补码 符号数的二进制 整数

Blablabla~ 

今天重温了《深入了解计算机系统》关于符号数的bianary表示，弄懂了补码的原理。并写了python脚本验证。当初对这块有疑惑是一上来就告诉你，xxx取反加1就是补码，完全不知道为什么这么做，今天抛开这个说法，从我们想要解决问题入手去思考。

目标

我们想要解的问题是：我们知道计算机都是binary的存储，那么这些binary怎么解释或者对应到 带符号的整数呢？

这是我们想要的解决的问题

解决方案（general)

提供了一种翻译机制，就是一个函数，输入是binary，输出是 符号数

def B2S(binary):

      reutrn sign_integer

具体方案(detail)

• 一个很正常是思路就是一个bit位符号位，0为正，1为负，其他的n-1 bit照旧。这个方案有一个问题是0有两个表示10000和00000 （这套方案叫 singned magnitude 原码），这个方案正负数相加会有问题哦（不是0）
• 另外一个思路是负数：保留符号位，其余的数 取反，有一个问题就是+0 = 0000， -0 = 11111，有两个方式（这套方案叫 ones' complement)， 两数 x+(-x)会得到1111 （就是-0）
• 最后看我们计算机中的最终选择的方案吧 (two's complement)

书里的2.2.3章节的这个图比较形象地画出方案细节，具体可以看下1011的例子。-8在左边是灰色的，蓝色的是正的，累加起来。

def B2U(b):
    #binary to unsigned
    x=0
    b_str = b[::-1]
    for i,v in enumerate(b_str):
        if int(v)!=0:
            x+= np.power(2,i)
    return x
def test_B2U():
    assert B2U('0001') == 1
    assert B2U('0101') == 5
    assert B2U('1011') == 11
    assert B2U('1111') == 15
 
def B2T(b):
    #bianry to two's component
    x = 0
    b_str = b[::-1]
    idx = len(b_str)-1
    for i,v in enumerate(b_str):
        if i
            if int(v)!=0:
                x+= np.power(2,i)
        else:
            x += -int(v)*np.power(2, i)
    return x
def test_B2U():
    assert B2U('0001') == 1
    assert B2U('0101') == 5
    assert B2U('1011') == -5 # -8+2+1
    assert B2U('1111') == -1 # -8+4+2+1

本质上，我们知道符号数的第一位来表示符号，0表示正，1表示负，那么实际的数值就是：

- 最大的值： 0111， 2^n-1

- 最小的值： 1000， - 2^n

- 一般的值：(-v)*2^n+ 其他项

明白了最小的值是1000，结合上面的图，那么任意bit的整数，-1的表示都是0xfffff。。。

补码：对于任意x, 我们用  来表示 -x的w位表示

           另一个思路是，x+(-x)=0 那么，-x = 0-x = 2^w - x = 10000 -(x) 这个思路很好（但是我们不应该记住结论/公式：负数的binary就是其整数取反再加1，记住过程，我们希望x+(-x)=0,所以-x = 0000- x

总结

这套方案（函数），在计算机里叫做 "补码编码". 一般都使用补码的形式来表示有符号整数。弄明白了计算机使用补码（two's component)的编码方式来表示负数（即符号数）。本质就是制定一个规则，一个bianry怎么serialze 到有符号数，这个规则就是一个函数，就是我上面写的B2T，这个函数叫做补码编码。

unsigned char x=0;

printf("%u", x-1); #255