一、问题
给定一个十进制正整数N，统计从1开始，到N（含N）的所有整数中出现的所有“1”（包含各个位）的个数。
二、解法
版本一：最简单的思路，就是从1到N进行遍历，统计逐个数上“1”的个数并相加，最后的结果就是所求的值。
9 #include <stdlib.h>
10 #include <stdio.h>
11
12 typedef int TYPE;
13 TYPE N = 9999;
14
15 TYPE count_number_1(TYPE n)
16 {
17 TYPE sum = 0;
18 while(n) {
19 sum += n % 10 == 1 ? 1 : 0;
20 n /= 10;
21 }
22 return sum;
23 }
24
25 int main(void)
26 {
27 TYPE i;
28 TYPE sum = 0;
29 for(i = 1; i <= N; i++) {
30 sum += count_number_1(i);
31 }
32 printf("sum of number 1 in %d is %d.\n", N, sum);
33 return EXIT_SUCCESS;
34 } 特点：逐个数遍历，并利用求余算法统计各个位上“1”的总数。
时间复杂度计算：O(nlogn) （对数函数实际上以10为底）
（关于对数时间计算参考维基百科：时间复杂度 對數時間：若演算法的T(n) = O(log n)，則稱其具有對數時間。由於計算機使用二進制的記數系統，對數常常以2為底（即log2 n，有時寫作lg n）。然而，由對數的換底公式，loga n和logb n只有一個常數因子不同，這個因子在大O記法中被丟棄。因此記作O（log n），而不論對數的底是多少，是對數時間演算法的標準記法。）
gprof 时间性能监视测试：
sum of number 1 in 10000000 is 7000001. 时间：0.60(main + count_number_1 )
sum of number 1 in 100000000 is 80000001. 时间：6.43(main + count_number_1 )
sum of number 1 in 1000000000 is 900000001. 时间：71.62(main + count_number_1 )
版本二：分析数学规律，思考“小数N在每一位上可能出现1的次数”之和来得到结果。
9 #include <stdlib.h>
10 #include <stdio.h>
11
12 typedef int TYPE;
13 TYPE N = 1000000000;
14
15 TYPE main(void)
16 {
17 TYPE i;
18 TYPE sum = 0;
19 TYPE bits = 1;
20 TYPE high_bit_value = 0;
21 TYPE current_bit_value = 0;
22 TYPE low_bit_value = 0;
23 while(bits <= N) {
24 high_bit_value = N / (10 * bits);
25 // current_bit_value = (N % (10 * bits)) / bits;
26 // 下面赋值参考编程之美例程优化
27 current_bit_value = (N / bits) % 10;
28 // low_bit_value = (N % (10 * bits)) % bits;
29 // 下面赋值参考编程之美例程优化
30 low_bit_value = N - (N / bits) * bits;
31 if (0 == current_bit_value)
32 sum += bits * high_bit_value;
33 else if(1 == current_bit_value)
34 sum += bits * high_bit_value + low_bit_value + 1;
35 else
36 sum += bits * (high_bit_value + 1);
37 bits *= 10;
38 }
39 printf("sum of number 1 in %d is %d.\n", N, sum);
40 return EXIT_SUCCESS;
41 } 特点：考虑了1-N各个数字之间的关系，对于不同的位数bits的数，可以通过统计每个位上的“1”的次数来求解，这需要找到他们的数学规律，可以采用归纳法来求解。这道题是先把问题转化为数学问题思考，再转回编程实现。下面为思考过程（对于不同位数通过找例子测试得到规律）：
对于一位数a(a >= 0):
个位数上的1统计值：
a < 1: A = 0
a >= 1: A = 1
“1”的个数：A
对于二位数ba(b >= 1):
个位数上的1统计值：
a < 1: A = b
a >= 1: A = b + 1
十位数上的1统计值：
b = 1: B = a + 1
b > 1: B = 10
“1”的个数：A + B
对于三位数cba(c >= 1):
个位数上的1统计值：
a < 1: A = cb
a >= 1: A = cb + 1
十位数上的1统计值：
b = 0: B = 10 * c
b = 1: B = 10 * c + a + 1
b > 1: B = 10 * (c + 1)
百位数上的1统计值：
c = 1: ba + 1
c > 1: 100
“1”的个数：A + B + C
对于四位数dcba(d >= 1):
个位数上的1统计值：
a < 1: A = dcb
a >= 1: A = dcb + 1
十位数上的1统计值：
b = 0: B = 10 * dc
b = 1: B = 10 * dc + a + 1
b > 1: B = 10 * (dc + 1)
百位数上的1统计值：
c = 0: C = 100 * d
c = 1: C = 100 * d + ba + 1
c > 1: C = 100 * (d + 1)
千位数上的1统计值：
