問一個基本的問題。

負(fù)數(shù)在計(jì)算機(jī)中如何表示？

舉例來說，+8在計(jì)算機(jī)中表示為二進(jìn)制的1000，那么-8怎么表示呢？

很容易想到，可以將一個二進(jìn)制位（bit）專門規(guī)定為符號位，它等于0時就表示正數(shù)，等于1時就表示負(fù)數(shù)。比如，在8位機(jī)中，規(guī)定每個字節(jié)的最高位為符號位。那么，+8就是00001000，而-8則是10001000。

但是，隨便找一本《計(jì)算機(jī)原理》，都會告訴你，實(shí)際上，計(jì)算機(jī)內(nèi)部采用2的補(bǔ)碼（Two's Complement）表示負(fù)數(shù)。

什么是2的補(bǔ)碼？

它是一種數(shù)值的轉(zhuǎn)換方法，要分二步完成：

第一步，每一個二進(jìn)制位都取相反值，0變成1，1變成0。比如，00001000的相反值就是11110111。

第二步，將上一步得到的值加1。11110111就變成11111000。

所以，00001000的2的補(bǔ)碼就是11111000。也就是說，-8在計(jì)算機(jī)（8位機(jī)）中就是用11111000表示。

不知道你怎么看，反正我覺得很奇怪，為什么要采用這么麻煩的方式表示負(fù)數(shù)，更直覺的方式難道不好嗎？

昨天，我在一本書里又看到了這個問題，然后就花了一點(diǎn)時間到網(wǎng)上找資料，現(xiàn)在總算徹底搞明白了。

2的補(bǔ)碼的好處

首先，要明確一點(diǎn)。計(jì)算機(jī)內(nèi)部用什么方式表示負(fù)數(shù)，其實(shí)是無所謂的。只要能夠保持一一對應(yīng)的關(guān)系，就可以用任意方式表示負(fù)數(shù)。所以，既然可以任意選擇，那么理應(yīng)選擇一種最方便的方式。

2的補(bǔ)碼就是最方便的方式。它的便利體現(xiàn)在，所有的加法運(yùn)算可以使用同一種電路完成。

還是以-8作為例子。

假定有兩種表示方法。一種是直覺表示法，即10001000；另一種是2的補(bǔ)碼表示法，即11111000。請問哪一種表示法在加法運(yùn)算中更方便？

隨便寫一個計(jì)算式，16 + (-8) = ?

16的二進(jìn)制表示是 00010000，所以用直覺表示法，加法就要寫成：

　０００１００００
＋１０００１０００
－－－－－－－－－
　１００１１０００

可以看到，如果按照正常的加法規(guī)則，就會得到10011000的結(jié)果，轉(zhuǎn)成十進(jìn)制就是-24。顯然，這是錯誤的答案。也就是說，在這種情況下，正常的加法規(guī)則不適用于正數(shù)與負(fù)數(shù)的加法，因此必須制定兩套運(yùn)算規(guī)則，一套用于正數(shù)加正數(shù)，還有一套用于正數(shù)加負(fù)數(shù)。從電路上說，就是必須為加法運(yùn)算做兩種電路。

現(xiàn)在，再來看2的補(bǔ)碼表示法。

　０００１００００
＋１１１１１０００
－－－－－－－－－
１００００１０００

可以看到，按照正常的加法規(guī)則，得到的結(jié)果是100001000。注意，這是一個9位的二進(jìn)制數(shù)。我們已經(jīng)假定這是一臺8位機(jī)，因此最高的第9位是一個溢出位，會被自動舍去。所以，結(jié)果就變成了00001000，轉(zhuǎn)成十進(jìn)制正好是8，也就是16 + (-8) 的正確答案。這說明了，2的補(bǔ)碼表示法可以將加法運(yùn)算規(guī)則，擴(kuò)展到整個整數(shù)集，從而用一套電路就可以實(shí)現(xiàn)全部整數(shù)的加法。

2的補(bǔ)碼的本質(zhì)

在回答2的補(bǔ)碼為什么能正確實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算之前，我們先看看它的本質(zhì)，也就是那兩個步驟的轉(zhuǎn)換方法是怎么來的。

要將正數(shù)轉(zhuǎn)成對應(yīng)的負(fù)數(shù)，其實(shí)只要用0減去這個數(shù)就可以了。比如，-8其實(shí)就是0-8。

已知8的二進(jìn)制是00001000，-8就可以用下面的式子求出：

　００００００００
－００００１０００
－－－－－－－－－

因?yàn)?0000000（被減數(shù)）小于0000100（減數(shù)），所以不夠減。請回憶一下小學(xué)算術(shù)，如果被減數(shù)的某一位小于減數(shù)，我們怎么辦？很簡單，問上一位借1就可以了。

所以，0000000也問上一位借了1，也就是說，被減數(shù)其實(shí)是100000000，算式也就改寫成：

１００００００００
－００００１０００
－－－－－－－－－
　１１１１１０００

進(jìn)一步觀察，可以發(fā)現(xiàn)100000000 = 11111111 + 1，所以上面的式子可以拆成兩個：

　１１１１１１１１
－００００１０００
－－－－－－－－－
　１１１１０１１１
＋０００００００１
－－－－－－－－－
　１１１１１０００

2的補(bǔ)碼的兩個轉(zhuǎn)換步驟就是這么來的。

為什么正數(shù)加法適用于2的補(bǔ)碼？

實(shí)際上，我們要證明的是，X-Y或X+(-Y)可以用X加上Y的2的補(bǔ)碼完成。

Y的2的補(bǔ)碼等于(11111111-Y)+1。所以，X加上Y的2的補(bǔ)碼，就等于：

X + (11111111-Y) + 1

我們假定這個算式的結(jié)果等于Z，即 Z = X + (11111111-Y) + 1

接下來，分成兩種情況討論。

第一種情況，如果X小于Y，那么Z是一個負(fù)數(shù)。這時，我們就對Z采用2的補(bǔ)碼的逆運(yùn)算，求出它對應(yīng)的正數(shù)絕對值，再在前面加上負(fù)號就行了。所以，

Z = -[11111111-(Z-1)] = -[11111111-(X + (11111111-Y) + 1-1)] = X - Y

第二種情況，如果X大于Y，這意味著Z肯定大于11111111，但是我們規(guī)定了這是8位機(jī)，最高的第9位是溢出位，必須被舍去，這相當(dāng)于減去100000000。所以，

Z = Z - 100000000 = X + (11111111-Y) + 1 - 100000000 = X - Y

這就證明了，在正常的加法規(guī)則下，可以利用2的補(bǔ)碼得到正數(shù)與負(fù)數(shù)相加的正確結(jié)果。換言之，計(jì)算機(jī)只要部署加法電路和補(bǔ)碼電路，就可以完成所有整數(shù)的加法。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的关于2的补码的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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