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:
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:
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.