這樣講原碼、反碼、補碼，幫學妹解決困擾了三天的問題
前言
補碼是給機器看的，原碼是給人看的，反碼是二者的橋梁，原碼反碼補碼雖然是簡單問題，但確實很多人很長時間沒有搞明白和深入思考，這篇把自己學習和理解過程記錄下來，剛好一個學妹問到這個問題。本篇只講原碼、反碼、補碼，位運算相關可以看這篇。
故事是一個真實的故事，前兩天要被一位小學妹折磨死，原碼、反碼、補碼不懂就算了，講了一遍還不懂，斷斷續續問了三天!沒錯，是三天!
我搞不懂是二進制太難還是我太難了呢?你們不信?立圖為證：
她這問的給我直接問懵逼了，二進制符號位不參與運算?我怎么聽得給我都聽糊涂了，哈哈哈，后來我就給他說了要參加運算，再后來又一個問題：
她這么確定的眼神給我搞得都有點懵逼，都嚇得我打一段代碼去驗證一下結果沒毛病，又巴拉巴拉給她講了一通。
我覺得應該可以了吧，結果在凌晨1.30的時候……
算了，算了，這孩子沒得救了，不管了，得讓她靜靜……我也得靜靜，梳理一下自己曾在原碼、反碼、補碼上的困惑。
記得剛學c++的時候：這啥玩意代碼不要求，不學
剛學操作系統、組成原理的時候：emumm，跳過跳過。
考研時候：會而不深刻。
所以以前的我也一直沒能搞懂二進制，并且很排斥二進制，總感覺它沒用還又燒腦。
但事實上二進制這個知識是無論如何也避免不了的知識點。想著要拯救更多苦于二進制或者說原碼反碼補碼的小學弟小學妹們，我得站出來做點什么,學妹直呼內行!
二進制數字
什么是二進制?
二進制(binary)在數學和數字電路中指以2為基數的記數系統，以2為基數代表系統是二進位制的。這一系統中，通常用兩個不同的符號0(代表零)和1(代表一)來表示 [1] 。數字電子電路中，邏輯門的實現直接應用了二進制，因此現代的計算機和依賴計算機的設備里都用到二進制。每個數字稱為一個比特(Bit，Binary digit的縮寫)
其實二進制的01就是對應數字電路中的關開，所以在整個計算機中所有的東西都是二進制科學，但我們只需要研究數字類型的二進制其規則原理的，數字本身最直接的就是二進制。
如果說不談啥原碼、反碼、補碼，光光看二進制跟十進制的關系，也不考慮位數，我想大部分人可以搞得懂。
- 比如2的二進制：10，3的二進制：11，4的二進制：100，5的二進制：101.
負數的二進制怎么搞?
- -2二進制-10?-3二進制-11?這樣不太妥吧，怎么跟著這么一個負數?
另外，這種不確定長度的二進制如果是一個數組我該怎么在計算機內存中找的到 ?
以一個可能不太恰當的圖展示一下：
大家一看直呼這樣不行，所以在計算機數值類型設計之初就明確表示：計算機基本數據是定長的，并且有兩部分組成:符號位(一位)和數值位(若干位)，其中符號位的0或者1分別表示正和負數，而數值位就是表示數據的大小。
你可能直呼：到底多少位表示一個數字呢?如果太長位數據如果很小(前面都是0)就會造成浪費，造成內存浪費，而位數太短又會導致裝不下，網友們直呼真難。
偉大的設計者們當然考慮了這個問題，他們將數值二進制的長度分為不同長度供你使用，在Java中有這8種基本數據類型(1byte=8bit)：
比如說你byte a=1,他在內存中就是這樣的：
- 0000 0001
如果你 int b=1;因為int是32位，那么他在內存中是這樣存的：
- 00000000 00000000 00000000 00000001
你可能會問為啥沒講負數?別急慢慢來，下面原碼、反碼、補碼講著呢。另外需要注意的是，二進制進行加法如果溢出，溢出部分不會記錄，只會保存有效部分，所以選用什么數據類型也要掂量目標數據的大小范圍。
原碼
上面既然初步知道了二進制數字的一些規律，那么就讓它來的更猛烈一些吧。原碼是什么意思呢?
原碼就是二進制的初始表示符號位，即最高位為符號位：正數該位為0，負數該位為1(0有兩種表示：+0和-0)，其余位表示數值的大小。
是不是很直接明了的展示一個值?原碼的優勢就是比較明顯的表示一個值。能夠清楚的知道這個二進制數表示是多少，簡單直觀。
但我們是否就可以使用原碼暢通無阻了呢?
