原碼,反碼,補碼詳解及 Java中>>和>>>的區別，反碼補碼

原碼,反碼,補碼詳解及 Java中>>和>>>的區別，反碼補碼

        前兩天分析 HashMap 的 hash 演算法的時候，遇見了 >> 和 >>> 這兩個符號，當時查了下資料，在腦子中過了一下。今天又碰到了，沒想到竟然忘了  0-0........

        我這記憶力哎，不說了。只好做個筆記，提醒自己，遇到啥不會的最好記下來，好記性不如爛部落格啊~

        既然涉及到位元運算，我們追本索源，就先從最基礎的原碼，補碼和反碼學起。搜了一下這方面的資料，發現一篇專門介紹這方面的文章，寫的很是透徹，便直接引用過來了，原文地址是：http://www.cnblogs.com/zhangziqiu/archive/2011/03/30/ComputerCode.html

一. 機器數和真值在學習原碼, 反碼和補碼之前, 需要先瞭解機器數和真值的概念.
1、機器數

        一個數在電腦中的二進位表示形式, 叫做這個數的機器數。機器數是帶符號的，在電腦用一個數的最高位存放符號, 正數為0, 負數為1.

        比如，十進位中的數 +3 ，電腦字長為8位，轉換成二進位就是00000011。如果是 -3 ，就是 10000011 。

        那麼，這裡的 00000011 和 10000011 就是機器數。

2、真值

        因為第一位是符號位，所以機器數的形式值就不等於真正的數值。例如上面的有符號數 10000011，其最高位1代表負，其真正數值是 -3 而不是形式值131（10000011轉換成十進位等於131）。所以，為區別起見，將帶符號位的機器數對應的真正數值稱為機器數的真值。

        例：0000 0001的真值 = +000 0001 = +1，1000 0001的真值 = –000 0001 = –1

二. 原碼, 反碼, 補碼的基礎概念和計算方法        在探求為何機器要使用補碼之前, 讓我們先瞭解原碼, 反碼和補碼的概念.對於一個數, 電腦要使用一定的編碼方式進行儲存. 原碼, 反碼, 補碼是機器儲存一個具體數位編碼方式.
1. 原碼

        原碼就是符號位加上真值的絕對值, 即用第一位表示符號, 其餘位表示值. 比如如果是8位二進位:

                [+1]原 = 0000 0001
                [-1]原 = 1000 0001

        第一位是符號位. 因為第一位是符號位, 所以8位位元的取值範圍就是:

        [1111 1111 , 0111 1111]
        即

        [-127 , 127]

        原碼是人腦最容易理解和計算的表示方式.

2. 反碼

        反碼的表示方法是:

                正數的反碼是其本身
                負數的反碼是在其原碼的基礎上, 符號位不變，其餘各個位取反.

                [+1] = [00000001]原 = [00000001]反
                [-1] = [10000001]原 = [11111110]反

        可見如果一個反碼錶示的是負數, 人腦無法直觀的看出來它的數值. 通常要將其轉換成原碼再計算.

3. 補碼

        補碼的表示方法是:

                正數的補碼就是其本身
                負數的補碼是在其原碼的基礎上, 符號位不變, 其餘各位取反, 最後+1. (即在反碼的基礎上+1)

                [+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]補
                [-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]補

        對於負數, 補碼錶示方式也是人腦無法直觀看出其數值的. 通常也需要轉換成原碼在計算其數值.

三. 為何要使用原碼, 反碼和補碼

        在開始深入學習前, 我的學習建議是先"死記硬背"上面的原碼, 反碼和補碼的表示方式以及計算方法.

        現在我們知道了電腦可以有三種編碼方式表示一個數. 對於正數因為三種編碼方式的結果都相同:

                [+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]補

        所以不需要過多解釋. 但是對於負數:

                [-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]補

        可見原碼, 反碼和補碼是完全不同的. 既然原碼才是被人腦直接識別並用於計算表示方式, 為何還會有反碼和補碼呢?

        首先, 因為人腦可以知道第一位是符號位, 在計算的時候我們會根據符號位, 選擇對真值地區的加減. (真值的概念在本文最開頭). 但是對於電腦, 加減乘數已經是最基礎的運算, 要設計的盡量簡單. 電腦辨別"符號位"顯然會讓電腦的基礎電路設計變得十分複雜! 於是人們想出了將符號位也參與運算的方法. 我們知道, 根據運演算法則減去一個正數等於加上一個負數, 即: 1-1 = 1 + (-1) = 0 , 所以機器可以只有加法而沒有減法, 這樣電腦運算的設計就更簡單了.

