为什么要使用补码表示负数

负数使用补码(Two's complement)来表示有几个主要原因,这些原因与计算机系统的设计与运算效率有关:

  1. 加法和减法的统一 : 补码允许计算机使用相同的硬件电路来处理加法和减法运算。在补码系统中,减去一个数等同于加上这个数的负数。这样,计算机不需要为减法设计额外的电路,简化了硬件设计。 在补码系统中,减法可以通过加法来实现。例如,计算5 - 3

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    // 计算 5 - 3
    let a = 5; // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101
    let b = 3; // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0011
    let diff = a + -b; // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0010
    console.log(diff); // 输出 2

    在这里,-b3的负数,我们可以通过取反加 1 得到它的补码,然后加到a上。

  2. 消除正负数的表示歧义 : 在只有正数的系统中,0 可以表示为一串零。但在有符号数的系统中,如果使用原码(直接在最高位表示符号)或反码(除符号位外,其他位取反)来表示负数,那么+0 和-0 可能会有两种不同的表示,这会导致歧义。补码通过确保只有一个零的表示(即一串零)来解决这个问题。 在补码系统中,0只有一个表示:

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    let positiveZero = 0b0; // 正零
    let negativeZero = -0b0; // 负零(在JavaScript中,-0 === 0)
    console.log(positiveZero === negativeZero); // 输出 true

    在补码系统中,+0-0都表示为一串零,没有歧义。

  3. 扩展了表示范围 : 使用补码,最小的负数是-2^(n-1),最大的正数是 2^(n-1)-1,其中 n 是位数。这意味着在 n 位系统中,补码可以表示 2^n 个不同的值,包括正数、负数和零。这比原码或反码能表示的范围更大。 在 32 位系统中,最大的正整数是2^31 - 1,最小的负整数是-2^31

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    let maxPositive = Math.pow(2, 31) - 1; // 2147483647
    let minNegative = -Math.pow(2, 31); // -2147483648
    console.log(maxPositive, minNegative);

    这两个值分别是 32 位补码系统能表示的最大正数和最小负数。

  4. 简化了溢出的处理 : 在补码系统中,溢出(当运算结果超出数值能表示的范围时发生)是可预测的,并且正溢出和负溢出是对称的。例如,在加法运算中,如果两个正数相加得到一个负数,那么就会溢出。这种对称性简化了溢出的检测和处理。 在补码系统中,溢出是可预测的。例如,计算2^31 + 1

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    let overflow = Math.pow(2, 31) + 1; // 应该溢出,但结果是 -2147483648
    console.log(overflow); // 输出 -2147483648

    在 32 位系统中,这个运算实际上没有溢出,而是环绕到了最小负数。

  5. 更容易实现二进制运算: 补码使得二进制运算(如位移和按位运算)可以直接应用于有符号数,而不需要特别考虑符号位。这使得编程和硬件设计更加简单和直接。 按位运算符可以直接应用于有符号数:

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    let a = 0b1100; // 12
    let b = 0b1010; // 10
    let andResult = a & b; // 8
    let orResult = a | b; // 14
    console.log(andResult, orResult); // 输出 8 14

    在这里,&(按位与)和|(按位或)运算符可以直接应用于有符号数。

  6. 提高了算术运算的效率 : 由于补码的设计,计算机可以快速地执行算术运算,因为不需要额外的步骤来处理符号位。这提高了计算的速度和效率。 补码设计允许快速执行算术运算。例如,计算-5的补码:

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    let a = 5; // 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101
    let negativeA = ~a + 1; // 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1101
    console.log(negativeA); // 输出 -5 的补码

    在这里,~aa的按位取反,然后加 1 得到-5的补码。

总之,补码是一种在计算机系统中广泛使用的有符号整数表示方法,它提供了一种高效、统一且对称的方式来处理正数和负数的运算。

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