版权声明：wangchong https://blog.csdn.net/wfcn_zyq/article/details/88254340
要求
给定两个正整数，求它们的最大公约数。
分别使用辗转相除法，更相减损法，穷举法，Stein算法，
实现最大公约数或最小公倍数的求解，至少比较4种GCD
算法在给定不同规模测试数据的情况下的平均运行时间。
算法实现
package EmbarkationOne;
/**
* @describe
* @file Gcd
* @author wangchong
* @date 2019/3/5
* @params
* @return
* @email [email protected]
* @CSDN https://blog.csdn.net/wfcn_zyq
*/
import java.util.Arrays;
import java.util.HashMap;
import java.util.Scanner;
/**
* Sopwatch 创建对象时会直接记录创建的时间
* elapsedTime() 返回Soapwatch自创建到调用这个函数这个期间经历的纳秒数
*/
class Stopwatch {
private final long start;
public Stopwatch() {
start = System.nanoTime();
}
public double elapsedTime() {
long now = System.nanoTime();
return (now - start);
}
}
public class Gcd {
/**
* 其算法过程为： 前提：设两数为a,b设其中a 做被除数,b做除数，temp为余数
* 1、大数放a中、小数放b中；
* 2、求a/b的余数；
* 3、若temp=0则b为最大公约数；
* 4、如果temp!=0则把b的值给a、temp的值给a；
* 5、返回第二步；
* @param a
* @param b
* @return 最大公约数
*/
private static int divisor(int a, int b) {
int temp;
if(a < b) {
temp = a;
a = b;
b = temp;
}
while(b != 0) {
temp = a % b;
a = b;
b = temp;
}
return a;
}
/**
*
* @param a
* @param b
* @return a,b的最小公倍数
*/
private static int multiple(int a, int b) {
int temp;
temp = divisor(a,b);
return (a * b/temp);
}
/**
* 辗转相除法的递归调用
* @param a
* @param b
* @return a,b的最大公约数
*/
private static int gcd(int a, int b) {
if(a % b == 0) {
return b;
}
else {
return gcd(b,a%b);
}
}
/**
* 穷举法（也叫枚举法）穷举法求两个正整数的最大公约数的解题步骤：
* 从两个数中较小数开始由大到小列举，
* 直到找到公约数立即中断列举，得到的公约数便是最大公约数 。
* 对两个正整数a,b如果能在区间[a,0]或[b,0]内能找到一个整数temp
* 能同时被a和b所整除，则temp即为最大公约数。
* @param a
* @param b
* @return a,b的最大公约数
*/
private static int enumerateDivisor(int a, int b) {
int temp = a > b ? b : a;
while (temp > 0) {
if (a % temp == 0 && b % temp == 0) {
break;
}
temp--;
}
return temp;
}
/**
* 枚举法求对两个正整数a,b的最小公倍数
* 如果若干个a之和或b之和能被b所整除或能被a所整除，
* 则该和数即为所求的最小公倍数。
* @param a
* @param b
* @return a,b的最小公倍数
*/
private static int addMultiple(int a, int b) {
int max = a > b ? a : b;
int min = a > b ? b : a;
int temp = max;
while (true) {
if (max % min == 0) {
break;
}
max += temp;
}
return max;
}
/**
* 更小减损法求两个数的最大公因数
* 第一步：任意给定两个正整数；判断它们是否都是偶数。
* 若是，则用2约简；若不是则执行第二步。
* 第二步：以较大的数减较小的数，接着把所得的差与较小的数比较，
* 并以大数减小数。继续这个操作，直到所得的减数和差相等为止。
* 则第一步中约掉的若干个2与第二步中等数的乘积就是所求的最大公约数。
* 其中所说的“等数”，就是最大公约数。求“等数”的办法是“更相减损”法。
* 所以更相减损法也叫等值算法。
* @param a
* @param b
* @return a,b的最大公约数
*/
private static int GCDDivisor(int a ,int b) {
while (a!=b) {
if (a>b) {
a -= b;
}
else {
b-=a;
}
}
return a;
}
/**
* stein算法
* 1.均为偶数 gcd( x,y ) =2gcd( x/2,y/2 )；
* 2.均为奇数 gcd( x,y ) = gcd( (x+y)/2,(x-y)/2 )；
* 2.x奇y偶 gcd( x,y ) = gcd( x,y/2 )；
* 3.x偶y奇 gcd( x,y ) = gcd( x/2,y ) 或 gcd( x,y )=gcd( y,x/2 )；
* @param x
* @param y
* @return x,y的最大公因数
*/
