关于Java中byte类型为什么是-128~127的论证

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原码、反码和补码之间的关系

  • 机器数:一个数在计算机中的二进制表示形式, 叫做这个数的机器数。机器数是带符号的,在计算机用一个数的最高位存放符号。正数为0, 负数为1。
比如:十进制中的数 +3 ,计算机字长为8位,转换成二进制就是00000011。如果是 -3 ,就是 10000011 。那么,这里的 00000011 和 10000011 就是机器数。
  • 真值:因为第一位是符号位,所以机器数的形式值就不等于真正的数值。为区别起见,将带符号位的机器数对应的真正数值称为机器数的真值。
例如:上面的有符号数 10000011,其最高位1代表负,其真正数值是 -3 而不是形式值131(10000011转换成十进制等于131)
例:0000 0001的真值 = +000 0001 = +1,1000 0001的真值 = –000 0001 = –1
  • 原码:原码就是符号位加上真值的绝对值, 即用第一位表示符号, 其余位表示值。
比如:如果是8位二进制:[+1]原 = 0000 0001 [-1]原 = 1000 0001 第一位是符号位. 
因为第一位是符号位, 所以8位二进制数的取值范围就是:[1111 1111 , 0111 1111]即[-127 , 127]。原码是人脑最容易理解和计算的表示方式.
  • 反码:反码的表示方法是:正数的反码是其本身,负数的反码是在其原码的基础上, 符号位不变,其余各个位取反。
[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 
[-1] = [10000001]原 = [11111110]反
可见如果一个反码表示的是负数, 人脑无法直观的看出来它的数值. 通常要将其转换成原码再计算.
  • 补码:正数的补码就是其本身.负数的补码是在其原码的基础上, 符号位不变, 其余各位取反, 最后+1. (即在反码的基础上+1)

Java中byte类型为什么是-128~127

  • 现在我们知道了计算机中有3种编码方式表现一个数
对于正数[+1] = [00000001]原 = [00000001]反 = [00000001]补
对于负数[-1] = [10000001]原 = [11111110]反 = [11111111]补
  • 由此可见,原码、反码和补码完全不同,既然反码和补码都难以被人们接受,那为什么还要有呢?
  • 为了让计算机的运算更加方便,人们便设计出让它只做加法,不做减法,并且符号位也参与加法。
    • 如:1 - 1 = 1 + (-1) = [00000001]原 + [10000001]原 = [10000010]原 = -2
  • 如果只让原码参与运算,对于负数,运算的结果显然不对。为了解决原码做减法的问题, 出现反码。
    • 1 - 1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原= [0000 0001]反 + [1111 1110]反 = [1111 1111]反 = [1000 0000]原 = -0
  • 发现用反码计算减法, 结果的真值部分是正确的. 而唯一的问题其实就出现在”0”这个特殊的数值上. 虽然人们理解上+0和-0是一样的, 但是0带符号是没有任何意义的. 而且会有[0000 0000]原和[1000 0000]原两个编码表示0.
  • 于是补码的出现, 解决了0的符号以及两个编码的问题
    • 1-1 = 1 + (-1) = [0000 0001]原 + [1000 0001]原 =[0000 0001]反 + [1111 1110]反= [0000 0001]补 + [1111 1111]补 = [0000 0000]补=[0000 0000]原
  • 这样0用[0000 0000]表示, 而以前出现问题的-0则不存在了.而且可以用[1000 0000]表示-128
    • (-1) + (-127) = [1000 0001]原 + [1111 1111]原 = [1111 1111]补 + [1000 0001]补 = [1000 0000]补
  • -1-127的结果应该是-128, 在用补码运算的结果中, [1000 0000]补 就是-128. 但是注意因为实际上是使用以前的-0的补码来表示-128, 所以-128并没有原码和反码表示.(对-128的补码表示[1000 0000]补算出来的原码是[0000 0000]原, 这是不正确的),使用补码, 不仅仅修复了0的符号以及存在两个编码的问题, 而且还能够多表示一个最低数. 这就是为什么8位二进制, 使用原码或反码表示的范围为[-127, +127], 而使用补码表示的范围为[-128, 127]。
  • 因为机器使用补码, 所以对于编程中常用到的32位int类型, 可以表示范围是: [-231, 231-1] 因为第一位表示的是符号位.而使用补码表示时又可以多保存一个最小值。其他类型多出一位数,也都是一样的原理。

转载于:https://my.oschina.net/chinahufei/blog/3029888

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