电脑原码、反码和补码的基本概念:数学运算与常用位操作技巧详解
前言
程序中的所有数在计算机内存中都是以二进制的形式储存的,位运算就是直接对整数在内存中的二进制位进行操作, 所以位运算更能够高效率的完成数值的计算,也可以节约内存,程序在计算的时候所有的数值或者对象最终都要转化为二进制,计算机运算只有加法和位运算, 减法也是将数转成负数二进制的补码再相加取值, 乘法转换为加法运算,除法转换为减法运算(减法再转为加法运算)
一:原码,反码,补码与加减乘除运算
1:原码,反码与补码
正数的原码,反码,补码都一至.
负数原码为绝对值二进制最高位取1, 负数的反码是原码(符号位除外)按位取反, 负数补码是反码+1
如9的原码,反码,补码都是 00000000 00000000 00000000 00001001
-9 原码 10000000 00000000 00000000 00001001
-9的反码 11111111 11111111 11111111 11110110
-9的补码 11111111 11111111 11111111 11110111
2:加法运算(与十进制类似例如6+9)
6的二进制 00000000 00000000 00000000 00000110
9的二进制 00000000 00000000 00000000 00001001
相加结果 00000000 00000000 00000000 00001111 转成十进制就是15
3:减法运算,减法其实就是将减的数转成负数取补码相加,例如6-9
正6的二进制 00000000 00000000 00000000 00000110
-9的二进制(补码) 11111111 11111111 11111111 11110111
相加结果 11111111 11111111 11111111 11111101 // 这个数就是-3的二进制
减1成反码 11111111...11111100 取反 10000000 ... 00000011 就是-3的原码喽
4:乘法运算(通过左移化解成加法运算)
十进制中例如140 * 121 = 140 *(1 * 10^0 +2 * 10^1+1 * 10^2) = 140+2800+14000 = 16940,二进制也是一样,
算9 * 6, 6的二进制110, 即 9 * (0 * 2^0 + 1 * 2^1 + 1 * 2^2)位数为0的都等于0,分解出来就是 0 + (9 <<1) + (9<<2)
9的二进制1001 上面分解就等于 0+10010+100100 = 110110 十进制就是54
5:除法(与十进制除法相似从高往低)
如73 / 5 , 73二进制1001001 , 5二进制101
从第一位 1 < 101 结果为0, 余1
到第二位1 0 <101结果为0,余10
到第三位 10 0 < 101 结果为0余100
到第四位 100 1 > 101 结果为1, 余为1001-101 = 100,
到第五位 100 0 > 101结果为1 余为1000 -101 = 11
到第六位11 0 > 101 结果为1 余为110 -101 = 1
到第七位 1 1 < 101 结果为0 余为 11
合起来结果就是 0001110 ,余为11 转十进制就是14余3
二:常用位运算技巧
1:左移 << 与 右移>>
左移<<各二进位全部左移若干位,高位丢弃,低位补0, 右移>>各二进位全部右移若干位,对无符号数,高位补0, 有符号时会补上符号位,在JAVA中若无符号右移为>>>,符号位补0
左移n位即二进制右边补了n个0, 相当乘于2^n, 右移n位相当除2^n, 最常见 除2的操作 num >> 1 , 取颜色值
例如求int最小值,最大值
int minInt() {
return 1 << 31;//10000000 00000000 00000000 00000000
}
int maxInt() {
return ~(1 << 31); //上面取反即可
}
c上获取 int最大值, 其他类型最大最小同理
int cMaxInt() {
return ((unsigned int)-1) >> 1;//右移一位相当符号位即可,取最小值将最大值取反即可
}
例如颠倒二进制位 00000000 00000000 10000000 10001110 变成01110001 00000001 00000000 00000000
uint32_t reverseBits(uint32_t n) {
int i = 1;
uint32_t r = n & 1;
while (i < 32) {
n >>= 1;
r = (r << 1) + (n & 1);
i++;
}
return r;
}
2:~ 取反 0变1, 1变0
如上求最大值最小值,最大值取反即为最小值,最小值取反即为最大值
10000000 最小值 取反 01111111即为最大值
3:&与运算 两个都为1时结果为1
例如:判断奇偶
二进制最后一位与1与&即可
bool isOdd(int num) {
return num & 1;
}
判断一个数是否为2的冥次,2的冥即二进制只有一个1
bool is2power(int num) {
if (num > 0) {
return (num & (num - 1)) == 0;
}
return false;
}
在一个2次冥大小的数组中递减或递加数组下标不越界不小于0,在队列数据结构中会使用到
size要为2的冥次
void queue(int size) {
int index = 0;
int maxIndex = size - 1;
while (true) {
index = index & maxIndex;
cout << index << endl;
index--; //index++
}
}
求二进制数中1的个数
int binary1Count(unsigned int num) {
int count = 0;
while (num > 0) {
num &= num - 1;
count++;
}
return count;
}
4:| 或运算 两个位都为0时结果为0,否则为1
求一个比n大的,并且是最小的2的幂,比如3->4, 6->8, 100->128, 256->512, 这种算法在需要2次冥大小的数据结构中非常常见
