在java虚拟机规范中定义的整数类型有byte(8位),short(16位),int(32位),long(64位),它们都是有符号整数,即最高位为符号位。这些整数JVM中使用补码来表示. 那么我们首先来了解一下原码,反码和补码. 

1. 原码

符号位+二进制值,符号位在最左边. 例如: 

32位的整型原码: 
10的原码:  00000000 00000000 00000000 00001010 // 最左边的0表示正数
-10的原码:  10000000 00000000 00000000 00001010 // 最左边的1表示负数
8位的byte型原码:
8位byte的二进制数的取值范围就是:[1111_1111 , 0111_1111]  即 [-127 , 127]

2. 反码

符号位不变,其它位取反. 例如: 

10的反码:  01111111 11111111 11111111 11110101 // 最左边的0表示正数
-10的反码:  11111111 11111111 11111111 11110101 // 最左边的1表示负数

3. 补码

正整数的补码就是原码本身,负整数的补码就是反码加一. 

// 正整数的补码 = 原码
 10的补码:  00000000 00000000 00000000 00001010
 
// 负整数的补码 = 反码 + 1
 
  10000000 00000000 00000000 00001010  // -10原码
  11111111 11111111 11111111 11110101  // -10反码
+                                   1  // +1
--------------------------------------------------
  11111111 11111111 11111111 11110110  // 结果:-10的补码

4. 编写java代码来查看整数中每一位的实际值

int a=-10;
for(int i=0;i<32;i++){
     int t=(a&0x80000000>>>i)>>>(31-i);
     System.out.print( t );
}

//注: 以上也可以直接用以下代码输出二进制值 
System.out.println( Integer.toBinaryString(  a ) );

//注二:  >>>表示无符号右移,也叫逻辑右移,即若该数为正,则高位补0,而若该数为负数,则右移后高位同样补0

以上程序 的基本思想是: 进行32次循环,每次循环取出int值中的一位。   

0x80000000 就是二进制的 1000 0000 0000 0000 0000 0000,通过每次右移i位,定位到要获取的第i位,并将除该位外的其它位统一设置为0,而该位不变,最后将该位移至最右,并输出. 

输出结果:

java 整数怎么表示 java中正确的整数表示_jvm

与前面手算的-10的补码结果一致,这说明java虚拟机的底层存int采用补码形式. 

5. 为什么选用补码来做为计算机的实际存储方式?

  因为人脑从原码中可以知道第一位是符号位,可以根据符号位对真值的绝对值进行加减乘除,但是对于计算机来说,加减乘除是最最最基本的运算,要设计的尽量简单,计算机辨别符号位会让计算机的设计电路变得很复杂,于是人们想出了让符号位也参与到运算上来。减去一个数,等于加上他的负数。

  下面看一下, 使用原码参与运算的缺陷: 

java 整数怎么表示 java中正确的整数表示_补码_02

     从上面的原码表中可以看见左边(表示负数方向上的数值)每增加一个二进制单位对应的真数是递减的,而右边(正数方向)每增加一个二进制单位对应的真数是递增的,所以对于原码来说,能满足正数的加法,但无法满足负数的加法. 

2+1 = [0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010]原+[0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001]原=[0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011]原 = 3       
//正数方向的运算使用原码正确

1+-1=[0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 00001]原+[1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001]原=[1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010]原=-2     
//但负数方向的运算却是错误的

   为了满足负数对加法的需求,就必须让负数与他对应的二进制码是同步递增或者同步递减.

  于是就通过符号位不变,其余位取反来满足这个同步递增或者递减的要求,由于正数本来就满足它本身的加法,所以不需要做任何改变。这就是反码的定义由来。

6. 采用补码作为计算机的实际存储方式的好处.

  1) 统一数字0的表示。在使用补码表示时,无论把0归入正数或负数结果是相同的。 计算过程如下:

    如0为正数,则正数的补码为自身,所以0的补码为: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 . 

    如0为负数,则补码为反码加1,负数0的原码为:        1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

   反码则为:  1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

  补码在反码上加1, 结果为: 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000

  结论: 采用补码存储可以解决0的问题. 

   2) 使用补码可以简化整数的加减法计算,将减法视为对补码的加法运算. 

     例如:  -6+5= 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1010 + 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101= 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 ,转为10进制为 -1. 

       结论: 使用补码可以减化运算.