任意N位二进制的补码实现——队列存放

    正在学习计算机组织与结构，为了写一些底层的算术操作模拟，比如一个二进制补码数的加减乘除，发现这很麻烦，因为不管是什么语言，都只提供了8位、32、64位等部分位数的补码形式，那么怎么实现任意任意位的补码整数呢，由于我们不能利用现有的如Byte、Integer类，所以我们需要一个容器来存储我们自己编写的任意位的补码整数。

   数组可以实现，但是数组移位可能比较麻烦，比如如果要实现二进制数的算术右移，必须要移动大部分元素。可以使用链表，虽然获取二进制数某一位的值比较麻烦，但是还是比数组可能更好一点。于是，我们采用基于链表的队列。

 

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 * Created by XuTao on 2018/12/1 15:26
 * 作用：存储一个n位二进制数，并实现左右移动、取反、求值等操作
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public class BinaryQueue {
    private int size; //二进制的位数
    public Node head = new Node(-1); //head只是一个头节点，后面才是二进制数,从左到右，从高位到低位的
    public BinaryQueue(int size){ //创建一个size大小的二进制，他被初始化为00000..00
        this.size = size;
        Node temp =head;
        for (int i =0;i<size;i++){
            temp .next = new Node(0);
            temp = temp.next;
        }
    }

    public BinaryQueue(String binary){  //以二进制数创建
        this.size = binary.length();
        Node temp =head;
        for (int i =0;i<size;i++){
            temp .next = new Node(binary.charAt(i)-'0');
            temp = temp.next;
        }
    }

    public void shiftLeft(){  //左移
        head.next = head.next.next;
        Node temp = head.next;
        for (int i=0;i<size;i++){
            if (i==size-2) {
                temp.next = new Node(0);
                break;
            }
            temp = temp.next;
        }
    }

    public void shiftRight(){//右移
        Node first = head.next;
        head.next = new Node(0);
        head.next.next=first;

        Node temp = head;
        for (int i =0;i<size;i++){
            temp = temp.next;
        }
        temp.next =null;
    }

    public void shiftRightArithmetically(){ //算术右移，符号扩展
        Node first = head.next;
        head.next = new Node(first.value);
        head.next.next=first;

        Node temp = head;
        for (int i =0;i<size;i++){
            temp = temp.next;
        }
        temp.next =null;
    }


    public BinaryQueue reverse(){//按引用传递，会改变值
        BinaryQueue bq = new BinaryQueue(this.getStr()); // 重新建立一个，不改变原来的二进制
        Node temp = bq.head.next;
        for (int i =0;i<bq.size;i++){
            temp.value = 1-temp.value; //取反，是1,1-1=0；是0:1-0=1
            temp = temp.next;
        }
        return bq;
    }


    public BinaryQueue add(BinaryQueue bq){
        //将两个队列中的二进制放入数组中，如果长度不同则需要将短的进行算术扩展，
        int len = bq.size>size?bq.size:size;
        int [] arr_bq = new int[len];
        int [] arr_this = new int[len];
        if (bq.size>size){//bq 长，this扩展
            String s = bq.getStr();
            for (int i =0;i<len;i++){
                arr_bq[i] = s.charAt(i)-'0';
            }
            String s_this = getStr();
            for (int j =0 ;j<len;j++){
                if (j<len-size){
                    arr_this[j] = head.next.value;
                }
                else {
                    arr_this[j]= s_this.charAt(j-(len-size))-'0';
                }
            }
        }
        else { //this 长 ，bq扩展
            String s = this.getStr();
            for (int i =0;i<len;i++){
                arr_this[i] = s.charAt(i)-'0';
            }
            String s_bq = bq.getStr();
            for (int j =0 ;j<len;j++){
                if (j<len-size){
                    arr_bq[j] = bq.head.next.value;
                }
                else {
                    arr_bq[j]= s_bq.charAt(j-(len-size))-'0';
                }
            }
        }

        //相加
        int []res = new int[len];
        int carry = 0; //上一次加的进位
        for (int i = len-1;i>=0;i--){
            res[i] = arr_bq[i]+arr_this[i]+carry;
            if (res[i]==2){//进位1,本位0
                res[i]=0;
                carry =1;
            }
            else if (res[i]==3){//进位1，本位1
                res[i]=1;
                carry =1;
            }
            else carry = 0;
        }
        String str = "";
        for (int i =0;i<len;i++){
            str+=res[i];
        }
        return new BinaryQueue(str);
    }

    public BinaryQueue subtract(BinaryQueue bq){ //减法
        return this.add(bq.getOppositeNumber());//基于加法
    }

    public BinaryQueue getOppositeNumber(){//取相反数，就是取反加一
        String s = "";
        for (int i=0;i<size-1;i++){
            s+="0";
        }
        s+="1";
        return reverse().add(new BinaryQueue(s));//加一
    }


    public int getInt(){ //获取二进制所代表的补码整数
        if (head.next.value==1){
            return -Integer.valueOf(getOppositeNumber().getStr(),2);
        }
        return Integer.valueOf(getStr(),2);
    }


    public void set(int index,int value){ //改变某一位
        Node temp = head.next;
        for (int i = 0;i<size;i++){
            if (i==index)break;
            temp = temp.next;
        }
        temp.value = value;
    }


    public String getStr(){ //获取二进制字符形式
        String str ="";
        Node temp = head.next;
        while (temp!=null){
            str+=temp.value;
            temp =temp.next;
        }
        return str;
    }


    public int getLast(){ //获取最低位
        Node temp = head;
        for (int i = 0;i<size;i++){
            temp = temp.next;
        }
        return temp.value;
    }

    public static void main(String[] args) {
        BinaryQueue bq = new  BinaryQueue("1000000011");
        BinaryQueue bq2 = new BinaryQueue("0000000001"); 
//        System.out.println(bq.add(bq2).getStr());
        System.out.println(bq2.getOppositeNumber().getStr());
//        System.out.println(bq.getInt());
//        System.out.println(bq2.getInt());
//        System.out.println(bq.subtract(bq2).getInt());
        System.out.println(bq.subtract(bq2).getInt());
    }

    //节点类

}
class Node{
    int value;
    Node next;
    Node (int value){
        this.value = value;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }
}

 
有了我们自己定义的任意的N位补码二进制数，那么我们可以实现一些计算机底层的模拟了，比如布思算法等等。