當然不可以，原碼雖然可以很容易的表示一個正負數，但是我們觀察它的加法：
正數相加沒問題，但是負數的加法就出問題了：負數的加法只考慮絕對值數值的增加而未考慮負數的特性。而負數加負數的絕對值相反，所以在原碼上負數的加法就成了一個難題，走不通。
反碼
負數的原碼無法實現加法，因為原碼如果進行加法實現的是與符號無關數值絕對值的加法。所以這點和負數的加法規則矛盾，并且計算機也只會加法。咱們只能另從它計。
此時，有些偉大的大佬就發現了反碼這個東西，而反碼的定義是這樣的：正數的反碼與其原碼相同;負數的反碼是對正數逐位取反，符號位保持為1. 因為負數原碼的加法是相反的(即加一變成減一的操作)，我們想著如果給負數原碼中的數字01顛倒那么這個數字就會有比較有趣的事情。
原碼中本來比較大的數字(-1,-2等)在這樣轉換后看起來變得很小。原本很小的數字經過這樣的轉換后看起來很大。(也就無法直觀一下看出這個數字是多少)
轉換后的數字進行加法(正數)運算，在進行01互換之后可以進行正常加法的邏輯。
負數相加好像看起來也沒問題。
但是真的就可以了嘛?正數負數用反碼表示可以暢通無阻了?no no no。咱們記得原碼中有+0，-0.但是不影響操作吧。看看反碼中+0，-0的情況：
你看看，反碼它也不行啊，what should I do?看下面的補碼分析。
補碼
反碼為啥會出現這個問題呢?主要是正負0占了兩個坑：
也就是如果你用反碼表示這個數，用它進行加法運算，正數范圍內玩沒問題，負數范圍內玩也沒問題，但是當你從負數邁到正數的時候會經過兩個0(-0，+0)兩個零重復表示了。
這該如何表示呢?我們看看這些數字反碼的規律：
- -3的反碼：1111 1100
- -2的反碼：1111 1101
- -1的反碼：1111 1110
- -0的反碼：1111 1111
- +0的反碼：0000 0000
這些負數的反碼，如果都能加個1，那么這樣正負0的矛盾不久不存在了嘛?!!這就是所謂的補碼：符號位不變，正數的補碼為和原碼、反碼一致，負數的補碼為其反碼加1.
這樣我們就解決了所有難題，叱咤風云的進行計算了，其實我們在計算機中二進制也是用補碼表示所有數值。
對于補碼，你確實無法直接看出它是多少，負數或許理解起來可能還有那么一點點抽象，我們該如何理解補碼呢?
我是這么理解的：二進制數把數據分為正負兩個部分，分別表示兩個區間：
什么意思呢?這個也就是說你可以把負數看成一部分，正數看成一部分。而每個部分的數值也是相同的：無論負數還是正數出去符號位，都是從 000 0000~111 1111(byte為例)分布。如果前面符號位為1就是表示負數，負數的最小到最大(-128 ~ -1)共128個，如果是0就是正數的最小和最大(0 ~ 127)共128個。這樣理解是不是容易很多呢!
測試
上面講了那么多道理，咱們測試一下吧，用以下代碼驗證上述結果
- //微信公眾號：bigsai
- public class Main {
- public static void main(String[] args) {
- int a =-1;//11111111 11111111 11111111 11111111
- int b=1; //00000000 00000000 00000000 00000001
- System.out.println(Integer.toBinaryString(a));//輸出-1的二進制
- System.out.println(Integer.toBinaryString(b));//前面的0會省略
- /*
- * 127 + 1:
- * 0111 1111
- * +0000 0001
- * =1000 0000 = -128
- */
- byte c=127;
- byte d=(byte)(c+1);
- System.out.println(d);
- /*
- * -1+1
- * 1111 1111
- * + 0000 0001
- * =10000 0000(理論上) = 0000 0000(只有8位有效位) =0
- */
- byte e=-1;
- byte f=(byte)(e+1);
- System.out.println(f);
- }
- }
輸出結果：
這段代碼意會鞏固以下就好了。
總結
到此，是不是對原碼、反碼、補碼理解更透徹一點了呢?不管你懂沒懂，反正問她懂了嗎她是這么說的：
總結一下：
原碼，能夠直接的顯示數值的大小狀況。結構為符號位+數值部分。符號位0代表正，1代表負。
反碼，是一個過渡碼，其實就是在求補碼或者原碼補碼轉換過程中需要用到。其規則是正數反碼等于原碼，負數反碼符號位不變，數值位0變成1，1變成0.
補碼，計算機中數值都是以補碼的形式進行計算的，它有效的解決負數加法問題，也可以使符號位直接參與運算。并且原碼、反碼、補碼轉換很簡單。
好了，本篇已經結束了，希望有收獲的人能分享給需要的人。
