计算机原理(一)

计算机原理(一)

数字在计算机中的存储形式

参考：https://blog.csdn.net/alpinistwang/article/details/87994617

1个字节是8位
只有8种基本类型可以算.其他引用类型都是由java虚拟机决定的自己不能操作
byte 1字节
short 2字节
int 4字节
long 8字节
float 4字节
double 8字节
char 2字节
boolean 1字节

F的二进制码为 1111
7的二进制码为 0111
这样一来，整个整数 0x7FFFFFFF 的二进制表示就是除了首位是 0，其余都是1

 

int 二进制位数：32

short 二进制位数：16

long 二进制位数：64

float 二进制位数：32

double 二进制位数：64

 

int型数据在计算机中以二进制存储，一个int型数据占4个字节，一个字节占8位，一共32位。
（1）第一位是标志位，标志位为0表示正数，标志位为1表示负数。
（2）剩余的31位是用来表示数字部分的

由原理可知，计算机存储数字时，第一位是标志位，只有31位用来存储数字的值。所以最大表示的正数为0111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111，即：2^31−1 

 

int转二进制数

	public static void main(String[] args) {
		int a = 7;
		String binaryString = Integer.toBinaryString(a);
		System.out.println(binaryString);
	}

输出:

111

 

计算机存储

原码
int型数据在计算机中以二进制存储，一个int型数据占4个字节，一个字节占8位，一共32位。
（1）第一位是标志位，标志位为0表示正数，标志位为1表示负数。
（2）剩余的31位是用来表示数字部分的

补码
在计算机中，数字以补码存储。正数的补码是其本身，负数的补码是除标志位外，其他位按位取反再加一。

补码的特性

1、一个负整数（或原码）与其补数（或补码）相加，和为模。
2、对一个整数的补码再求补码，等于该整数自身。
3、补码的正零与负零表示方法相同。

时钟的计量范围是0~23，所以时间的模等于24。假设当前时针指向17点，而准确时间是9点，调整时间可有以下两种方法：
1.倒拨8小时，即：17 - 8 = 9；
2.顺拨16小时：17 + 16 = 33 ; 33 % 24 = 9
此例中， 16 就是 -8 在 24 进制中的补码表示。用 16 表示 -8 的好处是将减法转为了加法。
如果正数和负数都用原码表示，计算机计算加减法需要做不同的处理。而如果使用补码表示，计算机计算加减法时统一使用加法计算即可，减轻了计算机的负担。

 

第一个例子：7的存储形式
原码
（1）7是正数，所以标志位为0
（2）剩余的31位表示数字部分：000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111
所以7的原码是：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111

补码
正数的补码与原码一样，所以7在计算机中的存储形式为：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111

第二个例子：-7的存储形式
原码
（1）-7是负数，所以标志位为1
（2）剩余的31位表示数字部分：000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111
所以-7的原码是：
1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0111

补码
负数的补码是除标志位外，其他位按位取反再加一。所以-7在计算机中的存储形式为：
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1001

 

计算 9 + 5
9 的补码表示为：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
5 的补码表示为：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0101
两个补码相加，并去掉32位以外的数：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1110
即得到了结果 14

计算 9 - 5
9 的补码表示为：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001
-5 的补码表示为：
1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1011
两个补码相加，并去掉32位以外的数：
0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0100
即得到了结果 4

 

逻辑运算符

~ （非运算符）

1.特点：一元操作符，
2.规则：生成与输入位相反的值--若输入0，则输出1；若输入1，则输入0
3.案例：
    int a = ~ 2 ; 
    System.out.println(a); //结果为 
4.分析：
     2的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000010
     运算：
      ~     00000000 00000000 00000000 00000010
    ------------------------------------------
         11111111 11111111 11111111 11111101   //该补码对应十进制为：-3

应用

1：~n=-(n+1)，比如：~3=-4

2:获取整数n的二进制串中最后一个1：-n&n=~(n-1)&n

3:去掉整数n的二进制串中最后一个1:n&(n-1)。

 

& （与运算符）

1.特点：二元操作符，操作两个二进制数据；两个二进制数最低位对齐，只有当两个对位数都是1时才为1，否则为0
2.案例：
    int a = 3 & 2 ; 
    System.out.println(a); //结果为 2 
3.分析：
    3的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000011
    2的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000010
    运算：3 & 2 
        00000000 00000000 00000000 00000011
    &   00000000 00000000 00000000 00000010
    -------------------------------------------
        00000000 00000000 00000000 00000010            二进制是2  

应用

判断一个数n的奇偶性

n&1 == 1?”奇数”:”偶数”