d = 1: D = cba + 1
d > 1: D = 1000
“1”的个数：A + B + C + D
对于五位数edcba(e >= 1):
个位数上的1统计值：
a = 0: A = 1 * edcb
a = 1: A = 1 * edcb + k + 1 （k = 0）
a > 1: A = 1 * (edcb + 1)
十位数上的1统计值：
b = 0: B = 10 * edc
b = 1: B = 10 * edc + a + 1
b > 1: B = 10 * (edc + 1)
百位数上的1统计值：
c = 0: C = 100 * ed
c = 1: C = 100 * ed + ba + 1
c > 1: C = 100 * (ed + 1)
千位数上的1统计值：
d = 0: C = 1000 * e
d = 1: C = 1000 * e + cba + 1
d > 1: C = 1000 * (e + 1)
万位数上的1统计值：
e = 0: X （不存在）
e = 1: D = 1000 * f + dcba + 1 （f = 0）
e > 1: D = 10000 * (f + 1) （f = 0）
“1”的个数：A + B + C + D + E
时间复杂度计算：O(logn)（对数函数实际上以10为底）
gprof 时间性能监视测试:基本上不耗费时间：0.00
版本三：逐步缩小数据规模，把大的数分解为更小的数的组合，利用递归的思想求解。
（此想法参考自一篇文章：http://www.cnblogs.com/jy02414216/archive/2011/03/09/1977724.html）
9 #include <stdlib.h>
10 #include <stdio.h>
11
12 typedef long long TYPE;
13 TYPE N = 1000000000;
14
15 TYPE count_number_1(TYPE n)
16 {
17 TYPE sum = 0;
18 TYPE bits = 0;
19 TYPE pow_bits = 1;
20 TYPE n_cpy = n;
21 while(n_cpy) {
22 bits++;
23 pow_bits *= 10;
24 n_cpy /= 10;
25 }
26 pow_bits /= 10;
27 if(bits > 1) {
28 TYPE top_bit_value = n / pow_bits;
29 TYPE low_bit_value = n % pow_bits;
30 // recursive
31 if(top_bit_value == 1) {
32 sum = count_number_1(low_bit_value) +
33 count_number_1(pow_bits - 1) +
34 low_bit_value + 1;
35 } else {
36 sum = count_number_1(low_bit_value) +
37 top_bit_value * count_number_1(pow_bits - 1) +
38 pow_bits;
39 }
40 } else {
41 // lowest bits
42 if (n < 1)
43 sum = 0;
44 else
45 sum = 1;
46 }
47 return sum;
48 }
49
50 int main(void)
51 {
52 TYPE i;
53 TYPE sum = 0;
54 sum += count_number_1(N);
55 printf("sum of number 1 in %lld is %lld.\n", N, sum);
56 return EXIT_SUCCESS;
57 }
时间复杂度计算：O(2^logn)（对数函数实际上以10为底）
gprof 时间性能监视测试:基本上不耗费时间：0.00
特点：考虑的数据规模的递减，通过递归思路不断缩小数据规模，最后只剩下个位数“1”含有个数的求解。但是数据过大时递归可能会导致堆栈溢出。下面为思考过程（对于不同位数通过找例子测试得到规律）：
个位数a:f(a)
a < 1 : A = 0
a >= 1 : A = 1
十位数ba:
b = 1 : BA = f(a) + f(9) + a + 1
b > 1 : BA = f(a) + b * f(9) + 10
百位数cba:
c = 1 : CBA = f(ba) + f(99) + ba + 1
c > 1 : CBA = f(ba) + c * f(99) + 100
千位数dcba:
d = 1 : CBA = f(cba) + f(999) + cba + 1
d > 1 : CBA = f(cba) + d * f(999) + 1000
三、总结与思考
这道题目的第一种解法是最先想到的解法，符合编程的思维习惯，但是第二种解法确使运算效率提升到一个新的档次，第二种解法，从数学的思考角度去考虑，通过寻找规律来寻找求解。所以，有的复杂的算法，先转变为数学问题，通过数学规律或相互关系寻找新的数学上的解法，再编程实现，效率说不定能够快速提升。当然，第一种解法直观易懂，大家很容易推出问题，第二种解法不容易推出问题，但是效率确实更优的。当程序运算效率跟不上时，不防通过考虑下数学问题推导这种思维进行优化。
第三种解法参考别的文章的提示思路，采用的时递归缩小数据规模的想法，运用了分治的思想，这个方法实际测试效率时发现也效率和是相当高的，但时间复杂度这个值参考别人的计算结果，并未自己验证，因此无法准确的进行评估。
备注：
1.转载请注明出处：http://blog.csdn.net/chensilly8888/
2.全文源码均开源（在UBUNTU + GCC4.8.2下编译并测试通过），可下载或查看：https://github.com/chenxilinsidney/funnycprogram/tree/master/beauty_of_programming/count_number_1
3.有写错或写漏之处请指正，谢谢！