private static int stein(int x, int y) {
int factor = 0;
int temp;
if (x < y) {
temp = x;
x = y;
y = temp;
}
if (0 == y) {
return 0;
}
while (x != y) {
if (!isEvenNumber(x & 0x1)) {
if (!isEvenNumber(y & 0x1)) {
y = (x - y) >> 1;
x -= y;
} else {
y >>= 1;
}
} else {
if (!isEvenNumber(y & 0x1)) {
x >>= 1;
if (x < y) {
temp = x;
x = y;
y = temp;
}
} else {
x >>= 1;
y >>= 1;
++factor;
}
}
}
return(x << factor);
}
/**
* stein的递归调用
* @param u
* @param v
* @return u,v的最大公因数
*/
private static int steinRecursion(int u, int v) {
if (u == 0) {
return v;
}
if(v == 0) {
return u;
}
if(!isEvenNumber(~u & 1)) {
if(!isEvenNumber(v & 1)) {
return steinRecursion(u >> 1,v);
} else {
return steinRecursion(u >> 1,v >> 1) << 1;
}
}
if(!isEvenNumber(~v & 1)) {
return steinRecursion(u,v >> 1);
}
if(u > v) {
return steinRecursion((u - v) >> 1,v);
}
return steinRecursion((v - u) >> 1,u);
}
/**
* 求n是否为偶数
* @param n
* @return n为偶数返回true，否则返回false
*/
private static boolean isEvenNumber(int n) {
return (((n >> 1) << 1) == n);
}
/**
*
* @param maxSize
* @param maxValue
* @return 返回一个二维数组，maxSize行，2列，数组中的每个数都是随机的，随机大小在[0,maxValue]范围内
*/
public static int[][] generateRandomArray(int maxSize,int maxValue) {
int[][] arr = new int[maxSize][2];
for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
for (int j = 0; j < 2; j++) {
arr[i][j] = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) + 1;
}
}
return arr;
}
/**
*
* @param arr
* @param select
* @return 返回对应select的求最大公因数或最小公倍数函数的运行时间，
*/
public static double runTime(int[][] arr, int select) {
//创建Stopwatch变量，记录他常见开始时间
Stopwatch timer = new Stopwatch();
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
switch (select) {
case 1:
divisor(arr[i][0],arr[i][1]);
break;
case 2:
gcd(arr[i][0],arr[i][1]);
break;
case 3:
enumerateDivisor(arr[i][0],arr[i][1]);
break;
case 4:
GCDDivisor(arr[i][0],arr[i][1]);
break;
case 5:
stein(arr[i][0],arr[i][1]);
break;
case 6:
steinRecursion(arr[i][0],arr[i][1]);
break;
case 7:
addMultiple(arr[i][0],arr[i][1]);
break;
case 8:
multiple(arr[i][0],arr[i][1]);
break;
}
}
//调用函数elapsedTime()返回从创建开始到结束的时间
return timer.elapsedTime();
}
/**
* 输入i对应的函数的输出信息提示
* @param i
*/
public static void printTime(int i) {
switch (i) {
case 1:
System.out.print("Time of divisor is:");
break;
case 2:
System.out.print("Time of gcd is:");
break;
case 3:
System.out.print("Time of enumerateDivisor is:");
break;
case 4:
System.out.print("Time of GCDDivisor is:");
break;
case 5:
System.out.print("Time of stein is:");
break;
case 6:
System.out.print("Time of steinRecursion is:");
break;
case 7:
System.out.print("Time of addMultiple is:");
break;
case 8:
System.out.print("Time of multiple is:");
break;
}
}
/**
* 获取正确的输入数据