为什么与1能判断奇偶？所谓的二进制就是满2进1，那么好了，偶数的最低位肯定是0（恰好满2，对不对？），同理，奇数的最低位肯定是1.int类型的1，前31位都是0，无论是1&0还是0&0结果都是0，那么有区别的就是1的最低位上的1了，若n的二进制最低位是1（奇数）与上1，结果为1，反则结果为0.

int a = 8;
if (a % 2 == 0) {
    System.out.println("a是偶数");
} else {
    System.out.println("a是奇数");
}
if ((a & 0x1) == 0) {
    System.out.println("a是偶数");
} else {
    System.out.println("a是奇数");
}

 

求一个整数的二进制中1的个数

思路：将整数n与1进行与运算，当整数n最低位是1时，则结果非零，否则结果为0。 
然后将1左移一位，继续与n进行与运算，当次低位是1时，结果非零，否则结果为0。 
循环以上操作，记录非零的次数即可。 
代码如下：

public class TestDemo {
	public static void main(String[] args) {
		int a = 7;
		int retNum = times1(a);
		System.out.println(retNum);
	}
	
    public static int times1(int n ){

        int count = 0;
        int flag = 1;
        while(flag <= n){
            if((n&flag) != 0)
                count++;
            flag = flag<<1;
        }
        return count;
    }
}

输出：

3

 

优化的解法 
思路： 
1.对一个整数n，比如10，它的二进制是1010。 
2.将10减一变为9，9的二进制是1001. 
3.比较10和9的二进制数，对10减一操作就等于将10的二进制的最低位上的1以及后面的位取反，前面的数不变。 
总结：把一个整数减去1，再和原整数做与运算，会把该整数最右边1一个1变成0。那么一个整数的二进制表示中有多少个1，就可以进行多少次这样的操作。从而可以减少比较的次数。

public class TestDemo {
	public static void main(String[] args) {
		int a = 7;
		int retNum = times2(a);
		System.out.println(retNum);
	}
	
    public static int times2(int n){
        int count = 0;
        while(n!=0){
            count++;
            n = n&(n-1);
        }
        return count;
    }
}

输出:

3

 

| （或运算符）

1.特点：二元操作符，操作两个二进制数据；两个二进制数最低位对齐，当两个对位数只要有一个是1则为1，否则为0
2.案例：
    int a = 3 | 2 ; 
    System.out.println(a); //结果为 3 
3.分析：
    3的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000011
    2的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000010
    运算：3 | 2 
        00000000 00000000 00000000 00000011
    |   00000000 00000000 00000000 00000010
    -------------------------------------------
        00000000 00000000 00000000 00000011            该补码对应十进制为3  

 

^ （异或运算符）

1.特点：二元操作符，操作两个二进制数据；两个二进制数最低位对齐，当两个对位数只要有一个是1则为1，否则为0
2.案例：
    int a = 3 | 2 ; 
    System.out.println(a); //结果为 3 
3.分析：
    3的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000011
    2的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000010
    运算：3 | 2 
        00000000 00000000 00000000 00000011
    |   00000000 00000000 00000000 00000010
    -------------------------------------------
        00000000 00000000 00000000 00000011            该补码对应十进制为3  
 

^ （异或运算符）

1.特点：二元操作符，操作两个二进制数据；两个二进制数最低位对齐，只有当两个对位数字不同时为1，相同为0
2.案例：
    int a = 3 ^ 2 ; 
    System.out.println(a); //结果为 1 
3.分析：
    3的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000011
    2的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000010
    运算：3 ^ 2 
        00000000 00000000 00000000 00000011
    ^   00000000 00000000 00000000 00000010
    -------------------------------------------
        00000000 00000000 00000000 00000001           该补码对应十进制为1 

应用

将大写字母变为小写，将小写字母变为大写( charArray[i]^= 32, 因为在ASCII码中，大写字母与小写字母差了32，因此使用异或运算符，通过与 0 相异或，原字符的二进制形式在其他位保留原有的值，在第 6 位相异或，如果原有位为 0 则变为 1， 原有位为 1 则变为 0)：

public class TestDemo {
public static void main(String[] args) {
	String tempString = "1a2b3E5F6P7p";
	char [] charArray = tempString.toCharArray();
	for(int i = 0; i < charArray.length; i++)
	if(Character.isLetter(charArray[i])) charArray[i] ^= 32;
	System.out.println(String.valueOf(charArray)); // result is 1A2B3e5f6p7P
}
}

输出:

1A2B3e5f6p7P
 

不用临时变量交换两个数

在int[]数组首尾互换中，是不看到过这样的代码：

public static int[] reverse(int[] nums){
            int i = 0;
            int j = nums.length-1;
            while(j>i){
                nums[i]= nums[i]^nums[j];
                nums[j] = nums[j]^nums[i];
                nums[i] = nums[i]^nums[j];
                j--;
                i++;
            }
            return nums;
        }