        於是人們開始探索 將符號位參與運算, 並且只保留加法的方法. 首先來看原碼:

        計算十進位的運算式: 1-1=0

                1 - 1 = 1 + (-1) = [00000001]原 + [10000001]原 = [10000010]原 = -2

        如果用原碼錶示, 讓符號位也參與計算, 顯然對於減法來說, 結果是不正確的.這也就是為何電腦內部不使用原碼表示一個數.

        為瞭解決原碼做減法的問題, 出現了反碼:

        計算十進位的運算式: 1-1=0

                1 - 1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原= [0000 0001]反 + [1111 1110]反 = [1111 1111]反 = [1000 0000]原 = -0

        發現用反碼計算減法, 結果的真值部分是正確的. 而唯一的問題其實就出現在"0"這個特殊的數值上. 雖然人們理解上+0和-0是一樣的, 但是0帶符號是沒有任何意義的. 而且會有[0000 0000]原和[1000 0000]原兩個編碼錶示0.

        於是補碼的出現, 解決了0的符號以及兩個編碼的問題:

                1-1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原 = [0000 0001]補 + [1111 1111]補 = [0000 0000]補=[0000 0000]原

        這樣0用[0000 0000]表示, 而以前出現問題的-0則不存在了.而且可以用[1000 0000]表示-128:

                (-1) + (-127) = [1000 0001]原 + [1111 1111]原 = [1111 1111]補 + [1000 0001]補 = [1000 0000]補

        -1-127的結果應該是-128, 在用補碼運算的結果中, [1000 0000]補 就是-128. 但是注意因為實際上是使用以前的-0的補碼來表示-128, 所以-128並沒有原碼和反碼錶示.(對-128的補碼錶示[1000 0000]補算出來的原碼是[0000 0000]原, 這是不正確的)

        使用補碼, 不僅僅修複了0的符號以及存在兩個編碼的問題, 而且還能夠多表示一個最低數. 這就是為什麼8位二進位, 使用原碼或反碼錶示的範圍為[-127, +127], 而使用補碼錶示的範圍為[-128, 127].

        因為機器使用補碼, 所以對於編程中常用到的32位int類型, 可以表示範圍是: [-231, 231-1] 因為第一位表示的是符號位.而使用補碼錶示時又可以多儲存一個最小值.

四 原碼, 反碼, 補碼 再深入

        電腦巧妙地把符號位參與運算, 並且將減法變成了加法, 背後蘊含了怎樣的數學原理呢?

        將鐘錶想象成是一個1位的12進位數. 如果目前時間是6點, 我希望將時間設定成4點, 需要怎麼做呢?我們可以:

                1. 往回撥2個小時: 6 - 2 = 4

                2. 往前撥10個小時: (6 + 10) mod 12 = 4

                3. 往前撥10+12=22個小時: (6+22) mod 12 =4

                2,3方法中的mod是指模數操作, 16 mod 12 =4 即用16除以12後的餘數是4.

        所以鐘錶往回撥(減法)的結果可以用往前撥(加法)替代!

        現在的焦點就落在了如何用一個正數, 來替代一個負數. 上面的例子我們能感覺出來一些端倪, 發現一些規律. 但是數學是嚴謹的. 不能靠感覺.

        首先介紹一個數學中相關的概念: 同餘

同餘的概念

        兩個整數a，b，若它們除以整數m所得的餘數相等，則稱a，b對於模m同餘

        記作 a ≡ b (mod m)

        讀作 a 與 b 關於模 m 同餘。

舉例說明:                4 mod 12 = 4
                16 mod 12 = 4
                28 mod 12 = 4

        所以4, 16, 28關於模 12 同餘.

負數模數

        正數進行mod運算是很簡單的. 但是負數呢?

        下面是關於mod運算的數學定義

                x mod y = x - y L x / y J

        上面公式的意思是:

        x mod y等於 x 減去 y 乘上 x與y的商的下界.

        以 -3 mod 2 舉例:

                -3 mod 2
                = -3 - 2xL -3/2 J
                = -3 - 2xL-1.5J
                = -3 - 2x(-2)
                = -3 + 4 = 1

        所以:

                (-2) mod 12 = 12-2=10
                (-4) mod 12 = 12-4 = 8
                (-5) mod 12 = 12 - 5 = 7

開始證明

        再回到時鐘的問題上:

                回撥2小時 = 前撥10小時
                回撥4小時 = 前撥8小時
                回撥5小時= 前撥7小時

        注意, 這裡發現的規律!

