原码、反码、补码

作者：知乎用户
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我尝试硬生生的把它们串起来哈

数字在自然界中抽象出来的时候，一棵树，两只猪，是没有正数和负数的概念的

计算机保存最原始的数字，也是没有正和负的数字，叫没符号数字

如果我们在内存分配4位（bit）去存放无符号数字，是下面这样子的

后来在生活中为了表示“欠别人钱”这个概念，就从无符号数中，划分出了“正数”和“负数”

正如上帝一挥手，从混沌中划分了“白天”与“黑夜”

为了表示正与负，人们发明了"原码"，把生活应该有的正负概念，原原本本的表示出来

把左边第一位腾出位置，存放符号，正用0来表示，负用1来表示

但使用“原码”储存的方式，方便了看的人类，却苦了计算机

我们希望 （+1）和（-1）相加是0，但计算机只能算出0001+1001=1010 (-2)

这不是我们想要的结果 (╯' - ')╯︵ ┻━┻

另外一个问题，这里有一个（+0）和（-0）

为了解决“正负相加等于0”的问题，在“原码”的基础上，人们发明了“反码”

“反码”表示方式是用来处理负数的，符号位置不变，其余位置相反

当“原码”变成“反码”时，完美的解决了“正负相加等于0”的问题

过去的（+1）和（-1）相加，变成了0001+1101=1111，刚好反码表示方式中，1111象征-0

人们总是进益求精，历史遗留下来的问题—— 有两个零存在，+0 和 -0

我们希望只有一个0，所以发明了"补码"，同样是针对"负数"做处理的

"补码"的意思是，从原来"反码"的基础上，补充一个新的代码，（+1）

我们的目标是，没有蛀牙（-0）

有得必有失，在补一位1的时候，要丢掉最高位

我们要处理"反码"中的"-0",当1111再补上一个1之后，变成了10000，丢掉最高位就是0000，刚好和左边正数的0，完美融合掉了

这样就解决了+0和-0同时存在的问题

另外"正负数相加等于0"的问题，同样得到满足

举例，3和（-3）相加，0011 + 1101 =10000，丢掉最高位，就是0000（0）

同样有失必有得，我们失去了(-0) , 收获了（-8）

以上就是"补码"的存在方式

结论：保存正负数，不断改进方案后，选择了最好的"补码"方案。

 

作者：张天行
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所谓原码就是机器数，是加了一位符号位的二进制数，正数符号位为0，负数符号位为1，计算机中存储、处理、运算的数据通常是8位、16位、32位或64位的，这里以最简单的8位为例讲解。注意符号位是包含在8位中的其中1位，故可直观读出的数只有7位（只有后7位数可以按权展开）。有心人可能注意到原码是有缺陷的，它只能表示255种状态，因为00000000（＋0）和10000000（－0）其实是一个数，因此原码的表示范围成了－127到＋127，这个问题需要神奇的补码来解决，因为在补码中10000000被用来表示－128。

所谓反码，英语里又叫ones' complement（对1求补），这里的1，本质上是一个有限位计数系统里所能表示出的最大值，在8位二进制里就是11111111，在1位十进制里就是9，在3位十六进制里就是FFF（再大就要进位了）。求反又被称为对一求补，用最大数减去一个数就能得到它的反，很容易看出在二进制里11111111减去任何数结果都是把这个数按位取反，0变1，1变零，所以才称之为反码。用原码求反码的方法是，正数不变，负数保留符号位1不变，剩下位按位取反。

所谓补码，英语里又叫two's complement（对2求补），这个2指的是计数系统的容量（模），就是计数系统所能表示的状态数。对1位二进制数来说只有0和1两种状态，所以模是10也就是十进制的2，对7位二进制数来说就是10000000，这个模是不可能取到的，因为位数多一位。用模减去一个数（无符号部分）就能得到这个数的补，比如10000000－1010010=0101110，事实上因为10000000=1111111+1，稍加改变就成了（1111111－1010010）+1，所以又可以表述为先求反再加1。总结求补码的方法就是正数依旧不变，负数保留符号位不变，先求反码再加上1。

记住了怎么求补码，接下来讲讲运算。通过原码的符号位和数值，我们能迅速指出它代表的数，判断其正负并进行四则运算，相比而言反码和补码对于人则显得过于晦涩。如果说原码是给人看的数字语言，那么补码就是计算机的数字语言。计算机不需要知道什么是正负、大小，这些判断对它而言过于复杂。事实上它存储、处理、传输的数都只有补码一种形式，人所做的加减乘除，在计算机里只通过相加和移位就能解决，这都来自于补码系统的内在自洽和巧夺天工的神奇魔力，也是后文要阐述的重点。

对加法和减法，按上文的方法求得补码之后，直接相加就可以了，但相加的时候符号位一定要一起参与运算，有时候，两符号位相加或者接受来自低位的进位会发生溢出，就扔掉溢出的一位（稍后会解释为什么），由新的符号位决定结果的正负，如果是0表示正数，结果就是原码，如果是1表示负数，结果还要再求补数得到原码。

至此我介绍了原码反码补码的规定，以及如何求补码并进行加减法（乘除暂不涉及，事实上懂了加减法的奥秘，乘除很容易理解），对于一个工程人才来说，上面的内容已经足够应付所有具体问题。剩下的则是一些“无用”的思考，关于为何这套法则能够化减为加，以及人为规定的符号位在运算中为何总是能精确地指示结果的符号。