我C，原碼/反碼/補碼，我特喵也忘個精光...
本文通過回顧計算機(jī)基礎(chǔ)，徹底搞懂計算機(jī)里的原碼, 反碼和補碼。?并且進(jìn)行深入探究，為何要使用反碼和補碼, 以及更進(jìn)一步的論證了為何可以用反碼, 補碼的加法計算原碼的減法。論證部分如有不對的地方請各位牛人幫忙指正! 希望本文對大家學(xué)習(xí)計算機(jī)基礎(chǔ)有所幫助。
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一. 機(jī)器數(shù)和真值
在學(xué)習(xí)原碼, 反碼和補碼之前, 需要先了解機(jī)器數(shù)和真值的概念.
1、機(jī)器數(shù)
一個數(shù)在計算機(jī)中的二進(jìn)制表示形式, ?叫做這個數(shù)的機(jī)器數(shù)。機(jī)器數(shù)是帶符號的，在計算機(jī)用一個數(shù)的最高位存放符號, 正數(shù)為0, 負(fù)數(shù)為1.
比如，十進(jìn)制中的數(shù) +3 ，計算機(jī)字長為8位，轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制就是00000011。如果是 -3 ，就是 10000011 。
那么，這里的 00000011 和 10000011 就是機(jī)器數(shù)。
2、真值
因為第一位是符號位，所以機(jī)器數(shù)的形式值就不等于真正的數(shù)值。例如上面的有符號數(shù) 10000011，其最高位1代表負(fù)，其真正數(shù)值是 -3 而不是形式值131（10000011轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制等于131）。所以，為區(qū)別起見，將帶符號位的機(jī)器數(shù)對應(yīng)的真正數(shù)值稱為機(jī)器數(shù)的真值。
例：0000 0001的真值 = +000 0001 = +1，1000 0001的真值 = –000 0001 = –1
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二. 原碼, 反碼, 補碼的基礎(chǔ)概念和計算方法.
在探求為何機(jī)器要使用補碼之前, 讓我們先了解原碼, 反碼和補碼的概念.對于一個數(shù), 計算機(jī)要使用一定的編碼方式進(jìn)行存儲. 原碼, 反碼, 補碼是機(jī)器存儲一個具體數(shù)字的編碼方式.
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, 其余位表示值. 比如如果是8位二進(jìn)制:
[+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位二進(jìn)制數(shù)的取值范圍就是:
[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(shù)的反碼是其本身
負(fù)數(shù)的反碼是在其原碼的基礎(chǔ)上, 符號位不變，其余各個位取反.
[+1] = [00000001]原?= [00000001]反
[-1] = [10000001]原?= [11111110]反
可見如果一個反碼表示的是負(fù)數(shù), 人腦無法直觀的看出來它的數(shù)值. 通常要將其轉(zhuǎn)換成原碼再計算.
3. 補碼
補碼的表示方法是:
正數(shù)的補碼就是其本身
負(fù)數(shù)的補碼是在其原碼的基礎(chǔ)上, 符號位不變, 其余各位取反, 最后+1. (即在反碼的基礎(chǔ)上+1)
[+1] = [00000001]原?= [00000001]反?= [00000001]補
[-1] = [10000001]原?= [11111110]反?= [11111111]補
對于負(fù)數(shù), 補碼表示方式也是人腦無法直觀看出其數(shù)值的. 通常也需要轉(zhuǎn)換成原碼在計算其數(shù)值.
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三. 為何要使用原碼, 反碼和補碼
在開始深入學(xué)習(xí)前, 我的學(xué)習(xí)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(xiàn)在我們知道了計算機(jī)可以有三種編碼方式表示一個數(shù). 對于正數(shù)因為三種編碼方式的結(jié)果都相同:
[+1] = [00000001]原?= [00000001]反?= [00000001]補
所以不需要過多解釋. 但是對于負(fù)數(shù):
[-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并用于計算表示方式, 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(jù)符號位, 選擇對真值區(qū)域的加減. (真值的概念在本文最開頭). 但是對于計算機(jī), 加減乘數(shù)已經(jīng)是最基礎(chǔ)的運算, 要設(shè)計的盡量簡單. 計算機(jī)辨別"符號位"顯然會讓計算機(jī)的基礎(chǔ)電路設(shè)計變得十分復(fù)雜! 于是人們想出了將符號位也參與運算的方法. 我們知道, 根據(jù)運算法則減去一個正數(shù)等于加上一個負(fù)數(shù), 即: 1-1 = 1 + (-1) = 0 , 所以機(jī)器可以只有加法而沒有減法, 這樣計算機(jī)運算的設(shè)計就更簡單了.
于是人們開始探索 將符號位參與運算, 并且只保留加法的方法. 首先來看原碼:
計算十進(jìn)制的表達(dá)式: 1-1=0
1 - 1 = 1 + (-1) = [00000001]原?+ [10000001]原?= [10000010]原?= -2
如果用原碼表示, 讓符號位也參與計算, 顯然對于減法來說, 結(jié)果是不正確的.這也就是為何計算機(jī)內(nèi)部不使用原碼表示一個數(shù).
為了解決原碼做減法的問題, 出現(xiàn)了反碼:
計算十進(jìn)制的表達(dá)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(fā)現(xiàn)用反碼計算減法, 結(jié)果的真值部分是正確的. 而唯一的問題其實就出現(xiàn)在"0"這個特殊的數(shù)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]原兩個編碼表示0.