int power2(int num) {
num |= (num >> 1);
num |= (num >> 2);
num |= (num >> 4);
num |= (num >> 8);
num |= (num >> 16);
num++;
return num;
}
5:^异或运算 两个位相同为0,相异为1
判断两个字符是否相等忽略大小写
bool test(char c0, char c1) {
return c0 == c1 || (c0 ^ 32) == c1;
}
不用临时变量交换两个数
void swap(int &a, int &b) {
a ^= b;
b ^= a;
a ^= b;
}
判断是否为相同符号
bool isSameSign(int x, int y) {
return (x ^ y) >= 0;
}
hashCode打散
static final int hash(Object key) {
int h;
return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
给定一个非空整数数组,除了某个元素只出现一次以外,其余每个元素均出现两次。找出那个只出现了一次的元素(java)
public int singleNumber(int[] nums) {
for (int i = 1; i < nums.length; i++) {
nums[0] ^= nums[i];
}
return nums[0];
}
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数的机器码表示:原码、反码、补码、变形补码、移码和浮点数编码-数学定义:例:+111的原码为0111,-101的原码为1101 (2) 纯小数的原码表示 纯小数的原码首位同样为符号位,后面的数值则表示小数的尾数,纯小数的整数位为默认为0无需表示。 例:+0.111的原码为0111,-0.101的原码为1101 可以看到,+111和+0.111的原码同为0111,这是因为约定的小数点位置不同,整数的原码的小数点约定在末尾,纯小数的原码的小数点约定在数值的最前面,这样通过约定小数点的位置来表示数的方法就称为定点数表示法,约定小数点位置实际上就是约定编码中每一位的权重。 二、反码 正数的反码与其原码相同。 负数的反码是其对应原码的符号位不变,数值位按位取反。 数学定义:例: 真值 +111 -101 +0.111 -0.101 原码 0111 1101 0111 1101 反码 0111 1010 0111 1010 三、补码 原码虽然转换很简单,但是在做减法时操作很复杂(减不够还要借位),因此计算机在做加负数操作时会先将负数的原码转换为补码再做加法。 先举个栗子,假设时钟现在是9点钟,我把时针往回拨3个小时是6点钟,或者顺时针往后拨9个小时还是6点钟,也就是说9-3的结果等同于9+9(mod 12),对于模数12,-3的补码为+9,这就引申出了一种将减法转换为加法的思想,把减去一个正数视为加上一个负数(例如9+(-3)),再将负数转换为对应的补码,最后就可以和补码做加法了,若结果超出了模数则丢弃一个模数即可。 如图所示:9减去灰色的部分(-3)就等同于加上蓝色的部分,即-3的补码即为蓝色部分的长度9(mod 12)。即补码=模数+真值(超出模数则舍弃一个模数) (1) 整数的补码表示 对于一个n位的二进制真值x,则取模数为2^(n+1),若x为正数则补码和原码相同(加上一个模数又需舍弃一个模数 故相同),若为负数则补码为模数加上x。相对于原码,补码这里的首位就不仅代表原数真值的符号了,也是补码自己的一个数值位。 取模数为2^(n+1)是因为在需要舍弃模数时只需要舍弃运算结果(二进制数)的最高位即可,这在计算机中很容易实现 数学定义:例:三位二进制数的模数2^4就是10000,故+111的补码为0111(即10000 + 111 = 0111 (舍弃模数位)),-101的补码为1011(即10000 - 101 = 1011) 补码运算示例:那么+111 - 101 = +111 + (-101) = 0111 + 1011 = 10010,运算结果只保留后四位(即舍弃模数位),故计算结果为0010。这样就通过加法实现了减法运算。 补码可表示数据范围:由数学定义可知,n位二进制补码可表示的数据范围为 -2n-1~2n-1-1。以8位的byte类型数为例,可表示的数据范围为 -27~27-1,即-128至+127,最小负数-128(补码:1000 0000),最大负数-1(补码:1111 1111),0(补码:0000 0000),最小正数1(补码:0000 0001),最大正数127(补码:0111 1111)。 由补码求真值:正数的补码即为原码即为真值,负数的真值由计算规则可知 负数真值= - (模数 - 补码),以补码1111 1111为例,其真值 = - (1 0000 0000 - 1111 1111) = - 0000 0001 = -1 (2) 纯小数的补码表示 对于一个纯小数x,则取模数为2^1,正数的补码和原码相同,负数的补码为模数2加上x。同样补码的首位不仅代表原数真值的符号,也是补码的数值位。 数学定义:例:纯小数的模数2就是10,故+0.111的补码为0111,-0.101的补码为1011(小数点约定在符号位后) 计算机中求补码的规则 可以注意到求负数的补码时还是要做减法,这在计算机中就很不方便了,但是通过其数学定义可以看到无论是整数还是纯小数,负数的补码都等于反码的末尾加1,而这又等同于原码数值位从右向左遇到第一个1后,这个1左边的数值位都按位取反,故实际计算机中求补码的规则如下:正数的补码等于原码负数的补码等于原码的数值位从右向左的第一个1左边的所有数值位按位取反(例:byte类型值-6的原码为1000 0110,则其补码为1111 1010) 四、变形补码 两个补码在运算时可能会溢出从而产生错误的结果,比如0111+0101 = 1100,两个正数相加反而得到了一个负数,那么在计算机中要如何判断运算结果是否溢出了呢,这就引申出了变形补码。从直观上看,相对于补码来说变形补码就是用两位来表示符号位,00表示正数,11表示负数。运算结果符号位为01表示正溢出,10表示负溢出。