连续三次使用异或，并没有临时变量就完成了两个数字交换，怎么实现的呢？

上面的计算主要遵循了一个计算公式：b^(a^b)=a。

我们可以对以上公式做如下的推导：

任何数异或本身结果为0.且有定理a^b=b^a。异或是一个无顺序的运算符，则b^a^b=b^b^a，结果为0^a。

再次列出异或的计算表:

操作数1	0	0	1	1
操作数2	0	1	0	1
按位异或	0	1	1	0

可以发现，异或0具有保持的特点，而异或1具有翻转的特点。使用这些特点可以进行取数的操作。

         那么0^a，使用异或0具有保持的特点，最终结果就是a。

其实java中的异或运算法则完全遵守数学中的计算法则：

①    a ^ a =0

②    a ^ b =b ^ a

③    a ^b ^ c = a ^ (b ^ c) = (a ^ b) ^ c;

④    d = a ^b ^ c 可以推出 a = d ^ b ^ c.

⑤    a ^ b ^a = b.

 

<<（左移运算符)

0.形式： m << n 
1.特点：二元操作符，m数字二进制向左移动n位的结果；结果相当于： m*(2的n次方）
2.案例：
    int a = 3 << 2 ; 
    System.out.println(a); //结果为 12 
3.分析：
    3的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000011

    运算：3 << 2 
            00000000 00000000 00000000 00000011
    << 2    
    -------------------------------------------
            00000000 00000000 00000000 00001100            该补码对应十进制为12 

应用

可以使用m<

        System.out.println("2^3=" + (1<<3));//2^3=8

        System.out.println("3*2^3=" + (3<<3));//3*2^3=24

计算结果是不是很正确呢？如果非要说2<<-1为什么不等于0.5，前面说过，位运算的操作数只能是整型和字符型。在求int所能表示的最小值时，可以使用

//minInt

System.out.println(1 << 31);

System.out.println(1 << -1);

可以发现左移31位和-1位所得的结果是一样的，同理，左移30位和左移-2所得的结果也是一样的。移动一个负数位，是不是等同于右移该负数的绝对值位呢？输出一下就能发现不是的。java中int所能表示的最大数值是31位，加上符号位共32位。在这里可以有这样的位移法则：

法则一：任何数左移（右移）32的倍数位等于该数本身。

法则二：在位移运算m<

左移是乘以2的幂，对应着右移则是除以2的幂。

 

>> （右移运算符）

0.形式： m >> n 
1.特点：二元操作符，m数字二进制向右移动n位的结果；结果相当于： m / (2的n次方） 的结果向上取整
2.案例：
    int a = 3 >> 2 ; 
    System.out.println(a); //结果为 0 
3.分析：
    3的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000011

    运算：3 >> 2 
            00000000 00000000 00000000 00000011
    >> 2    
    -------------------------------------------
            00000000 00000000 00000000 00000000           该补码对应十进制为0
4.注意： 最后的11向右移动两位，正好补上左边补上0； 所以结果为0             

 

>>> （无符号右移运算符）

1.二元操作符
2.特点：它使用0扩展，无论正负都在最高位补0 
3.案例：
    int a = 3 >>> 2 ; 
    System.out.println(a); //结果为 0 
4.分析：
    3的二进制补码表示为：
        00000000 00000000 00000000 00000011
    运算：
        00000000 00000000 00000000 00000011
    >>>2
    ------------------------------------------
        00000000 00000000 00000000 00000000 

应用求绝对值

public class TestDemo {
public static void main(String[] args) {
int a = -3;
System.out.println(abs(a));
}

public static int abs(int val) {
    // 看上去是够累的
    return (((val & (~0 << 31)) >>> 31) == 1) ? ((~val) + 1) & (~(~0 << 31)) : val;
}
}

输出:

3

取绝对值

(a^(a>>31))-(a>>31)

先整理一下使用位运算取绝对值的思路：若a为正数，则不变，需要用异或0保持的特点；若a为负数，则其补码为源码翻转每一位后+1，先求其源码，补码-1后再翻转每一位，此时需要使用异或1具有翻转的特点。

任何正数右移31后只剩符号位0，最终结果为0，任何负数右移31后也只剩符号位1，溢出的31位截断，空出的31位补符号位1，最终结果为-1.右移31操作可以取得任何整数的符号位。

那么综合上面的步骤，可得到公式。a>>31取得a的符号，若a为正数，a>>31等于0，a^0=a，不变；若a为负数,a>>31等于-1 ，a^-1翻转每一位.

