Счётчик Кнута

Счетчик Кнута (англ. Сounter Knuth) - структура данных, представленная избыточной двоичной системой счисления, где добавление единицы к любому разряду выполняется за [math]O(1)[/math].

Избыточная двоичная система счисления - двоичная система счисления, где кроме 0 и 1 допустима 2 в записи числа.

Алгоритм

Имеется число записанное в избыточной двоичной системе счисления, необходимо добавить 1 к какому-либо разряду. Будем поддерживать следующий инвариант: в следующем старшем за любой двойкой разряде всегда стоит 0.

• Начало.
• Шаг 1а. Если 1 нужно добавить к 2, то в текущем разряде установить 1, в следующем 1.
• Шаг 1б. Если 1 нужно добавить к 1 и в следующем разряде 0, то в текущем разряде установить 2.
• Шаг 1в. Если 1 нужно добавить к 1 и в следующем разряде 1, то в текущем разряде установить 0, повторить алгоритм для следующего разряда.
• Шаг 1г. Если 1 нужно добавить к 1 и в следующем разряде 2, то в следующем за двойкой разряде установить 1, в разряде с двойкой установить 1, в текущем установить 0.
• Шаг 1д. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде 2, в следующем 0, то в предыдущем разряде установить 0, в текущем 2.
• Шаг 1е. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде 2, в следующем 1, то в предыдущем разряде установить 0, повторить алгоритм для следующего разряда.
• Шаг 1ж. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде 2, в следующем 2, то в предыдущем разряде установить 0, повторить алгоритм для следующего разряда.
• Шаг 1з. Если 1 нужно добавить к 0 и в предыдущем разряде не 2, установить в текущем разряде 1.
• Конец.

Доказательство

Покажем, что инвариант не нарушится.

Инвариант можно нарушить в 2 случаях, когда к единице прибавляют 1, и в следующем разряде стоит не 0, и когда к нулю прибавляется 1, а в предыдущем разряде стоит 2.

В первом случае, если в следующем разряде 1, алгоритм будет устанавливать в текущий разряд 0 и запускаться от следующего разряда. Если в следующем разряде 2, то, согласно инварианту, следующий за 2 разряд 0, и установив в следующий за двойкой и разряд с двойкой единцы инвариант не нарушится.

Во втором случае, если в следующем разряде 0, то предыдущий установится в 0, текущий в 2 и так как в следующем 0 инвариант не нарушится. Если в следующем разряде не 0, то предыдущий установится в 0 и алгоритм запустится от следующего.

Пример

Рассмотрим пример для каждого варианта, добавление 1 происходит в 3 разряд.

а) [math]002_{2} \Rightarrow 0011_{2}[/math]

б) [math]0010_{2} \Rightarrow 0020_{2}[/math]

в) [math]0011_{2} \Rightarrow 0001_{2}[/math] повторение алгоритма для 4 разряда, по варианту б [math]0001_{2} \Rightarrow 0002_{2}[/math]

г) [math]0012_{2} \Rightarrow 00011_{2}[/math]

д) [math]02001_{2} \Rightarrow 00201_{2}[/math]

е) [math]0201_{2} \Rightarrow 0001_{2}[/math] повторение алгоритма для 4 разряда, по варианту б [math]0001_{2} \Rightarrow 0002_{2}[/math]

ж) [math]0202_{2} \Rightarrow 0002_{2}[/math] повторение алгоритма для 4 разряда, по варианту а [math]0002_{2} \Rightarrow 00011_{2}[/math]

з) [math]010_{2} \Rightarrow 011_{2}[/math]

Амортизационная оценка алгоритма

Воспользуемся методом предоплаты, будем считать, что каждый раз когда мы начинаем выполнять алгоритм мы берем 2 монетки. Одна будет тратится на изменение текущего разряда и одна запасаться. Таким образом если в разряде стоит 1, то для него запасена 1 монетка, если стоит 2, то запасено 2 монетки. Проверим все варианты.

а) Так как в текущем разряде было 2, то уже запасено 2 монеты, а так же согласно инварианту после 2 стоит 0, тогда возьмем одну из запасенных у двойки монет и потратим их на присвоение следующему разряду 1, вторую запасенную передадим этой единице. Одну из наших монет потратим на установку в текущий разряд 1, вторую запасем для это единицы.

б) Так как в текущем разряде было 1, то прибавим наши монеты к уже запасенной от единицы. Одну потратим, что бы установить 2, останется 2 монеты.

в) Так как в текущем разряде было 1, то прибавив наши монеты к запасенной получим 3. Одну потратим, что бы установить 0, оставшиеся 2 потратим на повторение алгоритма для следующего разряда.

г) Так как в текущем разряде было 1, в следующем 2, то уже запасено 3 монеты и еще 2 наши, тогда 3 монеты потратим, что бы следующему за 2 разряду установить 1, разряду с 2 установить 1, текущему установить 0, останется 2 монеты, которые распределятся между двумя единицами.

д) Так как в текущем разряде было 0, в предыдущем разряде 2, в следующем 0, то уже запасено 2 монеты, одну потратим на изменение предыдущего разряда, одну на изменение текущего разряда, наши две монеты запасем для двойки в текущем разряде.

е) Так как в текущем разряде было 0, в предыдущем разряде 2, в следующем 1, то уже запасено 3 монеты, одну потратим на изменение предыдущего разряда, одну сохраним с единицей, наши две монеты потратим на повторение алгоритма на следующем разряде, останется одна лишняя монета.

ж) Так как в текущем разряде было 0, в предыдущем разряде 2, в следующем 2, то уже запасено 4 монеты, одну потратим на изменение предыдущего разряда, две сохраним с двойкой, наши две монеты потратим на повторение алгоритма на следующем разряде, останется одна лишняя монета.

з) Одну из монет потратим на изменение разряда, оставшуюся запасем с единицей.

Получается 2 монет достаточно для прибавления 1 к любому разряду, тогда наш алгоритм работает в среднем за [math]O(1)[/math]

Смотри также

• Амортизационный анализ
• Представление целых чисел: прямой код, код со сдвигом, дополнительный код