计算机计算乘除法的原理

前言

  • 虽然我们在编程语言中可以直接使用+-/,但是对某些要求不能用/的情况下,我们有必要了解一下计算机是怎样完成乘除法的。
  • 首先,我们要明确一下计算机所能完成的最基本操作是:+(-)和左移右移。虽然ISA中一般都有MUL类指令,但是这些经过译码之后最终的元操作还是加法和移位指令。

乘法实现

  • 我们知道在计算机中只有0和1,于是,就有了二进制计数,比如5 = 101. 抽象的说,任何一个数均可以表示为如下式子:
    这里写图片描述
    所以其他数乘以X,就变成了如下式子:
    这里写图片描述
    这就是计算机做乘法的原理。因为对于计算机而言,左移一位代表乘以2,右移一位代表除以2。所以,对于a乘以x而言,只是将a左移x为1的位并累加即可。

举例说明:5*3

  1. 3=0011(不用分解,计算机就是这么存储的)
  2. 3的第0位1,5左移0位仍为0;
  3. 3的第一位为1,5左移1位为5*2 = 10
  4. 然后将其累加,得到最后结果15.

代码如下:

//没有考虑传入数太大,导致溢出的情况。只做简单说明
int getBits(int num){
    int numLen = 0;
    while(num){
        numLen++;
        num = num>>1;
    }
    return numLen;
}

int getIndexBit(int num,int pos){//获取从右到左的第pos位置的值1/0
    int index = 1<<pos;
    if((num&index)>>pos)
        return 1;
    else
        return 0;
}
int getBit(int num,int pos){//获取从右到左的第pos位置的值1/0
    pos = pos-1;
    return getIndexBit(num,pos);
}
int multi(int multi1,int multi2){
    bool minus = false;
    if(multi2<0){
        minus = true;
        multi2 = -multi2;
    }
    int length = getBits(multi2);
    int index = 0;
    int base = multi1;
    int sum = 0;

    while(index<length){
        int val = getBit(multi2,index+1);
        if(val)
            sum+=(base<<index);
        index++;
    }
    if(minus)
        return -sum;
    return sum;
}

除法实现

除法实现起来要比乘法难一点,因此,让我们首先从人的角度来计算一下除法的实现。

人类计算除法

当我们在计算51/3=17,抛开9*9乘法表。

  1. 从被除数的最高位5开始,从0-9选一个数,使得5-i*3>=0且使5-(i+1)*3<0。我们选择了1. 余数为2.
  2. 将余数*10+1=21,继续从0-9中选一个数,使得21-3*i>=0且使5-(i+1)*3<0,我们选择了7.
  3. 由此,我们找到了答案17。

计算机计算除法

计算机计算除法的过程与人类计算的过程很类似,只是选择范围变成了0或1.
还以51/3为例说明(51:110011;3:11)

  1. 从第一位开始为1,小于11,结果位置0;余数为1
  2. 从第二位开始,余数*2+1=11,等于11,结果位置1,余数为0;
  3. 从第三、四位开始,余数*2+0=0<011,结果位置0,余数为0
  4. 从第5位开始,余数*2+1=1<11,结果置0,余数为1
  5. 从第6位开始,余数*2+1=11=11,结果置1,余数为0.

此时将结果位相连,恰好是10001(17)

代码请参见:已通过leetcode-29题测试

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