 

位运算加法

由a^b可得按位相加后没有进位的和；

由a&b可得可以产生进位的地方；

由(a&b)<<1得到进位后的值。

那么  按位相加后原位和+进位和  就是加法的和了，而  a^b +  (a&b)<<1  相当于把  +  两边再代入上述三步进行加法计算。直到进位和为0说明没有进位了则此时原位和即所求和。

public class TestDemo {
public static void main(String[] args) {
int a = -3;
int b = 1;
System.out.println(add(a,b));
}

public static int add(int a,int b) {
    int res=a;
    int xor=a^b;//得到原位和
    int forward=(a&b)<<1;//得到进位和
    if(forward!=0){//若进位和不为0，则递归求原位和+进位和
        res=add(xor, forward);
    }else{
        res=xor;//若进位和为0，则此时原位和为所求和
    }
    return res;                
}
}

输出：

-2

 

位运算减法

减法：a-b

由-b=+(-b)，~（b-1）=-b可得a-b=a+（-b）=a+(~(b-1))。把减法转化为加法即可。

public class TestDemo {
public static void main(String[] args) {
int a = -3;
int b = 1;
System.out.println(minus(a,b));
}

public static int add(int a,int b) {
    int res=a;
    int xor=a^b;//得到原位和
    int forward=(a&b)<<1;//得到进位和
    if(forward!=0){//若进位和不为0，则递归求原位和+进位和
        res=add(xor, forward);
    }else{
        res=xor;//若进位和为0，则此时原位和为所求和
    }
    return res;                
}

public static int minus(int a,int b) {
        int B=~(b-1);
        return add(a, B);        
    }
}

输出:

-4

 

位运算乘法

乘法：a*b

先来看一下二进制乘法是怎么做的：

(1011<<1,相当于乘以0010)  
(1011<<3,相当于乘以1000)  

可以看到，二进制乘法的原理是：从乘数的低位到高位，遇到1并且这个1在乘数的右起第i（i从0开始数）位，那么就把被乘数左移i位得到 temp_i 。直到乘数中的1遍历完后，把根据各位1而得到的被乘数的左移值们 temp_i 相加起来即得乘法结果。那么根据这个原理，可以得到实现代码：这里要点为：用i记录当前遍历的乘数位,当前位为1则被乘数左移i位并加到和中，同时i++处理下一位；为0则乘数右移，i++，处理下一位......直到乘数==0说明乘数中的1遍历完了。此时把和返回即可。

public class TestDemo {
public static void main(String[] args) {
int a = -3;
int b = 2;
System.out.println(multi(a,b));
}

public static int multi(int a,int b){
    int i=0;
    int res=0;
    while(b!=0){//乘数为0则结束
        //处理乘数当前位
        if((b&1)==1){
            res+=(a<>1;
            ++i;//i记录当前位是第几位
        }else{
            b=b>>1;
            ++i;
        }
    }
    return res;
}
}

输出:

-6

 

位运算除法

除法：a/b

除法的意义就在于：求a可以由多少个b组成。那么由此我们可得除法的实现：求a能减去多少个b，做减法的次数就是除法的商。

public class TestDemo {
public static void main(String[] args) {
int a = 6;
int b = 2;
System.out.println(sub(a,b));
}

public static int sub(int a,int b) {
    int res=-1;
    if(a

输出:

3

 

数学基础

12的约数包括：1,2,3,4,6,12。共6个

一个数能够整除另一数，这个数就是另一数的约数。如2，3，4，6都能整除12，因此2，3，4，6都是12的约数。也叫因数。

计算约数的个数

public class TestDemo { 
    public static void main(String[] args) {
        int count = 0;
        int n = 12;
        for(int i = 1;i <= n;i++) {
            if(n % i == 0)
                count++;
        }
        System.out.println(count);
    }
}

输出：

6

 

质数定义为在大于1的自然数中，除了1和它本身以外不再有其他因数。

输出所有质数

public class TestDemo {
	public static void main(String[] args) {
		boolean flag = false;
		for (int i = 2; i <= 10; i++) {
			for (int j = 2; j * j < i; j++) {
				if (i % j == 0) {
					flag = true;
					break;
				}
			}
			if (flag == false) {
				System.out.println(i);
			}
			flag = false;
		}
	}
}

输出：

2
3
4
5
7
9

合数指自然数中除了能被1和本身整除外，还能被其他数（0除外）整除的数。与之相对的是质数，而1既不属于质数也不属于合数。最小的合数是4。

思路(100-1000之间的数字减去质数的数量就是所谓的合数)

输出合数的个数

public class TestDemo {
	public static void main(String[] args) {
		int a = 0;
		int b = 0;

		for (int i = 100; i <= 1000; i++) {
			a++;
			boolean d = true;
			for (int j = i / 2 + 1; j > 1; j--) {
				if (i % j == 0) {
					d = false;
				}
			}
			if (d == true) {
				b++;
			}
		}
		int c = a - b;
		System.out.println(c);
	}
}

输出：

758