C语言:进制转换以及原码、反码、补码
✿༺小陈在拼命༻✿ 2024-07-18 11:35:01 阅读 94
一、二进制
其实我们经常能听到2进制、8进制、10进制、16进制这样的讲法,那是什么意思呢?其实2进制、8进制、10进制、16进制是数值的不同表⽰形式⽽已。
比如:
数值15的各种进制的表⽰形式:
15的2进制:1111
15的8进制:17
15的10进制:15
15的16进制:F
我们重点介绍⼀下⼆进制:
⾸先我们还是得从10进制讲起,其实10进制是我们⽣活中经常使⽤的,我们已经形成了很多尝试:
• 10进制中满10进1
• 10进制的数字每⼀位都是0~9的数字组成
其实⼆进制也是⼀样的
• 2进制中满2进1
• 2进制的数字每⼀位都是0~1的数字组成
二、进制转换
10进制的123表示的值是123,那这个值究竟是怎么来的呢?其实10进制的每一位是有自己的权重的,10进制的数字从右向左是个位、十位、百位……,分别每一位的权重是 10^0, 10^1, 10^2 ...…… 而每每一位数乘以他的权重值再相加,得到的就是相应的数。
例如123=3*10^0+2*10^1+1*10^2
2.1 其他进制转10进制的方法
在此之前先讲讲2进制转10进制,2进制和10进制是类似的,只不过2进制的每⼀位的权重,从右向左是: 2^0, 2^1 , 2^2 ...
如果是2进制的1101,该怎么理解呢?
1*2^0+0*2^1+1*2^2+1* 2^3=13
所以2进制转10进制,只要将每一位的数乘以他对应的权重并相加就可以了!
同理,8进制和16进制转10进制也是通过这样的方法去实现!
结论:其他进制转10进制的方法就是每一位数乘以他的对应权重并相加!
2.2 10进制转其他进制的方法
先分析10进制转2进制的方法,比如125
所以10进制转2进制的方法就是,不断地除以2并记录每一次的余数,余数从下往上依次放在一起就是该数字的2进制形式。
同理,10进制转8进制或者16进制也是不断除以8或者16并记录每一次的余数。
结论:10进制转其他进制就是将该10进制数不断地除以要转化地进制,并记录每一次的余数,余数从下往上的数放在一起可以了!!
2.3 2进制转8/16进制
前面介绍了10进制和其他进制的相互转化,我们至少对于10进制非常了解,但如果是除了10进制以外的其他进制之间是如何相互转化的呢??
2.3.1 2进制转8进制
8进制的数字每⼀位是0~7的,0~7的数字,假如各⾃写成2进制,最多有3个2进制位就⾜够了,⽐如7的2进制是111,所以在2进制转8进制数的时候,从2进制序列中右边低位开始向左每3个2进制位会换算⼀ 个8进制位,剩余不够3个2进制位的直接换算。
如:2进制的01101011
换成8换成8进制后,还要在前面加个0,因为0开头的数字会被当成是8进制。
所以2进制的01101011 转化成8进制就是0153!
结论:2进制转8进制时,从2进制序列中从右向左每3位为一组,剩余不够3位的直接为1组,每组的每个数都分别乘以他的权重值并相加,最后每组得到的数放在一起,就得到了该数8进制的表示形式,别忘记了8进制形式要以0开头!!
2.3.2 2进制转16进制
16进制的数字每⼀位是0~9,a ~f 的,0~9,a ~f的数字,各⾃写成2进制,最多有4个2进制位就⾜够了, ⽐如 f 的⼆进制是1111,所以在2进制转16进制数的时候,从2进制序列中右边低位开始向左每4个2进制位会换算⼀个16进制位,剩余不够4个⼆进制位的直接换算。
如:2进制的01101011
换成16进制:0x6b,16进制表⽰的时候前⾯加0x
结论:2进制转16进制时,从2进制序列中从右向左每4位为一组,剩余不够4位的直接为1组,每组的每个数都分别乘以他的权重值并相加,最后每组得到的数放在一起,就得到了该数16进制的表示形式,别忘记了16进制形式要以0x开头!!
三、原码、反码、补码
我们知道,在计算机中,数据信息都是以二进制的方式去存储的,本章了解的是整数的2进制表示形式!
