3

Есть код:

   for(int i = -2; i<2; i++)
    System.out.printf("Инверсия %d даст %d. \n", i, ~i );

На выходе:

Инверсия -2 даст 1. 
Инверсия -1 даст 0. 
Инверсия 0 даст -1. 
Инверсия 1 даст -2.

Оператор инверсии похоже реализован так:

Operator ~ (int i){
return -i-1;
}

Но пишут, что инверсия инвертирует нули в единицы. Хорошо, для -2 (инт для упрощения 4 бита берём) 1010, первый бит - знак минус. Значит инверсия будет 0101, то есть 5. Дополнительный код: 0101 + 1 = 0110 - итого 6. Короче, никак у меня в теории не удаётся инвертировать код

Вопрос: Как на самом деле (объясните на единицах и нулях) работает этот проклятый оператор? И зачем разработчики языка сделали его работу именно такой?

12
  • Ай-яй-яй! -2 это 1110, а не 1010! 10 окт 2018 в 15:25
  • @Эникейщик C каких таких архитектур? 1110 есть в десятичном коде 0*2^0+1*2^1+1*2^2 = -6 (если первый - это знаковый бит). 10 окт 2018 в 15:27
  • Не знаю с каких архитектур. С очень давних. Введите -2 в виндовый калькулятор в режиме программиста и убедитесь в этом лично. Да и по вашей же ссылке в википедии оно же и написано. 10 окт 2018 в 15:29
  • 1
    Поменять все биты на наоборот, перевести в десятичный вид, прибавить единицу и добавить спереди минус. 10 окт 2018 в 15:36
  • 1
    Я не знаю, как все эти коды называются. Судя по тексту в википедии да, отрицательные числа представлены в дополнительном коде. А вы думали, спереди единичку приписал и число стало отрицательным? :) 10 окт 2018 в 15:43

2 ответа 2

5

Инверсия является побитовой операцией и преобразует хранящиеся в памяти единицы в нули и нули в единицы. Чтобы понять почему она так работает с типом int нужно изучит структуру представления примитивного типа int в памяти. Примитивный тип int состоит из четырех байт. Старший бит старшего байта отвечает за знак числа, остальные - за значение. Отрицательные числа хранятся в дополнительном коде.
Разберем пример для числа -2:

System.out.println(Integer.toBinaryString(-2));
//11111111 11111111 11111111 11111110 - битовое представление числа -2

после операции побитовой инверсии мы получим:
00000000 00000000 00000000 00000001, что эквивалентно десятичной 1

Таким образом для корректного использования побитовых операций важно знать внутреннюю структуру обрабатываемых данных и при необходимости работать только с нужной частью битов используя маски и сдвиги. Необходимо учитывать и то, что другие целочисленные типы при многих операциях так же приводятся к типу int.

9
  • Почему, простите -2 у вас 11111111 11111111 11111111 11111110 а не 10000000 00000000 00000000 00000010. С каких-таких тьюрингов там единицы взялись? 10 окт 2018 в 15:43
  • 2
    Потому что именно так работает компьютер! 10 окт 2018 в 15:44
  • 1
    @AndrewKachalin Представление данных в памяти не всегда интуитивно для человека. Но мы можем убедиться как именно представлено в битах конкретное десятичное число с помощью метода Integer.toBinaryString(int);
    – Mark
    10 окт 2018 в 15:51
  • @Mark вы всё понимаете, но в обще принятых терминах объясняете не очень грамотно. Поэтому плюсую, но принять ответ не могу. В апдейте вопроса тот ответ, который мне был нужен. 10 окт 2018 в 16:10
  • @AndrewKachalin так напишите сами ответ, и примите его, если Эникейщик не хочет. А то вопрос без принятого ответа - это не очень, да и сильно ударяет по моим перфекционистским чувствам. 10 окт 2018 в 16:35
2

Отрицательные числа компьютер хранит в дополнительном коде. С точки зрения математики, дополнительный код - это кольцо вычетов по модулю 2N. Не пугайтесь, это страшное слово означает всего лишь, что к отрицательным числам добавляется 2N, где N - число разрядов.

К примеру, 32х-битное число -1 в памяти хранится как 232-1 = 4294967295. Или, в двоичном виде, 11111111 11111111 11111111 111111112.

Аналогично, число -2 в памяти хранится как 232-2 = 11111111 11111111 11111111 111111102, а число -3 - как 232-3 = 11111111 11111111 11111111 111111012.

Легко видеть, что инверсия одного бита с точки зрения математики - это вычитание его из 1: 1-1=0, а 1-0=1. Инверсия же всех 32х бит числа - это вычитание их его из 32х единиц. Но, как уже было показано выше, число состоящее из 32х единиц - это -1.

Таким образом, математически вы правы, оператор инверсии действительно работает так как вы написали:

~x = -1-x

Но не следует думать что эта формула - его реализация. Это всего лишь его математическое свойство, а реализован он по определению - как инверсия всех бит числа.

Кстати, если перенести единицу в другую часть, получится более интересная формула:

~x + 1 = -x

Интересна эта формула тем, что является реализацией оператора "унарный минус" в процессоре. Именно так процессоры вычитают целые числа:

x - y = x + ~y + 1
2
  • "Кольцо вычетов" - вы как просветитель избегайте терминов там, где можно и нужно давать ответ чтобы поняли вас пятиклассники. А так да, спасибо, плюсую. 11 окт 2018 в 9:04
  • @AndrewKachalin я этот термин на пальцах объяснил. А указал я его специально, чтобы было что гуглить если эта тема вас заинтересует. 11 окт 2018 в 9:45

Ваш ответ

By clicking “Отправить ответ”, you agree to our terms of service and acknowledge that you have read and understand our privacy policy and code of conduct.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками или задайте свой вопрос.