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  • javascript 中的二进制运算

    1、原码、反码、补码,正数减法转补码加法

    js 在进行二进制运算时,使用 32 位二进制整数,由于 js 的整数都是有符号数,最高位0表示正数,1表示负数,因此,js 二进制运算中使用的整数表达范围是

    -Math.pow(2,31) ~ Math.pow(2,31)-1   // -2147483648 ~ 2147483647

    原码:最高位 0 表示正,1表示负,其余 31 位是该数的绝对值(真值的绝对值)的二进制形式

    反码:正数反码与原码相同,负数反码是原码符号位不变,其余31位取反(0变1,1变0)

    补码:正数补码与原码相同,负数补码为反码加 1 (符号位参与运算,其实只有求 -0 的补码才涉及最高位进位,因此不用担心在反码加1时由于符号位参与运算进位而使 - 变 +)。

    +0 的反码:32个0 ,按正数处理,原码、反码、补码都是0。

    -0 的反码:最高位1,其余位由 +0 原码取反,得到 32 个 1

    -0 的补码:其反码是 32 个 1 加 1,最高位溢出被舍弃,得到 32 个0

    因此,正负 0 的补码都是 0.

    由负数的补码求他的绝对值补码:负二进制数的绝对值,只要各位(包括符号位)取反,再加1,就得到其绝对值。 

    计算机在处理加减运算时,使用补码进行运算,减法被视为加上一个负数,在处理负数时,用负数的补码进行加法可以即可得到正确运算结果,补码是为了统一加减运算而生的。

    正数减法转补码加法的原理是 32 位数溢出:

    对于32 位二进制正整数来说,其模为 

    Math.pow(2,32) = 4294967296 

    32 位正整数最大表达范围是  4294967296 - 1 ,达到 4294967296 这个值就要进位到33位,33 位是溢出位被丢弃,只得到32 个0(这个道理跟表盘上 0 点 和12 点的时针指在同一个位置是一样的,表盘以 12 为模),因此,一个数逐渐增大,一旦超出 4294967296-1 的数 M 就可以表示为  M%4294967296

    而负数 -M (M为绝对值)可以表示为一个正数:  4294967296 - M这个正数就是负数的补码对应的二进制正整数,负数的补码按32位二进制数,与他的原码相加刚好等于模 ),道理跟表盘一样,11点和负1点指在同一个位置。

    以 -3 为例:

    (Array(32).join("0")+(3).toString(2)).slice(-32); // |-3| 的二进制数
    原码 = 10000000000000000000000000000011;
    反码 = 11111111111111111111111111111100; //原码符号位为1,其余位取反 补码 = 11111111111111111111111111111101; //反码加1

    那么,有
    补码+原码 = (反码+1)+原码
    = (反码+原码)+1
    = 1+(32位全是 1 的二进制数) //因为反码由正数形式的原码的低31位取反加上符号位1得到,因此这两个数的和的低31位全都是1,加上反码符号位1,得到32 个1
    = Math.pow(2,32)
    = 4294967296 //这正是32位二进制数的模, 跟 |-1|+11 = 12 原理一样

    正数1 - 正数2 = 正数1 + (-正数2) = 正数1 + (模-正数2) = 正数1 + 正数3  //正数3 = (模-正数2)
    这就是: 正数减法 -> 负数加法 -> 补码加法 的过程。

    2、位运算

    因为 js 的整数默认是带符号正数,所以在为运算中,只能使用 31 位(0~2147483647),开发者是不能访问最高位的。

    位运算只发生在整数上,因此一个非浮点数参与位运算之前会被向下取整。

    为了避免访问符号位, javascript 在现实 负数的 二进制时,转换为 符号及  其绝对值的二进制,如:

    (-123).toString(2) ;// "-1111011"

    按位取反(~): 一元运算, 1 变0,0变1 ,如 

             ~123 ; //-124

    可以验证一下这个过程:正数取反,符号位为负,所以结果是一个负数,根据 Math.pow(2,32) - M 可以表示成  -M,可以按下面方法计算

          

     parseInt((Array(32).join(0)+ (123).toString(2)).slice(-32).replace(/\d/g,function(v) {
    return (v*1+1)%2;
    }),2)-Math.pow(2,32)  // -124 ,如果是负数减 Math.pow(2,32)

