C语言关于进制转换，补码, 整数的位操作

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1、二进制、八进制、十进制、十六进制的相互转换

2、原码、反码、补码

3、举例证明整数在计算机内是以补码的形式存在（以负数为例）

4、整数的位操作：按位且&、或|、异或^、取反~

5、整数的位移操作：左位移，右位移

6、整数的按位与&、位移、异或^的应用举例

一、进制转换 

//关于进制转换，从网上找了几张经典图片，便于后面查询

1、二进制转十进制、八进制转十进制、十六进制转十进制

2、十进制转二进制， 十进制转八进制，十进制转十六进制

3、二进制转八进制，二进制转十六进制

4、八进制转二进制，十六进制转二进制

// 编程中默认就是十进制
    int num = 188;
    printf("十进制展示： %d
", num);  //十进制展示： 188
    
    
    // 在编程中想表示二进制,需要在数字前面加上 0b
    int num2 = 0b10111100;
    printf("二进制 =》十进制 : %i
", num2);  //二进制 =》十进制 : 188
    
    
    // 在编程中想表示八进制,需要在数字前面加上 0
    int num8 = 0274;
    printf("八进制 =》十进制 : %i
", num8);  //八进制 =》十进制 : 188
    
    
    // 在编程中想表示十六进制,需要在数字前面加上 0x
    int num16 = 0xbc;
    printf("十六进制 =》十进制 : %i
", num16);  //十六进制 =》十进制 : 188
    
    
    //以八进制形式、十六进制的形式输出十进制
    printf("八进制展示：%o
", num);   //八进制展示：274
    printf("十六进制展示：%x
", num); //十六进制展示：bc

二、原码、反码、补码 

/**
     假如一个字节的二进制表示：最高位用来表示符号（正负）
     1、原码：最容易被人脑直接识别并用于计算的表示方式
     2、反码：正数的反码和原码一样，负数的反码除最高位符号位外，其他位都取反
     3、补码：方便计算机进行计算，可以让最高位符号位都能参与计算；
     正数的补码和原码一样，负数的补码是其反码+1
     　　    整数在计算机中以补码的方式存储，不管是正数还是负数。
     
     举例说明：8和-8 （假如都占一个字节，最高位是0表示是正数，是1表示是负数）
     8的原码：0000 1000
     8的反码：0000 1000
     8的补码：0000 1000
     -----------------
     -8的原码：1000 1000
     -8的反码：1111 0111  （除最高位符号位外，其他位取反）
     -8的补码：1111 1000  （负数反码+1进位）
     
     
     
     补码的意义：让计算机运算设计更简单，可以只有加法没有减法，让符号位也参与计算
     举例说明：10 - 8 = ? 和 8 - 10 = ？
     a、10 - 8 = 10 + (-8)  的计算
     -------- start -------
     10原码：      0000 1010
     -8原码：      1000 1000
     -------------------
     10反码：      0000 1010
     -8反码：      1111 0111
     -------------------
     10补码：      0000 1010
     -8补码：      1111 1000
     补码计算结果: 10000 0010   (注意：一个字节八位，最高位符号位相加往前进1，变成最高位符号位为0，表示为正数)
     二进制 0000 0010最高位为0表示是正数，正数的补码、反码、原码一样，所以补码二进制 -> 转成十进制为：2
     -------- end ------
     
     
     
     b、8 - 10 = 8 + （-10）的计算
     --------  start -------
     8原码：         0000 1000
     -10原码：       1000 1010
     --------------------
     8反码：         0000 1000
     -10反码：       1111 0101
     --------------------
     8补码：         0000 1000
     -10补码：       1111 0110
     补码计算结果:    1111 1110   (一个字节八位，最高位为1，表示是负数)
     1111 1110 一个字节八位最高位为1表示是负数，所以此补码二进制转成十进制，需要补码减一变成反码，反码再转成原码，原码转十进制
     补码 1111 1110 
     -->  反码（补码减1）：1111 1101  
     --> 原码（符号位外，其他取反）：1000 0010  
     --> 十进制：-2
     --------   end -------
     