        結合上面學到的同餘的概念.實際上:

                (-2) mod 12 = 10
                10 mod 12 = 10

        -2與10是同餘的.

                (-4) mod 12 = 8
                8 mod 12 = 8

        -4與8是同餘的.

        距離成功越來越近了. 要實現用正數替代負數, 只需要運用同餘數的兩個定理:

反身性:

        a ≡ a (mod m)

        這個定理是很顯而易見的.

線性運算定理:

        如果a ≡ b (mod m)，c ≡ d (mod m) 那麼:

                (1)a ± c ≡ b ± d (mod m)
                (2)a * c ≡ b * d (mod m)

        如果想看這個定理的證明, 請看:http://baike.baidu.com/view/79282.htm

        所以:

                7 ≡ 7 (mod 12)
                (-2) ≡ 10 (mod 12)
                7 -2 ≡ 7 + 10 (mod 12)

        現在我們為一個負數, 找到了它的正數同餘數. 但是並不是7-2 = 7+10, 而是 7 -2 ≡ 7 + 10 (mod 12) , 即計算結果的餘數相等.

        接下來回到二進位的問題上, 看一下: 2-1=1的問題.

                2-1=2+(-1) = [0000 0010]原 + [1000 0001]原= [0000 0010]反 + [1111 1110]反

        先到這一步, -1的反碼錶示是1111 1110. 如果這裡將[1111 1110]認為是原碼, 則[1111 1110]原 = -126, 這裡將符號位除去, 即認為是126.

        發現有如下規律:

                (-1) mod 127 = 126
                126 mod 127 = 126

        即:

                (-1) ≡ 126 (mod 127)
                2-1 ≡ 2+126 (mod 127)

        2-1 與 2+126的餘數結果是相同的! 而這個餘數, 正式我們的期望的計算結果: 2-1=1

        所以說一個數的反碼, 實際上是這個數對於一個膜的同餘數. 而這個膜並不是我們的二進位, 而是所能表示的最大值! 這就和鐘錶一樣, 轉了一圈後總能找到在可表示範圍內的一個正確的數值!

        而2+126很顯然相當於鐘錶轉過了一輪, 而因為符號位是參與計算的, 正好和溢出的最高位形成正確的運算結果.

        既然反碼可以將減法變成加法, 那麼現在電腦使用的補碼呢? 為什麼在反碼的基礎上加1, 還能得到正確的結果?

                2-1=2+(-1) = [0000 0010]原 + [1000 0001]原 = [0000 0010]補 + [1111 1111]補

        如果把[1111 1111]當成原碼, 去除符號位, 則:

                [0111 1111]原 = 127

        其實, 在反碼的基礎上+1, 只是相當於增加了膜的值:

                (-1) mod 128 = 127
                127 mod 128 = 127
                2-1 ≡ 2+127 (mod 128)

        此時, 錶盤相當於每128個刻度轉一輪. 所以用補碼錶示的運算結果最小值和最大值應該是[-128, 128].

        但是由於0的特殊情況, 沒有辦法表示128, 所以補碼的取值範圍是[-128, 127]

Java中>> 和 >>>的區別

        到這裡，基本知識我們已經瞭解的很清楚了，那麼對於Java 中的移位元運算符>> 和 >>>，有什麼區別呢？

        無論>>還是>>>都是針對位元進行操作的。

        1、右移運算子>>使指定值的所有位都右移規定的次數。右邊移出去的部分扔掉不要，左邊空出來的部分用原來的數字填充（這就是所謂的帶符號右移）

                ——比如說5，右移後為00000010。
                ——假設x=-12，表示為32位int型就是 11111111111111111111111111110100 

                x>>2即帶符號右移2位，結果是 11111111111111111111111111111101，化為十進位等於-3

        2、>>>與>>唯一的不同是它無論原來的最左邊是什麼數，統統都用0填充。

                —— 比如 byte 類型的-1 為8位 11111111(補碼錶示法）

                b>>>4就是無符號右移4位，即00001111，這樣結果就是15。

JAVA中原碼 反碼 補碼是什？

反碼是將其2進位數每一位按位取反。
即1改為0，0改為1.

補碼則不同。
正數的補碼是其源碼本身
負數的補碼是其除符號位以外其他每一位按位取反再加一，符號位不變。
例如：
10進位數11：
源碼：00001011；
反碼：11110100；
補碼：00001011；
十進位數-11:
源碼：10001011；
反碼：01110100；
補碼：11110101；
 
正負數的原碼、反碼與補碼的不同

正數的原碼、補碼、反碼相同
負數的反碼是逐位取反（符號位除外）
補碼是反碼+1