标签：11 计算机 0011 0101 补码 负数 原理 补数
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文首
我们都知道负数在计算机中是以补码（忘了补码定义的戳这里）表示的，那为什么呢？本文尝试了解补码的原理，而要想理解它，首先得理解算术中“模”的概念。所以首先看一下什么是模，然后通过一个小例子来理解补码。
1 模（Modulo）
1.1 什么是模数
In mathematics, modular arithmetic is a system of arithmetic for integers, where numbers “wrap around” upon reaching a certain value—the modulus (plural moduli).
1.1.1 理解
模是指一个计量系统的计数范围。如时钟等。计算机也是一个计算器，它也是有一个计量范围，即都存在一个“模”。
如时钟的计量范围是0~11，模 = 12。
32位计算机的计量范围是2^32，模 = 2^32。
“模”是计量器产生“溢出”的量，它的值在计量器上表示不出来，计量器上只能表示出模的余数，如12的余数有0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11。
1.2 补数
假设当前时针指向11点，而准确时间是8点，调整时间可有以下两种拨法：
一种是倒拨3小时，即：11-3=8
另一种是顺拨9小时：11+9=12+8=8
在以模为12的系统中，加9和减3效果是一样的，因此凡是减3运算，都可以用加9来代替。对“模”12而言，9和3互为补数（二者相加等于模）。所以我们可以得出一个结论，即在有模的计量系统中，减一个数等于加上它的补数，从而实现将减法运算转化为加法运算的目的。
1.3 再谈“模”
从上面的化减法为加法，以及所谓的溢出等等可以看到，“模”可以说就是一个太极，阴阳转化，周而复始，无始无终，循环往复。
2 补码原理
计算机上的补码就是算术里的补数。
设我们有一个 4 位的计算机，则其计量范围即模是
2^4 = 16，所以其能够表示的范围是0~15，现在以计算 5 - 3为例，我们知道在计算机中，加法器实现最简单，所以很多运算最终都要转为加法运算，因此5-3就要转化为加法：
# 按以上理论，减一个数等于加上它的补数，所以
5 - 3
# 等价于
5 + (16 - 3) // 算术运算单元将减法转化为加法
# 用二进制表示则为：
0101 + (10000 - 0011)
# 等价于
0101 + ((1 + 1111) - 0011)
# 等价于
0101 + (1 + (1111 - 0011))
# 等价于
0101 + (1 + 1100) // 括号内是3（0011）的反码+1，正是补码的定义
# 等价于
0101 + 1101
# 所以从这里可以得到
-3 = 1101
# 即 `-3` 在计算机中的二进制表示为 `1101`，正是“ -3 的正值 3（`0011`）的补码（`1101`）”。
# 最后一步 0101 + 1101 等于
10010
因为我们的计算机是 4 位的，第一位“溢出”了，所以我们只保存了 4 位，即 0010，而当计算机去读取时这正是我们所期望的 2！！叹为观止吧，天才般的设计！感恩伏羲、莱布尼兹和冯诺依曼！
文末
一阴一阳之谓道。万事万物，阴阳转化，周而复始，无始无终，循环往复。
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