.length]);
    index++;
}
// 输出:1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4...

但模运算 % 对计算机来说其实是一个比较昂贵的操作,所以我们可以用 & 运算来求余数:

int[] arr = {1,2,3,4};
int index = 0;
while (true) {
    // 在环形数组中转圈
    print(arr[index & (arr.length - 1)]);
    index++;
}
// 输出:1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4...
// 注意:cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

int arr[] = {1,2,3,4};
int index = 0;
while (true) {
    // 在环形数组中转圈
    printf("%d ", arr[index & (sizeof(arr)/sizeof(arr[0]) - 1)]);
    index++;
}
// 输出:1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4...
# 注意:python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

arr = [1, 2, 3, 4]
index = 0
while True:
    print(arr[index & (len(arr) - 1)], end=", ")
    index += 1
# 输出:1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, ...
// 注意:go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

arr := []int{1, 2, 3, 4}
index := 0
for {
    // 在环形数组中转圈
    fmt.Print(arr[index&(len(arr)-1)])
    index++
}
// 输出:1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4...
// 注意:javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

var arr = [1,2,3,4];
var index = 0;
while (true) {
    // 在环形数组中转圈
    console.log(arr[index & (arr.length - 1)]);
    index++;
}
// 输出:1,2,3,4,1,2,3,4,1,2,3,4...

注意这个技巧只适用于数组长度是 2 的幂次方的情况,比如 2、4、8、16、32 以此类推。至于如何将数组长度扩展为 2 的幂次方,这也是有比较巧妙的位运算算法的,可以参考 https://graphics.stanford.edu/~seander/bithacks.html#RoundUpPowerOf2

简单说,& (arr.length - 1) 这个位运算能够替代 % arr.length 的模运算,性能会更好一些。

那问题来了,现在是不断地 index++,你做到了循环遍历。但如果不断地 index--,还能做到环形数组的效果吗?

答案是,如果你使用 % 求模的方式,那么当 index 小于 0 之后求模的结果也会出现负数,你需要特殊处理。但通过 & 与运算的方式,index 不会出现负数,依然可以正常工作:

int[] arr = {1,2,3,4};
int index = 0;
while (true) {
    // 在环形数组中转圈
    print(arr[index & (arr.length - 1)]);
    index--;
}
// 输出:1,4,3,2,1,4,3,2,1,4,3,2,1...
// 注意:cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

int arr[] = {1,2,3,4};
int index = 0;
while (true) {
    // 在环形数组中转圈
    cout << arr[index & (sizeof(arr) / sizeof(*arr) - 1)] << " ";
    index--;
}
// 输出:1,4,3,2,1,4,3,2,1,4,3,2,1...
# 注意:python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

arr = [1, 2, 3, 4]
index = 0

while True:
    # 在环形数组中转圈
    print(arr[index & (len(arr) - 1)])
    index -= 1
// 注意:go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

arr := []int{1, 2, 3, 4}
index := 0
for {
    // 在环形数组中转圈
    fmt.Print(arr[index&(len(arr)-1)])
    index--
}
// 输出:1,4,3,2,1,4,3,2,1,4,3,2,1...
// 注意:javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

var arr = [1,2,3,4];
var index = 0;
while (true) {
    console.log(arr[index & (arr.length - 1)]);
    index--;
}
// 输出:1,4,3,2,1,4,3,2,1,4,3,2,1...

我们自己写代码一般用不到这个技巧,但在学习一些其他代码库时可能会经常看到,这里留个印象,到时候就不会懵逼了。

二、n & (n-1) 的运用

n & (n-1) 这个操作在算法中比较常见,作用是消除数字 n 的二进制表示中的最后一个 1

看个图就很容易理解了:

其核心逻辑就是,n - 1 一定可以消除最后一个 1,同时把其后的 0 都变成 1,这样再和 n 做一次 & 运算,就可以仅仅把最后一个 1 变成 0 了。

1、计算汉明权重(Hamming Weight)

这是力扣第 191 题「 位 1 的个数」:

就是让你返回 n 的二进制表示中有几个 1。因为 n & (n - 1) 可以消除最后一个 1,所以可以用一个循环不停地消除 1 同时计数,直到 n 变成 0 为止。

int hammingWeight(int n) {
    int res = 0;
    while (n != 0) {
        n = n & (n - 1);
        res++;
    }
    return res;
}
// 注意:cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

int hammingWeight(int n) {
    int res = 0;
    while (n != 0) {
        n = n & (n - 1);
        res++;
    }
    return res;
}
# 注意:python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

def hammingWeight(n: int) -> int:
    res = 0
    while n != 0:
        n = n & (n - 1)
        res += 1
    return res
// 注意:go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

func hammingWeight(n int) int {
    res := 0
    for n != 0 {
        n = n & (n - 1)
        res++
    }
    return res
}
// 注意:javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

var hammingWeight = function(n) {
    var res = 0;
    while (n != 0) {
        n = n & (n - 1);
        res++;
    }
    return res;
};

