原码、反码、补码以及补码是怎么来的

本文探讨了原码、反码和补码的概念及其由来,旨在帮助读者理解这些编码方式在计算机中的作用。补码的设计解决了正负数混合运算的问题,确保计算的正确性。文章通过实例和逻辑推理,证明了补码定义的合理性。

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近日沉迷ACM不能自拔,恰巧碰到一个位运算的题目卡在了原理上,主要涉及了补码的问题。查了不少资料,看到了一些讲的很好的文章,但细读下来也存在一些问题。

回头翻看教科书,发现多数教科书也并未给出很好的解释。

这一部分内容在高校大一时的大学计算机基础有教授,但限于当时对进位制掌握不完全,编码也没有初步理解,因此多数人还是“满秩茫然”的状态。

这篇文是按照我的思路整理必要的概念和原理,希望对希望“刨根问底”、究其根源的同学有一些帮助。

本文分为两部分:先阐述概念和结论,再探究概念的合理性及结论的正确性。

这篇文章的目的是希望读者在仅掌握进位制知识(具体来说是二进制)的前提下能理解原码、反码、补码的概念和由来。

为了讨论问题方便,通篇均假设:一个十进制数由4位二进制数表示。暂且忽略int类型的值占用4字节的问题。位数问题仅涉及取值范围,不影响讨论的一般性。

还要说一个“人尽皆知”的事实:数据在计算机内存中是以补码的形式存储的。

 

一. 原码、反码、补码的概念:

原码:数字本身的二进制表示+符号位,其中符号位占用数字本身二进制的最高位。原码的具体位数(bits)由操作系统、数据类型、编译器联合决定。

举个例子:十进制的1即为0001,其中最高位0为符号位,表示正数。如果最高位为1则表示负数。

反码:除去符号位,原码的其他位按位取反。

补码:正数的补码就是原码,而负数的补码为其反码+1。于是我们结合反码的定义,就得到与教科书上一致的结论:负数的补码=(除符号位)原码按位取反再+1。

 

### 原码反码补码的概念及区别 #### 一、概念介绍 - **原码**是指最高位作为符号位(0代表正数,1代表负数),其余各位表示数值绝对值的二进制编码形式。对于8位机器而言,+3的原码为`0000 0011`,而−3则为`1000 0011`[^4]。 - **反码**用于表示带符号整数,在正数情况下其表现形式同原码一致;当处理负数时,则需将除符号位外的所有位取反操作得到的结果即为其反码。例如,按照上述例子中提到的数据,+3依旧保持不变仍为`0000 0011`,但是-3会变成`1111 1100`[^2]。 - **补码**同样适用于表达带有符号属性的整型变量。正值情形下它也跟前两者一样呈现出来;而对于负值来说,可以通过对其对应的反码加1获得最终结果。还是以上面那个实例为基础,那么此时-3应该被记录成`1111 1101`的形式。 #### 二、特性对比分析 | 编码方式 | 正数表示方法 | 负数表示方法 | |----------|---------------------|----------------------------------| | 原码 | 符号位为0 | 符号位为1 | | 反码 | 同于原码 | 非符号位按位取反 | | 补码 | 同于其他两种 | 对应反码基础上再加1 | 值得注意的是,在实际应用过程中,补码因为可以使得减法转换成加法执行从而简化硬件实现逻辑,并且解决了零存在两个不同表示的问题(-0 和 +0),所以在当今几乎所有的计算设备内部都采用了这种编码方案来进行数值存储与运算[^3]。 ```python def get_complement(num, bit_length=8): """获取给定十进制整数num在指定比特长度下的补码""" 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 format(complement % (1 << bit_length), f'0{bit_length}b') print(get_complement(3)) # 输出:00000011 print(get_complement(-3)) # 输出:11111101 ```
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