补码定义解疑

上面的三个定义,原码和反码没有必要过多解释,但是,补码码的计算方式很多人是困惑的,为什么要各位取反再加1?
回到前面的互补数,我们知道,互补数,假设一个数A,求A在模M下的补数=M-A;同理,一个二进制数B,求它的补码(负数的情况下)=M-B,其实和互补数的求法是一样的,那为什么是取反后加1呢?我们直接用二进制数来看一下:
M = 10000000;
B = 10000001;
我们知道byte的高位是符号位不表示数字,那么这个模M(128)显然是不能用来计算的,但是,没关系我们可以用1111111(127,M-1)来替代模M,那么前面的计算就可以是M-1-B+1,这样间接计算B的补数,这样一来127的二进制低7位各个位都是1,减去一个小于128的数就好比这个数各位取反,由于我们把模M的值低估了1所有取反之后再加1就刚好是B在128模M下的补数,即补码。
说到这里应该都明白补码定义的根本了。
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### 原码、反码和补码定义 #### 一、原码 原码是一种最简单的机器数表示方法。采用第一位表示符号,其余位表示数值的方法。例如,在8位二进制下: - 正数5的原码为 `0000 0101`[^3]。 - 负数-5的原码则为 `1000 0101`。 这种编码方式简单直观,但是存在两个零(+0 和 -0),这给计算带来了不便。 #### 二、反码 对于正数而言,其反码与其原码相同;而对于负数来说,则需要对其除符号位外的所有位求反得到反码。比如: - 单字节情况下,+5 的反码依然是 `0000 0101`; - 对于 -5 ,先写出它的原码形式 `1000 0101`,再将其后面七位取反变为 `1111 1010`[^1]。 这种方式虽然解决了部分问题,但在加减法运算时仍然不够理想。 #### 三、补码 为了使计算机能够更方便地处理带符号的数据并简化硬件设计,引入了补码的概念。具体规则如下: - **正数**:其补码等于自身的原码; - **负数**:可以通过两种途径获得: - 方法一:基于反码的基础上加上1来获取; - 方法二:直接按照模意义下的真值进行转换。 以单字节为例, - +5 的补码依旧是 `0000 0101`; - -5 的补码通过上述任一方法均可得出为 `1111 1011`[^2]。 值得注意的是,在实际应用中,现代计算机普遍采用了补码体系来进行数据存储与运算操作,因为这样可以有效地提高效率并且使得算法实现更为简洁。 ```python def get_complement(num, bit_length=8): """ 获取指定长度bit的补码 """ if num >= 0: return bin(num)[2:].zfill(bit_length) else: # 处理负数情况 positive_bin = bin(abs(num))[2:].zfill(bit_length) inverted_bits = ''.join(['1' if b=='0' else '0' for b in positive_bin]) complement = int(inverted_bits, 2) + 1 return bin(complement & ((1 << bit_length) - 1))[2:].zfill(bit_length) print(get_complement(-5)) # 输出: 11111011 ```
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