2、判断一个数是不是 2 的指数

力扣第 231 题「 2 的幂」就是这个问题。

一个数如果是 2 的指数,那么它的二进制表示一定只含有一个 1:

2^0 = 1 = 0b0001
2^1 = 2 = 0b0010
2^2 = 4 = 0b0100

如果使用 n & (n-1) 的技巧就很简单了(注意运算符优先级,括号不可以省略):

boolean isPowerOfTwo(int n) {
    if (n <= 0) return false;
    return (n & (n - 1)) == 0;
}
// 注意:cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

bool isPowerOfTwo(int n) {
    if (n <= 0) return false;
    return (n & (n - 1)) == 0;
}
# 注意:python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

def isPowerOfTwo(n: int) -> bool:
    if n <= 0:
        return False
    return (n & (n - 1)) == 0
// 注意:go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

func isPowerOfTwo(n int) bool {
    if n <= 0 {
        return false
    }
    return (n & (n - 1)) == 0
}
// 注意:javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

var isPowerOfTwo = function(n) {
    if (n <= 0) return false;
    return (n & (n - 1)) === 0;
};

三、a ^ a = 0 的运用

异或运算的性质是需要我们牢记的:

一个数和它本身做异或运算结果为 0,即 a ^ a = 0;一个数和 0 做异或运算的结果为它本身,即 a ^ 0 = a

1、查找只出现一次的元素

这是力扣第 136 题「 只出现一次的数字」:

对于这道题目,我们只要把所有数字进行异或,成对儿的数字就会变成 0,落单的数字和 0 做异或还是它本身,所以最后异或的结果就是只出现一次的元素:

int singleNumber(int[] nums) {
    int res = 0;
    for (int n : nums) {
        res ^= n;
    }
    return res;
}
// 注意:cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

int singleNumber(vector<int>& nums) {
    int res = 0;
    for (int n : nums) {
        res ^= n;
    }
    return res;
}
# 注意:python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

def singleNumber(nums: List[int]) -> int:
    res = 0
    for n in nums:
        res ^= n
    return res
// 注意:go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

func singleNumber(nums []int) int {
    res := 0
    for _, n := range nums {
        res ^= n
    }
    return res
}
// 注意:javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

var singleNumber = function(nums) {
    var res = 0;
    for (var i = 0; i < nums.length; i++) {
        res ^= nums[i];
    }
    return res;
};

2、寻找缺失的元素

这是力扣第 268 题「 丢失的数字」:

给一个长度为 n 的数组,其索引应该在 [0,n),但是现在你要装进去 n + 1 个元素 [0,n],那么肯定有一个元素装不下嘛,请你找出这个缺失的元素。

这道题不难的,我们应该很容易想到,把这个数组排个序,然后遍历一遍,不就很容易找到缺失的那个元素了吗?

或者说,借助数据结构的特性,用一个 HashSet 把数组里出现的数字都储存下来,再遍历 [0,n] 之间的数字,去 HashSet 中查询,也可以很容易查出那个缺失的元素。

排序解法的时间复杂度是 O(NlogN),HashSet 的解法时间复杂度是 O(N),但是还需要 O(N) 的空间复杂度存储 HashSet。

这个问题其实还有一个特别简单的解法:等差数列求和公式。

题目的意思可以这样理解:现在有个等差数列 0, 1, 2,..., n,其中少了某一个数字,请你把它找出来。那这个数字不就是 sum(0,1,..n) - sum(nums) 嘛?

