什么是原码、反码和补码
1、机器数
前言
一个数在计算机中的表示形式是二进制的话，这个数其实就叫机器数。
机器数通常是带有符号的（指有正数和负数之分），计算机用最高位存放符号，这个 bit 一般叫做符号位。 正数的符号位为 0， 负数的符号位为 1。比如，十进制中的数 +7 ，计算机字长为8位，转换成二进制就是 0 0 0 0 0 1 1 1（一个 byte 有 8bit，有效的取值范围是 -128 ~ +127）。
如果是 -7 ，就是 1 0 0 0 0 1 1 1 。一个存储的二进制码分原码、反码、补码，下面我们就来介绍一下什么是原码、反码、补码
Notes
计算机底层使用二进制形式的补码来计算和存储数据
2、原码
定义
十进制数据的二进制表现形式就是原码，原码最左边的一个数字就是符号位，0为正，1为负。
例如：56 -> 0 0 1 1 1 0 0 0
左边第一位为符号位，其他位为数据位。
一个 byte 有 8bit，最大值是 0 1 1 1 1 1 1 1 (+127)，最小值是 1 1 1 1 1 1 1 1 (-127)
在计算机中之所以使用二进制来表示原码是因为逻辑简单，对于电路来说只有开或者关两种状态，用二进制是在方便不过的了。如果使用的进制是十进制、八进制或者十六进制的话，电路没有办法表示那么多的状态
- 正数计算
使用原码对正数进行计算不会有任何问题的
例如：5 + 2
0 0 0 0 0 1 0 1
+ 0 0 1 0
-----------------
0 0 0 0 0 1 1 1
把这个结果转成十进制刚好就等于 7，完全正确无误
- 负数计算
但是如果是负数的话，那计算的结果就会大相径庭了
我们拿 -56 这个数字来举例，它的原码是 1 0 1 1 1 0 0 0 ，减一之后，就会变成 1 0 1 1 0 1 1 1 ，这个数转成十进制就是 -55。计算前是 -56，减一之后正确的结果应该是 -57（1 0 1 1 1 0 0 1）才对，居然还越减越大了
1 0 1 1 1 0 0 0
- 1
-----------------
1 0 1 1 0 1 1 1
为了解决原码不能用于计算负数的这种问题，这时候，反码它出现了，作为负数的“计算的救星”。
计算规则是正数的反码不变和原码一致，负数的反码会在原码的基础上，高位的符号位不变，其他位取反（ 1 变成 0 ， 0 变为 1 ）。
3、反码
定义
正数的反码是其本身（等于原码），负数的反码是符号位保持不变，其余位取反。 反码的存在是为了正确计算负数，因为原码不能用于计算负数
| 十进制数字 | 原码 | 反码 |
|---|---|---|
| +0 | 0000 0000 | 0000 0000 |
| -0 | 1000 0000 | 1111 1111 |
| -1 | 1000 0001 | 1111 1110 |
| -2 | 1000 0010 | 1111 1101 |
| -3 | 1000 0011 | 1111 1100 |
| -4 | 1000 0100 | 1111 1011 |
| -5 | 1000 0101 | 1111 1010 |
| -6 | 1000 0110 | 1111 1001 |
| -7 | 1000 0111 | 1111 1000 |
- 负数计算
这时候，我们再来使用反码计算一下 -56 - 1 的结果
-56 的原码是 1 0 1 1 1 0 0 0 ，如果转成反码（符号位不变，其他位取反），
那么它的反码就是 1 1 0 0 0 1 1 1
1 1 0 0 0 1 1 1
- 1
-----------------
1 1 0 0 0 1 1 0
-56 -1 = -57，-57 的原码是 1 0 1 1 1 0 0 1，转成反码刚好是 1 1 0 0 0 1 1 0，刚好等于刚才我们算出的值
- 跨零计算
不过反码也有它的 “ 软肋 ”，如果是负数跨零进行计算的话，计算得出的结果不对
我们拿 -3 + 5 来举例
-3 的原码是 1 0 0 0 0 0 1 1，转成反码的话就是 1 1 1 1 1 1 0 0
1 1 1 1 1 1 0 0
+ 0 1 0 1
-----------------
0 0 0 0 0 0 0 1
把计算结果转成十进制就是 1，这结果显然不对。那么我们该怎么计算呢，这时候，作为反码的补充编码 —— 补码就出现了。
4、补码
定义
正数的补码是其本身，负数的补码等于其反码 +1。因为反码不能解决负数跨零（类似于 -6 + 7）的问题，所以补码出现了。
| 十进制数字 | 原码 | 反码 | 补码 |
|---|---|---|---|