于是補碼的出現(xiàn), 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(xiàn)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(jié)果應(yīng)該是-128, 在用補碼運算的結(jié)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并沒有原碼和反碼表示.(對-128的補碼表示[1000 0000]補算出來的原碼是[0000 0000]原, 這是不正確的)
使用補碼, 不僅僅修復(fù)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(shù). 這就是為什么8位二進(jìn)制, 使用原碼或反碼表示的范圍為[-127, +127], 而使用補碼表示的范圍為[-128, 127].
因為機(jī)器使用補碼, 所以對于編程中常用到的32位int類型, 可以表示范圍是: [-231, 231-1] 因為第一位表示的是符號位.而使用補碼表示時又可以多保存一個最小值.
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四 原碼, 反碼, 補碼 再深入
計算機(jī)巧妙地把符號位參與運算, 并且將減法變成了加法, 背后蘊含了怎樣的數(shù)學(xué)原理呢?
將鐘表想象成是一個1位的12進(jìn)制數(shù). 如果當(dāng)前時間是6點, 我希望將時間設(shè)置成4點, 需要怎么做呢?我們可以:
1. 往回?fù)?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是指取模操作, 16 mod 12 =4 即用16除以12后的余數(shù)是4.
所以鐘表往回?fù)?減法)的結(jié)果可以用往前撥(加法)替代!
現(xiàn)在的焦點就落在了如何用一個正數(shù), 來替代一個負(fù)數(shù). 上面的例子我們能感覺出來一些端倪, 發(fā)現(xiàn)一些規(guī)律. 但是數(shù)學(xué)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)? 不能靠感覺.
首先介紹一個數(shù)學(xué)中相關(guān)的概念: 同余
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同余的概念
兩個整數(shù)a，b，若它們除以整數(shù)m所得的余數(shù)相等，則稱a，b對于模m同余
記作 a ≡ b (mod m)
讀作 a 與 b 關(guān)于模 m 同余。
舉例說明:
4 mod 12 = 4
16 mod 12 = 4
28 mod 12 = 4
所以4, 16, 28關(guān)于模 12 同余.
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負(fù)數(shù)取模
正數(shù)進(jìn)行mod運算是很簡單的. 但是負(fù)數(shù)呢?
下面是關(guān)于mod運算的數(shù)學(xué)定義:
上面是截圖, "取下界"符號找不到如何輸入(word中粘貼過來后亂碼). 下面是使用"L"和"J"替換上圖的"取下界"符號:
x mod y = x - y L x / y J
上面公式的意思是:
x mod y等于 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
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開始證明
再回到時鐘的問題上:
回?fù)?小時 = 前撥10小時
回?fù)?小時 = 前撥8小時
回?fù)?小時= 前撥7小時
注意, 這里發(fā)現(xiàn)的規(guī)律!
結(jié)合上面學(xué)到的同余的概念.實際上:
(-2) mod 12 = 10
10 mod 12 = 10
-2與10是同余的.
(-4) mod 12 = 8
8 mod 12 = 8
-4與8是同余的.
距離成功越來越近了. 要實現(xiàn)用正數(shù)替代負(fù)數(shù), 只需要運用同余數(shù)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) 那么:
(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(xiàn)在我們?yōu)橐粋€負(fù)數(shù), 找到了它的正數(shù)同余數(shù). 但是并不是7-2 = 7+10, 而是 7 -2 ≡ 7 + 10 (mod 12) , 即計算結(jié)果的余數(shù)相等.
接下來回到二進(jìn)制的問題上, 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的反碼表示是1111 1110. 如果這里將[1111 1110]認(rèn)為是原碼, 則[1111 1110]原 = -126, 這里將符號位除去, 即認(rèn)為是126.
發(fā)現(xiàn)有如下規(guī)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的余數(shù)結(jié)果是相同的! 而這個余數(shù), 正式我們的期望的計算結(jié)果: 2-1=1
所以說一個數(shù)的反碼, 實際上是這個數(shù)對于一個膜的同余數(shù). 而這個膜并不是我們的二進(jìn)制, 而是所能表示的最大值! 這就和鐘表一樣, 轉(zhuǎn)了一圈后總能找到在可表示范圍內(nèi)的一個正確的數(shù)值!
而2+126很顯然相當(dāng)于鐘表轉(zhuǎn)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(jié)果.
既然反碼可以將減法變成加法, 那么現(xiàn)在計算機(jī)使用的補碼呢? 為什么在反碼的基礎(chǔ)上加1, 還能得到正確的結(jié)果?
2-1=2+(-1) = [0000 0010]原?+ [1000 0001]原?= [0000 0010]補?+ [1111 1111]補
如果把[1111 1111]當(dāng)成原碼, 去除符號位, 則:
[0111 1111]原?= 127
其實, 在反碼的基礎(chǔ)上+1, 只是相當(dāng)于增加了膜的值:
(-1) mod 128 = 127
127 mod 128 = 127
2-1 ≡ 2+127 (mod 128)
此時, 表盤相當(dāng)于每128個刻度轉(zhuǎn)一輪. 所以用補碼表示的運算結(jié)果最小值和最大值應(yīng)該是[-128, 128].
但是由于0的特殊情況, 沒有辦法表示128, 所以補碼的取值范圍是[-128, 127]
完
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