[알고리즘] 비트마스크(BitMask)

비트마스크(BitMask)

-  집합의 요소들의 구성 여부를 표현할 때 유용한 테크닉

 

 

왜 비트마스크를 사용하는가?

- DP나 순열 등, 배열 활용만으로 해결할 수 없는 문제

- 작은 메모리와 빠른 수행시간으로 해결이 가능 (But, 원소의 수가 많지 않아야 함)

- 집합을 배열의 인덱스로 표현할 수 있음

- 코드가 간결해짐

 

비트(Bit)란?

컴퓨터에서 사용되는 데이터의 최소 단위 (0과 1)

2진법을 생각하면 편하다.

 

우리가 흔히 사용하는 10진수를 2진수로 바꾸면?

9(10진수) → 1001(2진수)

 

비트마스킹 활용해보기

- 0과 1로, flag 활용하기

[1, 2, 3, 4 ,5] 라는 집합이 있다고 가정해보자.

여기서 임의로 몇 개를 골라 뽑아서 확인을 해야하는 상황이 주어졌다. (즉, 부분집합을 의미)

{1}, {2} , ... , {1,2} , ... , {1,2,5} , ... , {1,2,3,4,5}

 

물론, 간단히 for문 돌려가며 배열에 저장하며 경우의 수를 구할 순 있다.

하지만 비트마스킹을 하면, 각 요소를 인덱스처럼 표현하여 효율적인 접근이 가능하다.

[1,2,3,4,5] → 11111
[2,3,4,5]   → 11110
[1,2,5]     → 10011
[2]         → 00010

집합의 i번째 요소가 존재하면 1, 그렇지 않으면 0을 의미하는 것이다.

이러한 2진수는 다시 10진수로 변환도 가능하다.

11111은 10진수로 31이므로, 부분집합을 정수를 통해 나타내는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.

'31은 [1,2,3,4,5] 전체에 해당하는 부분집합에 해당한다는 의미!'

 

이로써, 해당 부분집합에 i를 추가하고 싶을때 i번째 비트를 1로만 바꿔주면 표현이 가능해졌다.

이런 행위는 비트 연산을 통해 제어가 가능하다.

 

비트 연산

- AND, OR, XOR, NOT, SHIFT

 

AND(&) : 대응하는 두 비트가 모두 1일 때, 1 반환

OR(|) : 대응하는 두 비트 중 모두 1이거나 하나라도 1일때, 1 반환

XOR(^) : 대응하는 두 비트가 서로 다를 때, 1 반환

NOT(~) : 비트 값 반전하여 반환

SHIFT(>>, <<) : 왼쪽 혹은 오른쪽으로 비트 옮겨 반환

• 왼쪽 시프트 : A * 2^B
• 오른쪽 시프트 : A / 2^B

[왼  쪽] 0001 → 0010 → 0100 → 1000 : 1 → 2 → 4 → 8
[오른쪽] 1000 → 0100 → 0010 → 0001 : 8 → 4 → 2 → 1

 

비트연산 연습문제 : 백준 12813

12813번: 이진수 연산

구현 코드(C)

#include <stdio.h>
 
int main(void) {
    unsigned char A[100001] = { 0, };
    unsigned char B[100001] = { 0, };
    unsigned char ret[100001] = { 0, };
    int i;
 
    scanf("%s %s", &A, &B);
 
    // AND
    for (i = 0; i < 100000; i++)
        ret[i] = A[i] & B[i];
    puts(ret);
    
    // OR
    for (i = 0; i < 100000; i++)
        ret[i] = A[i] | B[i];
    puts(ret);
 
    // XOR
    for (i = 0; i < 100000; i++)
        ret[i] = A[i] != B[i] ? '1' : '0';
    puts(ret);
 
    // ~A
    for (i = 0; i < 100000; i++)
        ret[i] = A[i] == '1' ? '0' : '1';
    puts(ret);
 
    // ~B
    for (i = 0; i < 100000; i++)
        ret[i] = B[i] == '1' ? '0' : '1';
    puts(ret);
 
    return 0;
}

 

연습이 되었다면, 다시 비트마스크로 돌아와 비트연산을 활용해보자

크게 삽입, 삭제, 조회로 나누어 진다.

 

1.삽입

현재 이진수로 10101로 표현되고 있을 때, i번째 비트 값을 1로 변경하려고 한다.

i = 3일 때 변경 후에는 11101이 나와야 한다. 이때는 OR연산을 활용한다.

10101 | 1 << 3

1 << 3은 1000이므로 10101 | 01000이 되어 11101을 만들 수 있다.

 

2.삭제

반대로 0으로 변경하려면, AND연산과 NOT 연산을 활용한다.

11101 & ~1 << 3

~1 << 3은 10111이므로, 11101 & 10111이 되어 10101을 만들 수 있다.

 

3.조회

i번째 비트가 무슨 값인지 알려면, AND연산을 활용한다.

10101 & 1 << i

3번째 비트 값 : 10101 & (1 << 3) = 10101 & 01000 → 0
4번째 비트 값 : 10101 & (1 << 4) = 10101 & 10000 → 10000

이처럼 결과값이 0이 나왔을 때는 i번째 비트 값이 0인 것을 파악할 수 있다. (반대로 0이 아니면 무조건 1인 것)

이러한 방법을 활용하여 문제를 해결하는 것이 비트마스크다.

비트마스크 연습문제 : 백준 2098

2098번: 외판원 순회

해당 문제는 모든 도시를 한 번만 방문하면서 다시 시작점으로 돌아오는 최소 거리 비용을 구해야한다.

완전탐색으로 답을 구할 수는 있지만, N이 최대 16이기 때문에 16!으로 시간초과에 빠지게 된다.

따라서 DP를 활용해야 하며, 방문 여부를 배열로 관리하기 힘드므로 비트마스크를 활용하면 좋은 문제다.

 

 

[참고자료]

- 링크