int missingNumber(int[] nums) {
    int n = nums.length;
    // 虽然题目给的数据范围不大,但严谨起见,用 long 类型防止整型溢出
    // 求和公式:(首项 + 末项) * 项数 / 2
    long expect = (0 + n) * (n + 1) / 2;
    long sum = 0;
    for (int x : nums) {
        sum += x;
    }
    return (int)(expect - sum);
}
// 注意:cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

int missingNumber(vector<int>& nums) {
    int n = nums.size();
    // 虽然题目给的数据范围不大,但严谨起见,用 long 类型防止整型溢出
    // 求和公式:(首项 + 末项) * 项数 / 2
    long expect = (0 + n) * (n + 1) / 2;
    long sum = 0;
    for (int x : nums) {
        sum += x;
    }
    return (int)(expect - sum);
}
# 注意:python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

from typing import List

def missingNumber(nums: List[int]) -> int:
    n = len(nums)
    # 虽然题目给的数据范围不大,但严谨起见,用 long 类型防止整型溢出
    # 求和公式:(首项 + 末项) * 项数 / 2
    expect = (0 + n) * (n + 1) / 2
    sum_ = 0
    for x in nums:
        sum_ += x
    return int(expect - sum_)
// 注意:go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

func missingNumber(nums []int) int {
    n := len(nums)
    // 虽然题目给的数据范围不大,但严谨起见,用 long 类型防止整型溢出
    // 求和公式:(首项 + 末项) * 项数 / 2
    expect := (0 + n) * (n + 1) / 2
    var sum int64
    for _, x := range nums {
        sum += int64(x)
    }
    return int(expect - sum)
}
// 注意:javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

var missingNumber = function(nums) {
    var n = nums.length;
    // 虽然题目给的数据范围不大,但严谨起见,用 long 类型防止整型溢出
    // 求和公式:(首项 + 末项) * 项数 / 2
    var expect = (0 + n) * (n + 1) / 2;
    var sum = 0;
    for (var i = 0; i < n; i++) {
        sum += nums[i];
    }
    return (expect - sum);
};

不过,本文的主题是位运算,我们来讲讲如何利用位运算技巧来解决这道题。

再回顾一下异或运算的性质:一个数和它本身做异或运算结果为 0,一个数和 0 做异或运算还是它本身。

而且异或运算满足交换律和结合律,也就是说:

2 ^ 3 ^ 2 = 3 ^ (2 ^ 2) = 3 ^ 0 = 3

而这道题索就可以通过这些性质巧妙算出缺失的那个元素,比如说 nums = [0,3,1,4]

为了容易理解,我们假设先把索引补一位,然后让每个元素和自己相等的索引相对应:

这样做了之后,就可以发现除了缺失元素之外,所有的索引和元素都组成一对儿了,现在如果把这个落单的索引 2 找出来,也就找到了缺失的那个元素。

如何找这个落单的数字呢,只要把所有的元素和索引做异或运算,成对儿的数字都会消为 0,只有这个落单的元素会剩下,也就达到了我们的目的:

int missingNumber(int[] nums) {
    int n = nums.length;
    int res = 0;
    // 先和新补的索引异或一下
    res ^= n;
    // 和其他的元素、索引做异或
    for (int i = 0; i < n; i++)
        res ^= i ^ nums[i];
    return res;
}
// 注意:cpp 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

int missingNumber(vector<int>& nums) {
    int n = nums.size();
    int res = 0;
    // 先和新补的索引异或一下
    res ^= n;
    // 和其他的元素、索引做异或
    for (int i = 0; i < n; i++)
        res ^= i ^ nums[i];
    return res;
}
# 注意:python 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
# 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

def missingNumber(nums: List[int]) -> int:
    n = len(nums)
    res = 0
    # 先和新补的索引异或一下
    res ^= n
    # 和其他的元素、索引做异或
    for i in range(n):
        res ^= i ^ nums[i]
    return res
// 注意:go 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

func missingNumber(nums []int) int {
    n := len(nums)
    res := n
    // 先和新补的索引异或一下
    res ^= n
    // 和其他的元素、索引做异或
    for i := 0; i < n; i++ {
        res ^= i ^ nums[i]
    }
    return res
}
// 注意:javascript 代码由 chatGPT🤖 根据我的 java 代码翻译,旨在帮助不同背景的读者理解算法逻辑。
// 本代码还未经过力扣测试,仅供参考,如有疑惑,可以参照我写的 java 代码对比查看。

var missingNumber = function(nums) {
    const n = nums.length;
    let res = 0;
    // 先和新补的索引异或一下
    res ^= n;
    // 和其他的元素、索引做异或
    for (let i = 0; i < n; i++)
        res ^= i ^ nums[i];
    return res;
}

由于异或运算满足交换律和结合律,所以总是能把成对儿的数字消去,留下缺失的那个元素。

到这里,常见的位运算差不多都讲完了。这些技巧就是会者不难难者不会,也不需要死记硬背,只要有个印象就完全够用了。


引用本文的题目

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LeetCode 力扣
389. Find the Difference 389. 找不同
- 剑指 Offer 15. 二进制中1的个数

引用本文的文章

_____________

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