| +0 | 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 |
| -0 | 1000 0000 | 1111 1111 | 0000 0000 |
| -1 | 1000 0001 | 1111 1110 | 1111 1111 |
| -2 | 1000 0010 | 1111 1101 | 1111 1110 |
| -3 | 1000 0011 | 1111 1100 | 1111 1101 |
| -4 | 1000 0100 | 1111 1011 | 1111 1100 |
| -5 | 1000 0101 | 1111 1010 | 1111 1011 |
| -6 | 1000 0110 | 1111 1001 | 1111 1010 |
| -7 | 1000 0111 | 1111 1000 | 1111 1001 |
| … | … | … | … |
| -127 | 1111 1111 | 1000 0000 | 1000 0001 |
| -128 | 无 | 无 | 1000 0000 |
- 跨零计算
这时候，我们再来使用反码计算一下 -3 + 5 的结果
-3 的原码是 1 0 0 0 0 0 1 1，转成反码的话就是 1 1 1 1 1 1 0 0，再转成补码就是 1 1 1 1 1 1 0 1
1 1 1 1 1 1 0 1
+ 0 1 0 1
-----------------
0 0 0 0 0 0 1 0
把这个数转成十进制刚好等于2，结果正确
5、总结
在计算机当中都是使用补码来进行计算和存储的。补码很好的解决了反码负数不能跨零计算的弊端，并且补码还可以记录一个特殊的值 -128，这个数据在 1 个字节下是没有原码和反码
学习了原码、反码和补码的知识之后，我们就可以了解到，Java 当中所有的基本数据类型。比如整数类型的数据类型，存储的数都是同样的，区别是在于什么地方，假设存储的值都是 10
| 基本数据类型 | 值 | 字节数 | 内存中实际存储的值 |
|---|---|---|---|
| byte | 10 | 1 | 0000 1010 |
| short | 10 | 2 | 0000 0000 0000 1010 |
| int | 10 | 4 | 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010 |
| long | 10 | 8 | 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010 |
从上表中我们可以得出一个结论，为了凑齐字节数，所占的字节越大，则前面补的零越多。
类型转换原理
- 隐式类型转换
public class Test {
public static void main(String[] args) {
// 小的数据类型往大的数据类型进行转换底层就是通过左补零完成的
byte a = 10; // 0000 1010
int b = a; // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010
System.out.println(b);
}
}
- 强制类型转换
public class Test {
public static void main(String[] args) {
int a = 300; // 0000 0000 0000 0000 0000 0001 0010 1100
byte b = (byte) a; // 0010 1100
System.out.println(b); // 打印出44
/*
int a = 200; // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1100 1000
byte b = (byte)a; // 1100 1000
System.out.println(b); // 打印出-56
*/
}
}
补码的运算也适用于逻辑运算符
| 运算符 | 含义 | 运算规则 |
|---|---|---|
| & | 逻辑与 | 0为false，1为true，当都为1时才为true |
| | | 逻辑或 | 0为false，1为true，当有至少一个为1时为true，如果都没有则为false |
| << | 左移 | 向左移动，低位补零 |
| >> | 右移 | 向右移动，高位补零，符号位按照原来数字的符号位不变 |
| >>> | 无符号右移 | 向右移动，高位补零 |