     */

三、举例证明整数在计算机中是以补码的方式存储（以负数为例）

/*
     4个字节的int类型的负数测试：-10
     1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1010 原码
     1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0101 反码
     1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0110 补码
     */
    int num1 = 0b10000000000000000000000000001010;
    int num1_2 = 0b11111111111111111111111111110110;
    
    printf("int数据类型占用字节个数：%lu
", sizeof(int));
    printf("num1: %d, %o, %x
", num1, num1, num1);
    printf("num1_2: %d, %o, %x
", num1_2, num1_2, num1_2);
    //打印结果：证明了负数在计算机中是以补码的形式存储，不是以原码的方式存储
    /*
     int数据类型占用字节个数：4
     num1: -2147483638, 20000000012, 8000000a
     num1_2: -10, 37777777766, fffffff6
     */
    　　//num1是把-10的原码存进去，num1_2是把-10的补码存进去，打印结果显示补码转十进制才是-10，而原码转十进制是其他数字了
    
    /**
     4个字节的int类型的负数测试：-1
     1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001
     1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110 反
     1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 补
     */
    int num2 = 0b10000000000000000000000000000001;
    int num2_1 = 0b11111111111111111111111111111111;
    printf("num2: %d, %o, %x
", num2, num2, num2);
    printf("num2_1: %d, %o, %x
", num2_1, num2_1, num2_1);
    //打印结果
    /*
     num2: -2147483647, 20000000001, 80000001
     num2_1: -1, 37777777777, ffffffff
     */
    
    
    /**
     short数据类型负数测试：-1  （2个字节）
     1000 0000 0000 0001 原码
     1111 1111 1111 1110 反码
     1111 1111 1111 1111 补码
     */
    short num3 = 0b1000000000000001;
    short num3_2 = 0b1111111111111111;
    printf("short数据类型占用字节个数：%ld
", sizeof(short));
    printf("num3: %d, %o, %x
", num3, num3, num3);
    printf("num3_2: %d, %o, %x
", num3_2, num3_2, num3_2);
    //打印结果
    /*
     short数据类型占用字节个数：2
     num3: -32767, 37777700001, ffff8001
     num3_2: -1, 37777777777, ffffffff
     */

  

四、整数的位操作：按位且&、或|、异或^、取反~

/**
     101 1000  --> 88
     110 0100  --> 100
     
     1、 88&100 按位且：一假都假;
     有个小规律：任何位&1位都是该位， 比如位0&1为0位，位1&1位为1位
     101 1000
    &110 0100
     --------
     100 0000 --> 88 & 100 = 64
     另外：88&100 == 88&100&88 == 88&100&100 == 88&100&100&88
     
     2、 88|100 按位或：一真都真
     101 1000
    |110 0100
     --------
     111 1100 --> 88 | 100 = 64 + 32 + 16 + 8 + 4 = 124
     另外：88|100 == 88|100|88 == 100|88|100 == 88|100|88|100
     
     3、88^100 按位异或 ： 相同为0，不同为1;
     规律总结：任何数num异或另外一个数num2两次，都等于该数num
     101 1000
    ^110 0100
     --------
     011 1100 --> 88^100 = 32 + 16 + 8 + 4 = 60
     即：88^100^100 == 88, 88^100^88 == 100
     */
    
    printf("0&1 = %d, 1&1 = %d 
", 0&1, 1&1);
    printf("88 & 100 = %d, 88 | 100 = %d, 88 ^ 100 = %d
", 88 & 100, 88 | 100, 88 ^ 100);
    printf("88&100&88: %d, 100&88&100: %d, 88&100&100&88: %d, 88|100|88: %d, 100|88|100: %d, 88|100|100|88: %d 
",
           88&100&88, 100&88&100, 88&100&100&88, 88|100|88, 100|88|100, 88|100|100|88);
    printf("88^100^88: %d, 100^88^100: %d, -88^100^-88: %d
", 88^100^88, 100^88^100, -88^100^-88);
    /* 打印结果：
     0&1 = 0, 1&1 = 1
     88 & 100 = 64, 88 | 100 = 124, 88 ^ 100 = 60
     88&100&88: 64, 100&88&100: 64, 88&100&100&88: 64, 88|100|88: 124, 100|88|100: 124, 88|100|100|88: 124
     88^100^88: 100, 100^88^100: 88, -88^100^-88: 100
     */