* @return 一个数组，包含两个数，这两个数输入正确的输入格式，可以用来求最大公约数，和最小公倍数
*/
public static int[] getlegalFormat() {
Scanner input = new Scanner(System.in);
int[] arr = new int[2];
boolean judge = true;
String str1 = null, str2 = null;
int num1,num2;
//对输入异常的处理
while (judge) {
System.out.println("Please input two numbers:");
str1 = input.next();
str2 = input.next();
try {
Integer.parseInt(str1);
Integer.parseInt(str2);
} catch (NumberFormatException e) {
judge = true;
System.out.println("The input format is wrong, please input again!");
e.printStackTrace();
continue;
}
num1 = Integer.parseInt(str1);
num2 = Integer.parseInt(str2);
if (num1 < 1 || num2 < 1) {
System.out.println("You must input two positive integers!Input again!");
judge = true;
continue;
}
judge = false;
}
arr[0]= Integer.parseInt(str1);
arr[1] = Integer.parseInt(str2);
return arr;
}
public static void main(String[] args) {
int[] input = getlegalFormat();
//输出对输入数据的求取最大公约数，或者最小公倍数
System.out.println("divisor is:" + divisor(input[0],input[1]) );
System.out.println("gcd is:" + gcd(input[0],input[1]) );
System.out.println("enumerateDivisor is:" + enumerateDivisor(input[0],input[1]) );
System.out.println("stein is:" + stein(input[0],input[1]) );
System.out.println("steinRecursion is:" + steinRecursion(input[0],input[1]) );
System.out.println("addMultiple is:" + addMultiple(input[0],input[1]) );
System.out.println("multiple is:" + multiple(input[0],input[1]) );
int maxValue = 100000;
double[] sumTime = new double[8];
//5组数据
for (int i = 1; i <= 5; i++) {
int maxSize = 2000 * i;
System.out.printf("Values of %d",maxSize);
System.out.println();
System.out.println("**********************************");
int[][] arr = generateRandomArray(maxSize,maxValue);
for (int j = 1; j <= 8; j++) {
printTime(j);
sumTime[j - 1] += runTime(arr,j);
System.out.println(runTime(arr,j) + "ns");
}
System.out.println("**********************************");
}
System.out.println("Average time is (sort from smallest to biggest )");
//创建hash表，处理对应的函数信息，和运行时间意义对应
HashMap<Double, Integer> map = new HashMap<>();
for (int i = 1; i <= 8; i++) {
map.put(sumTime[i - 1],i);
}
Arrays.sort(sumTime);
for (int i = 0; i < 8; i++) {
printTime(map.get(sumTime[i]));
System.out.println(sumTime[i] / 5 + "ns");
}
System.out.println("**********************************");
}
}
调试、测试及运行结果
调试
输入含有字符串而不是数字(测试部分将会显示更加全面的输入检查)
这个时候会报错提示你重新输入，因为你无法，对一个字符串求
它和谁的公约数，设置一个judge变量，当judge为true的时候就会重新回到输入的请求直到输入正确的时候
输入正确的时候
程序继续运行将会计算每个函数的运行时间，这里我通过hash表的方式存储时间，以方便在排序的时候将他们按照顺序输出到屏幕上，以保证更清晰的观察。
根据分别给函数20000组，每次增加20000组数据的方式测试求最大公约数，对相同组，相同的数据的进行计算所花费的时间。
我通过设置maxValue的值为100000，生成[0,100000]范围内的任意一个数，任意一对数组成一组数据，用来测试求每组数据求最大公约数。
最后由小到大的时间排序显示出不同算法运行时间上的差别，从而体现出算法的优劣性
