算法-二进制和位运算

一.二进制

(1).无符号数:

无符号数是一种数据表示方式,它只表示非负整数,即没有符号位,所有的位都用来表示数值大小。在 C++ 等编程语言中,常见的无符号类型有 unsigned int、unsigned char 等。例如,一个 8 位的无符号整数 unsigned char 可以表示范围为 0 到 255 的整数,而不像有符号的 char 可以表示 -128 到 127 的范围。

对于一个无符号整数,可以使用除 2 取余法手动将其转换为二进制表示。以下是一个简单的 C++ 示例:

cpp 复制代码
#include <iostream>
#include <string>

std::string binaryRepresentation(unsigned int num) {
    std::string binaryStr;
    while (num > 0) {
        binaryStr = std::to_string(num % 2) + binaryStr;
        num /= 2;
    }
    return binaryStr;
}

int main() {
    unsigned int num = 10;
    std::string binary = binaryRepresentation(num);
    std::cout << binary << std::endl;  // 输出 "1010"
    return 0;
}

(2).有符号数:

计算机中一般利用补码表示法:

  • 对于正数,其补码与原码相同。
  • 对于负数,补码是在反码的基础上加 1。
  • 例如,对于一个 8 位的有符号整数:
    • +5 的补码表示为 00000101(与原码相同)。
    • -5 的补码
    • 表示为 11111011(反码 11111010 加 1)。

对于一个使用补码表示的有符号二进制数,将其转换为十进制数的步骤如下:

  1. 判断正负:

    • 首先,观察补码的最高位(符号位)。如果最高位为 0,则该数为正数,直接将补码转换为十进制即可。
    • 如果最高位为 1,则该数为负数,需要先将补码转换为原码,再将原码转换为十进制。
  2. 正数的转换(原码和补码相同):

    • 对于正数,直接将二进制数按权展开求和,即从右到左用二进制位上的数字乘以 ( 从 开始,从右向左递增),然后将结果相加。
    • 例如,对于 8 位补码表示的正数 01011010,转换为十进制为:
      • 。
  3. 负数的转换(从补码到原码):

    • 对于负数,先对补码取反(包括符号位),然后加 1,得到原码。
    • 再将原码按权展开求和,最后加上负号。
    • 例如,对于 8 位补码表示的负数 10101101:
      • 先取反得到 01010010。
      • 再加 1 得到原码 01010011。
      • 转换为十进制为:-(0x27+1x2+0x25+1x24+0x23+0x22+1x21+1x2)=-83

二.位运算

位运算符是一种操作二进制位的运算符,它们直接对操作数的二进制表示进行操作。在大多数编程语言中,常见的位运算符包括:按位与(&)、按位或(|)、按位异或(^)、按位取反(~)、左移(<<)和右移(>>)。这些运算符通常用于对整数类型的数据进行操作,因为整数在计算机中是以二进制形式存储的。

(1)按位与&

  • 按位与运算符 & 对两个操作数的每个二进制位进行逻辑与操作。如果两个相应的二进制位都为 1,则结果为 1;否则,结果为 0。
  • 示例(C++):
cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 5;  // 二进制表示为 0101
    int b = 3;  // 二进制表示为 0011
    int result = a & b;  // 结果为 0001,即十进制的 1
    cout << result << endl;  // 输出 1
    return 0;
}

(2)按位或|

    • 按位或运算符 | 对两个操作数的每个二进制位进行逻辑或操作。如果两个相应的二进制位中至少有一个为 1,则结果为 1;否则,结果为 0。
  • 示例(C++):
cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 5;  // 二进制表示为 0101
    int b = 3;  // 二进制表示为 0011
    int result = a | b;  // 结果为 0111,即十进制的 7
    cout << result << endl;  // 输出 7
    return 0;
}

(3)按位异或^

  • 按位异或运算符 ^ 对两个操作数的每个二进制位进行逻辑异或操作。如果两个相应的二进制位不同,则结果为 1;如果相同,则结果为 0。
  • 示例(C++):
cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 5;  // 二进制表示为 0101
    int b = 3;  // 二进制表示为 0011
    int result = a ^ b;  // 结果为 0110,即十进制的 6
    cout << result << endl;  // 输出 6
}

(4).按位取反~

    • 按位取反运算符 ~ 对操作数的每个二进制位取反,即 0 变为 1,1 变为 0。
  • 示例(C++):
cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 5;  // 二进制表示为 0101
    int result = ~a;  // 结果为 1010,即十进制的 -6
    cout << result << endl;  // 输出 -6
    return 0;
}

(5)左移<<

  • 功能 :
    • 左移运算符 << 将左操作数的二进制表示向左移动右操作数指定的位数。右侧空出的位用 0 填充。
  • 示例(C++):
cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 5;  // 二进制表示为 0101
    int result = a << 2;  // 结果为 010100,即十进制的 20
    cout << result << endl;  // 输出 20
    return 0;
}

(6)右移>>

  • 功能 :
    • 右移运算符 >> 将左操作数的二进制表示向右移动右操作数指定的位数。对于无符号整数,左侧空出的位用 0 填充;对于有符号整数,根据不同的编程语言和机器,可能用符号位填充(算术右移)或用 0 填充(逻辑右移)。
  • 示例(C++):
cpp 复制代码
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    int a = 5;  // 二进制表示为 0101
    int result = a >> 1;  // 结果为 0010,即十进制的 2
    cout << result << endl;  // 输出 2
    return 0;
}
相关推荐
zyl76513 小时前
FlashAttention 详解:从 GPU 硬件、普通 Attention 到分块计算与 Online Softmax
算法
爱读书的小胖17 小时前
LeetCode 122:买卖股票的最佳时机 II(C)解题分析
算法
结局无敌17 小时前
React Native for OpenHarmony 实战:三方库 react-native-modal-dialog 的鸿蒙化适配指南
深度学习·算法·react native·react.js·harmonyos
OPEN-F17 小时前
ROS2系列教程:上位机建图与导航(原理综合)
算法·机器人
weixin_3077791317 小时前
C++代码实现MATLAB中的fitrtree函数功能
开发语言·c++·算法·matlab
AI wins17 小时前
c++新增頭文件
c++
Shadow(⊙o⊙)17 小时前
仿muduo实现高并发服务器——事件就绪管理Channel.hpp
服务器·c++
tomwang032217 小时前
路径优化建模、优化算法分类及工程化小结
算法·数学建模·分类
小羊没烦恼!17 小时前
Ajax与JSON的一些总结
android·java·前端·数据库·mysql·算法·okhttp
by2099918 小时前
哈希表——快速找到数据:冲突、删除与扩容的实现
数据结构·c++·哈希算法·散列表