原码、反码、补码及其运算、位运算

计算机中的数据都是以补码的形式存放和计算!

原码

将一个整数转换成二进制形式,就是其原码。例如short a = 6; a 的原码就是0000 0000 0000 0110;更改 a 的值a = -18; 此时 a 的原码就是1000 0000 0001 0010

通俗的理解,原码就是一个整数本来的二进制形式。

反码
  • 对于正数,它的反码就是其原码(原码和反码相同)
  • 负数的反码是将原码中除符号位以外的所有位(数值位)取反,也就是 0 变成 1,1 变成 0。
    例如short a = 6; a 的原码和反码都是0000 0000 0000 0110;更改 a 的值a = -18; 此时 a 的反码是1111 1111 1110 1101
补码
  • 对于正数,它的补码就是其原码(原码、反码、补码都相同)
  • 负数的补码是其反码加 1
    例如short a = 6; a 的原码、反码、补码都是0000 0000 0000 0110;更改 a 的值a = -18; 此时 a 的补码是1111 1111 1110 1110

可以认为,补码是在反码的基础上打了一个补丁,进行了一下修正,所以叫“补码”。

原码、反码、补码的概念只对负数有实际意义,对于正数,原码、反码、补码都是一样的。

最后总结一下 6 和 -18 从原码到补码的转换过程:


在计算机内存中,整数一律采用补码的形式来存储。这意味着,当读取整数时还要采用逆向的转换,也就是将补码转换为原码。将补码转换为原码也很简单:先减去 1,再将数值位取反即可。

补码到底简化硬件电路的

由于整数在内存中是以补码表示的,那么计算机只要设计一种简单的、不用区分符号位和数值位的加法电路,就能同时实现加法和减法运算,并且非常高效,极大简化了计算机的硬件电路。

补码计算:
6 - 18 = 6 + (-18)
= [0000 0000 0000 0110]补 + 
  [1111 1111 1110 1110]补
= [1111 1111 1111 0100]补  ,负数减1
= [1111 1111 1111 0011]反
= [1000 0000 0000 1100]原
= -12

18 - 6 = 18 + (-6)
= [0000 0000 0001 0010]补 + 
  [1111 1111 1111 1010]补
= [1 0000 0000 0000 1100]补
= [0000 0000 0000 1100]补
= [0000 0000 0000 1100]反
= [0000 0000 0000 1100]原
= 12

5 - 13 = 5 + (-13)
= [0000 0000 0000 0101]补 + 
  [1111 1111 1111 0011]补
= [1111 1111 1111 1000]补
= [1111 1111 1111 0111]反
= [1000 0000 0000 1000]原
= -8

13 - 5 = 13 + (-5)
= [0000 0000 0000 1101]补 +
  [1111 1111 1111 1011]补
= [1 0000 0000 0000 1000]补 
= [0000 0000 0000 1000]补
= [0000 0000 0000 1000]反
= [0000 0000 0000 1000]原
= 8

位运算

1、“与” 运算(&)

运算规则: 两个参与运算的数据,按照它们的二进制位进行运算。
只有两个位都是1的时候结果才是1,否则是0。 例如1&1=1,1&0=0,0&1=0,0&0=0

举例: 3&5=? 首先将3换算成2二进制数,3是 0000_0011,5是 0000_0101,则

  0000_0011
& 0000_0101
= 0000_0001
 即结果是十进制的1

补充:负数按补码的形式参与 “与” 运算。

用途:

1)将某些位的值变成0

比如 0010_1010,如果跟 0000_1100按位 "与",就是把高4位以及低2位变成0,结果如  0000_1000

2)检测某个位的值是不是1

比如有个值是 0000_0101,它的每个位代表着一个开关,0是关1是开,我怎么知道某个位上的值是什么?

比如和 0000_0001按位 "与" 就可以得到右边第一位是不是1,检测右边第二位是否1可以跟 0000_0010 按位 "与",如此类推...

3)取一个数的某几位的值(其实跟第二种用法差不多)

比如,有个值是 0010_0101,要取高4位,就跟 1111_0000 运算得到 0010_0000;要取低4位,就跟
0000_1111 运算得到 0000_0101;要取指定位上的值,只要跟那个位上是1的数进行按位 "与" 就行了。

其实原理就是可以用1去试探,只有原来的值是1才会得到1,原来是0,也得到0,所以得到什么值表示了原来是什么值

2、“或” 运算(|)

运算规则: 将两个要运算的数据,按照它们的二进制位,进行 “或” 运算。
即只要有一个是1,结果就是1。*如:1|0=1,0|1=1,1|1=1,0|0=0

举例: 3|5=? 换算一下,3是 0000_0011,5是 0000_0101,则

 0000_0011
|0000_0101
=0000_0111
即结果是十进制的7

补充:负数的按位 “或” 要转换为补码的形式再进行计算。

用途:

1)把某个位上的值改成1

例如 0000_0101,要把右边第二位改成1,只要和 0000_0010 按位 "或" 即可。

3、“异或” 运算(^)

运算规则: 异或,就是特殊的 “或”,0|0=0,0|1=1,1|0=1,1|1=0,简单而言,就是 相同为0,不同为1

举例: 3^5,3转成二进制,则

 0000_0011
^0000_0101
=0000_0110
即十进制的6

用途:

1)让一个数的位0变1,1变0(有人疑惑,这不是取反运算符也可以吗?,不同,这个可以按自己需要指定哪几位)

比如有个值 0100_0101,我想翻转,则跟 1111_1111 进行按位 "异或",得到 1011_1010

2)与0相异或,保留原值 ,1010_1110 ^ 0000 0000 = 1010_1110。

4、取反运算(~)

运算规则: 取反,很简单,就是0=1,1=0。它是单目运算符

举例: ~3

 ~0000_0011=1111_1100,即十进制的252

5、左移运算(<<)

正数负数都是相同的处理方式:高位溢出的丢弃,低位不足的补0

效果:值乘以2。但有些情况会溢出得到负数。

6、右移运算(>>)

正负数的右移处理方式不同

正数:高位补0,低位溢出的舍去
负数:高位补1,低位溢出的舍去

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