    需要注意的是, javascript 位运算都是有符号的,因此达到 32 位,其最高位将作为 符号位,取反时应得到正数(取模 Math.pow(2,32) 的补数--两个数相加得到模,称这两个数互为补数)。

    按位与(&):两个数的相同位,都是 1 返回1 ,否则返回0

      123&234 = 106
    
        123  "00000000000000000000000001111011" 
        234  "00000000000000000000000011101010"
    ---------------------------------------------
        106  "00000000000000000000000001101010"
      

    按位或(|):两个数的相同位,有一个是 1 则返回 1 ,否则返回 0

      123|234 = 251
    
        123  "00000000000000000000000001111011" 
        234  "00000000000000000000000011101010" 
    ---------------------------------------------
        251  "00000000000000000000000011111011"

    按位异或(^):两个数的相同位,一个是 1 另一个是 0 则返回 1,否则返回0

    123^234 = 145
    
        123  "00000000000000000000000001111011" 
        234  "00000000000000000000000011101010" 
    ---------------------------------------------
        145  "00000000000000000000000010010001"
    
     

    异或运算的一些特性:

     a ^ a = 0  
     a ^ b = b ^ a  
     a ^ b ^ c = a ^ (b ^ c) = (a ^ b) ^ c
     a ^ b ^ a = b
     d = a ^ b ^ c   可以推出  a = d ^ b ^ c //这个特性被用在一些加密算法中
    
     
    
    //如果运算数在适当范围内(不溢出), 如 a=1,b=2,交换两个变量的值
    
    a = [b,b=a][0]
    
    //或者 
    
    a = a^b
    b = a^b
    a= a^b 

    利用位的异或运算使用一个数字记录多个信息:
    有几个状态值分别是 1、2、8、16 .....

    这 些值的规律是,他们的二进制只有一位是 1 ,其余都是 0, 因此, 他们中的任意几个的按位异或运算的结果都不会出现 两个数的某一位都是 1 的情 况,并且运算的值都是唯一确定的,也就是,知道运算的结果,就知道是哪几个数的组合,这样可以用一个数字记录多个信息。

    1     00000001
    
    2     00000010
    
    4     00000100
    
    8     00001000
    
    16    00010000

    1^2^4 = 7  // "00000111"

    因此,如果我们知道结果是 7 ,就知道他们是由 1 、2、4 组合而成。

    如果我们要设置一个参数,使其包含几个状态值,就可以用 按位或运算,

    这样的例子可以参考 PHP 中关于图片类型的几个常量,和  PHP 错误等级定义的几个常量。

    这样的例子,也许有用十进制数来描述的,比如: 个位数的数字表示某个属性的状态,十位数的数字表示另一个属性的状态,这样的话,每个状态可以有 10 个值,只用一个数字就可以描述的组合非常多。

    左移位(<<) : 一个数的二进制所有位向左移动,符号位不动,高位溢出丢弃,低位补 0 

          如果不溢出, 左移位的效果是乘以 2。

    右移位(>>): 一个数的二进制所有位向右移动,符号位不动,高位补0,低位丢弃 

         右移位操作的效果是除以 2 并向下取整。

     

    带符号右移(>>>):移位时符号位跟随移动,符号位也作为数值看待,所以,该操作的结果是 32 位无符号整数,因此负数的带符号右移将产生正整数,正数的带符号右移与 无符号右移相同,这是唯一可以操作符号位的运算。

    -123>>>1 ;//2147483586

    一些要注意的地方:

    位运算必须是整数,如果运算元不是可用的整数,将取 0 作为运算元

    ~NaN; // 将执行 ~0  ,结果为 -1
    
    ~'x'; // -1
    
    'hello'|0; // 0
    ({})|0 ; //0
    ~Infinity; //-1 同 ~0

    位移运算不能移动超过31位,如果试图移动超过31位,将位数 对32取模后再移位

    123>>32 //实际是 123>>0  (32%32 = 0)
    
    123>>33 //实际是 123>>1

     

     32位带符号整数表达范围是 -Math.pow(2,31) ~ Math.pow(2,31)-1 即 -2147483648~2147483647,而 js 数字的精度是双精度,64位,如果一个超过 2147483647 的整数参与位运算的时候就需要注意,其二进制溢出了,截取32位后,如果第32位是1将被解读为负数(补码)。

    2147483648>>0; //-2147483648
    
    4294967296>>0; //0
    
    4294967295>>0; //-1
    
    4294967297>>0; //1
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