整数的2进制表示方法有三种,即原码、反码和补码
三种表示⽅法均有符号位和数值位两部分,符号位都是⽤0表⽰“正”,⽤1表⽰“负”,⽽数值位 最⾼位的⼀位是被当做符号位,剩余的都是数值位。
正整数的原、反、补码都相同。
负整数的三种表示方法各不相同。
原码:直接将数值按照正负数的形式翻译成⼆进制得到的就是原码。
反码:将原码的符号位不变,其他位依次按位取反就可以得到反码。
补码:反码+1就得到补码。
补码得到源码可是可以使用取反,+1的操作
对于整形来说:数据存放内存中其实存放的是补码,参与计算的也是补码。
为什么呢???
1、 在计算机系统中,数值⼀律⽤补码来表⽰和存储。原因在于,使⽤补码,可以将符号位和数值域统⼀ 处理; 同时,加法和减法也可以统⼀处理(CPU只有加法器);
2、 此外,补码与原码相互转换,其运算过程是相同的,不需要额外的硬件电路。
怎么去理解上面2条优势呢??
上图例子解释了补码的第1个优势:使⽤补码,可以将符号位和数值域统⼀处理。
上图可以解释补码的第2个优势:补码与原码相互转换,其运算过程取反,+1。
四、移位操作符
<< 左移操作符
>> 右移操作符
注:移位操作符的操作数只能是整数。
注:对于移位运算符,不要移动负数位(比如num>>-1),这是标准未定义的!!
4.1 左移操作符
移位规则:左边抛弃、右边补0
4.2 右移操作符
移位规则:⾸先右移运算分两种
1. 逻辑右移:左边⽤0填充,右边丢弃
2. 算术右移:左边⽤原该值的符号位填充,右边丢弃
右移到底是逻辑右移还是算数右移,取决于编译器的实现。大部分的编译器是算数右移。
为什么呢???
对于正数10来说,左边的符号位恰好是0,所以无论是算数右移还是逻辑右移,其结果是一样的!
那么对于负数-1,算数右移和逻辑右移就存在差异了!
-1补码逻辑右移后得到的是补码01111111 11111111 11111111 11111111
由于首位是0,所以该数位正整数,整数的原码反码补码都相同 即2147483647
-1补码算数右移后得到的是补码11111111 11111111 11111111 11111111
通过取反加1转化10000000 00000000 00000000 00000001 即-1
通过以上比较我们可以发现,负整数的逻辑右移会导致该负数变号!这也是为什么大多数编译器都是采用算数右移!
4.3 为什么int类型的范围是-2147483648 ~ 2147483647?
我们知道int类型是32个比特位,那么int范围是多大呢??
首先我们知道整数二进制的三种表现形式是原码、反码、补码,最高的1位是符号位,其余31位代表数字位。
因为在计算机内部,整数是以二进制形式存储的,而要想让二进制数值表达「负数」的概念,就需要一位标志位。计算机中采用了上文所述的最高位标志位。
那么很显然当符号位为0且后面31位的数值位都为1时,即011111111 11111111 11111111 11111111为最大值,转化成10进制就是2147483647
当符号位为1且后面31位的数值位都为1时,即111111111 11111111 11111111 11111111为最大值,转化成10进制就是-2147483647
那范围不应该是-2147483647——2147483647吗??
这是因为,10000000 00000000 00000000 00000000可以用来表示 -0,但这与 0 的二进制表示法 00000000 00000000 00000000 00000000不同,造成了 0 有两种表示方法,使得二进制与十进制的互换不再是一一对应的关系。因此约定了其中的一种方法表示为 -2147483648,所以负数的最小值绝对值比整数的最大值绝对值多 1!!
通过上述代码,我们可以发现通过1<<31来找到最小整数-2147483648,通过(1<<31)-1来找到最大整数2147483647。可以应用在实际编程中。
4.4 为什么unsigned int类型的范围是 0~4294967295??
unsign int 和int的区别就是,他会把int的符号位也当成是数值位,没有符号位所以默认是正数,最小值是0,而32位的数值位使得他的数值可以达到最大,相比较int的31个数值位,当每个数值位取1的时候(即111111111 11111111 111111111 111111111),unsigned int比int多了一个2^32次方的权重,最大值可以达到4294967295!