5组数据下来，算法执行的总时间（单位：ns）
将各个函数运行所需要的时间按照从小到大的顺序输出，可以直观的看出各个算法所用时间的差别
测试
输入异常检查
输入是负数，提示重新输入
输入是汉字和数字，会报NumberFormatException异常，
并重新输入，因为，当设置输入是字符串的时候调用Integer.parseInt()
转换为数字的时候，会检查，非纯数字的情况
输入是纯汉字，相同的原理，转换成数字的时候报错，提示重新输入。
输入是字符串(字母)和数字，与前面是相同的原理，提示错误，并重新输入。
输入是字符串和数字的组合型，与前面是相同的原理，提示错误，并重新输入。
输入正确，进行下面操作
测试数据分别是2000，4000.6000,8000,10000组数据，运行时间用纳秒计算。
最后按照运行时间从小到大排序、
测试代码
检测generateRandomArray()函数
package EmbarkationOne;
public class Test {
public static void printArray(int[][] arr) {
if (arr == null) {
return;
}
for (int i = 0; i < arr.length; i++) {
for (int j = 0; j < arr[i].length; j++) {
System.out.print(arr[i][j] + " ");
}
}
}
/**
*
* @param maxSize
* @param maxValue
* @return 返回一个二维数组，maxSize行，2列，数组中的每个数都是随机的，随机大小在[0,maxValue]范围内
*/
public static int[][] generateRandomArray(int maxSize,int maxValue) {
int[][] arr = new int[maxSize][2];
for (int i = 0; i < maxSize; i++) {
for (int j = 0; j < 2; j++) {
arr[i][j] = (int) ((maxValue + 1) * Math.random()) + 1;
}
}
return arr;
}
public static void main(String[] args) {
int[][] arr = generateRandomArray(200,100000);
printArray(arr);
}
}
**检测getlegalFormat()函数**
package EmbarkationOne;
import java.util.Scanner;
public class TestOne {
/**
* 获取正确的输入数据
* @return 一个数组，包含两个数，这两个数输入正确的输入格式，可以用来求最大公约数，和最小公倍数
*/
public static int[] getlegalFormat() {
Scanner input = new Scanner(System.in);
int[] arr = new int[2];
boolean judge = true;
String str1 = null, str2 = null;
int num1,num2;
//对输入异常的处理
while (judge) {
System.out.println("Please input two numbers:");
str1 = input.next();
str2 = input.next();
try {
Integer.parseInt(str1);
Integer.parseInt(str2);
} catch (NumberFormatException e) {
judge = true;
System.out.println("The input format is wrong, please input again!");
e.printStackTrace();
continue;
}
num1 = Integer.parseInt(str1);
num2 = Integer.parseInt(str2);
if (num1 < 1 || num2 < 1) {
System.out.println("You must input two positive integers!Input again!");
judge = true;
continue;
}
judge = false;
}
arr[0]= Integer.parseInt(str1);
arr[1] = Integer.parseInt(str2);
return arr;
}
public static void main(String[] args) {
int[] arr = getlegalFormat();
for (int a: arr) {
System.out.println(a);
}
}
}
经验归纳
1.深入学习了利用不同的算法来解决求解两个正整数的最大公约数和最小公倍数，
利用穷举法计算的效率比较低，从测试中可以看出，穷举法比最快的辗转相除法
运行时间慢100倍左右，设置测试数据时，设置一个独立的generateRandomArray()
获得一个随机数组，通过主程序传的maxSize(组别的大小)，和maxValue
(随机数最大值)，来实现样本的输入以后可以进行深入的学习。
2.用Java写体现了Java语言特性，有很多优越性，比如，室友都是用C/C++写的，
他们在处理时间这一方面没有Java遍历，用Java的elapsedTime() 返回Soapwatch
自创建到调用这个函数这个期间经历的纳秒数，纳秒级别的显示更能清晰的看出程
序的运行状况，因为目前的计算机计算速度很快，一个小算法，处理成万上前的数
据，也只需要ns甚至更小的时间就可以完成。
3.在处理比较算法优劣性的方面，我使用了hash表的方式存储函数和对应处理的时
间，这样可以在通过排序算法，排序程序运行的时间的同时，可以方便的找到对应
的函数信息，这样就比较便利的找到对应的函数，我觉得使用hash表，是再合适不过的了。