五、位操作符
& 按位与 只要有0就是0,两个同时为1才是1
| 按位或 只要有1就是1,同个同时为0才是0
^ 按位异或 相同为0,相异为1
~ 按位取反 每一位都取反(0->1,1->0)
注:他们的操作数必须是整数,并且是二进制形式。
六、移位操作符和位操作符的综合应用
6.1 不能创建临时变量(第三个变量),实现两个整数的交换。
第一种写法:
第一种写法确实实现了交换,但是有缺陷:假设a和b相加的结果超出的int整型的范围,那么a+b赋值给a时必然导致某些位的丢失。所以对于一些大的数是不适用的!!
第二种写法
首先异或操作符的特点是相同为0,相异为1,通过这个特点我们可以得到以下公式
a^a=0
a^0=a
即 两个相同的数异或为0,1个数和0异或得到的还是那个数
将第一步的a=a^b代入第二步 即b=a^b^b=a
将第一步的a=a^b代入第三步 即a=a^b^a=b
通过上述的例子,我们可以把a^b当成是一个密码,这个密码如果和其中一个数异或会得到另一个数!
第二种写法比第一种写法更为通用,因为按位异或操作符只遵循相同为0,相异为1,并不会发生进位,也就不可能出现位数丢失的情况!大数也同样适用!
6.2 编写代码实现,求一个整数存储在内存中的二进制中的1的个数。
6.2.1 思路1
假设在没学习移位操作符和位操作符之前,要怎么思考?
假设我们想求10进制的123中1的个数
123%10拿到个位3,在/10得到12,%10得到十位2,再/10得到1,再%10得到百位1
我们发现要发现计算10进制中的1的个数,就需要取到每一位去判断。
方法就是%10后判断,/10去掉该位数,%10后判断,/10去掉该位数…………
所以我们可以类比得到求2进制中1的个数
方法就是%2后判断,/2去掉该位数,%2后判断,/2去掉该位数…………
但我们发现输入-1得到的结果是错的,这里需要考虑负数的问题,所以我们要想统计负数的二进制1的个数,需要用到unsign int 因为unsign int 会把符号位也当成数值位,所以-1 的二进制编码为11111111 11111111 11111111 11111111每一位均为数值位得到4294967295,可以进行%10和/10的操作!
6.2.2 思路2
通过学习了位操作符和移位操作符,可以有这样的思路。
&的特点是有0就是0,全为1才是1,通过这个特点我们可以得到以下方法
a&1==1 说明a的最低位是1
a&1==0 说明a的最低为是0
当我通过&1判断完a的最低位后,将a右移1位接着&1判断,最多移动31次,就可以判断a的每一位是0还是1,从而进行统计。
我们发现相比思路1,思路2的优势是这里并不需要考虑正负数!因为这两个操作符都是直接在二进制位上进行操作!
6.2.3 思路3
这个思路的前提是,解析n=n&(n-1)
n=n&(n-1)的效果是把二进制中的最后一个1去掉。
当去掉所有的1,n就变成0了。因此我们只需要判断n在变成0之前,n=n&(n-1)执行了几次,就可以知道1的个数了!
6.3 判断一个数是否是2的次方数(n=n&(n-1)的知识迁移)
将2的次方数转化成二进制 2^0=1=0000 2^1=2=0010 2^2=4=0100…………
我们发现2的次方数的二进制形式只会有1个1,所以如果n&(n-1)==0 那么n必然是2的次方数
6.4 二进制位的置0或者置1
将13二进制序列的第5位该成1,然后再改回0.、
第一步:
13的二进制为00000000 00000000 00000000 00001011
要把第5位的0改成1,如果该位能 | 1就可以了,但是同时也要保证其他位不变
所以13必须 |上00000000 00000000 00000000 00010000
该数可以通过1左移4位得到
所以 n=13 | (1<<4) 即可将其第5位改成1
第二步:
要将第一步的n 000000000 00000000 00000000 00011011的第5位的1再改回0
即把该位&0即可,但是也要保证其他位不变
所以n必须 & 上111111111 111111111 11111111 11101111
该数可以通过~(1<<4)获得
所以 m=n &~(1<<4) 即可将第5位变回0
七、移位操作符和位操作符的一些总结
a&1==1说明a的最低位是1
a&1==0说明a的最低位是0
n&(n-1)每执行一次就可以将n中较为低位的1去掉
想把2进制某一位置1,考虑使用 | 运算符
想把2进制某一位置0,考虑使用 & 运算符和~运算符
a^a=0
a^0=a
a^b ^b=a
a^b ^a=b
想找到int类型的最小值 1<<31
想找到int类型的最大值 (1<<31)-1
注:在单片机和嵌入式领域往往经常对二进制进行处理!!
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