用short类型来（占用2个字节）演示负数参与按位操作：取反、且、或、异或

/* 先分析，再验证, 以short类型2个字节为例演示
     一、88取反 --> ~88 = -89
     0000 0000 0101 1000
     1111 1111 1010 0111 取反，为负数, 说明这个是该负数的补码
     1111 1111 1010 0110 该负数反码：补码减一得反码
     1000 0000 0101 1001 该负数原码 ： 64 + 16 + 8 + 1 = -89
     演示步骤：88原码 --> 取反得负数补码 --> 补码转反码 --> 反码转该负数原码
     
     
     二、-88取反 --> ~-88 = 87
     1000 0000 0101 1000 -88原码
     1111 1111 1010 0111 -88反码
     1111 1111 1010 1000 -88补码
     0000 0000 0101 0111 -88补码取反
     即-88取反的结果为：64+16+4+2+1=87
     这个步骤为：-88原码 --> -88反码 --> -88补码 --> 取反
     
     
     三、-88&100 负数参与按位且，分析步骤
     1111 1111 1010 1000 -88补码
    &0000 0000 0110 0100 100补码
     -------------------
     0000 0000 0010 0000 转成十进制结果为：32， 即-88&100 = 32
     
     
     四、-88&-100 两个负数参与按位且，分析步骤
     1000 0000 0101 1000 -88原码
     1111 1111 1010 0111 -88反码
     1111 1111 1010 1000 -88补码
     1000 0000 0110 0100 -100原码
     1111 1111 1001 1011 -100反码
     1111 1111 1001 1100 -100补码
     ---------------------------
     1111 1111 1010 1000 -88补码
     &1111 1111 1001 1100 -100补码
     -------------------
     1111 1111 1000 1000 结果为负数，这是补码，转成原码
     1111 1111 1000 0111 反码
     1000 0000 0111 1000 原码，转成十进制为：-(64+32+16+8)=-120
     
     
     五、-88|-100 两个负数的按位或，分析步骤
     1111 1111 1010 1000 -88补码
    |1111 1111 1001 1100 -100补码
     --------------------
     1111 1111 1011 1100 结果为负数，这是补码，转成原码为
     1111 1111 1011 1011 反码
     1000 0000 0100 0100 原码，转成十进制为：-(64+4)=-68
     
     
     六、88^-100 有负数的按位异或，分析步骤
     0000 0000 0101 1000 88原码，也是88补码
    ^1111 1111 1001 1100 -100补码
     -------------------
     1111 1111 1100 0100 结果为负数，这是补码，转成原码为：
     1111 1111 1100 0011 反码
     1000 0000 0011 1100 原码，转成十进制为：-(32+16+8+4)=-60
     
     七、-88^-100 两个负数的异或，分析步骤
     1111 1111 1010 1000 -88补码
    ^1111 1111 1001 1100 -100补码
     --------------------
     0000 0000 0011 0100 结果为正数，转成十进制为：32+16+4=52
     */
    short number1 = 0b1111111110100111; //-89的补码
    short number2 = 0b1111111110101000; //-88的补码
    short number3 = 0b1111111110001000; //-120的补码
    printf("number1: %d, number2: %d, number3: %d
", number1, number2, number3);
    printf("~88：%d, ~-88: %d 
", ~88, ~-88);
    printf("-88&100: %d, -88&-100: %d 
", -88&100, -88&-100);
    printf("-88|-100: %d, 88^-100: %d, -88^-100: %d 
", -88|-100, 88^-100, -88^-100);
    /** 打印结果
     number1: -89, number2: -88, number3: -120
     ~88：-89, ~-88: 87
     -88&100: 32, -88&-100: -120
     -88|-100: -68, 88^-100: -60, -88^-100: 52
     */

  

五、整数的位移操作：左位移，右位移 （正数、负数）

/**
     以2个字节的short类型为测试数据
     左位移：二进制往左移动一位，最高位左边砍掉，最低位右边补0
     右位移：二进制往右移动，最低位右边砍掉，最高位左边补一个符号位(即正数补0，负数补1)
     正数左位移规律：某个数num左位移n位，等于数num * 2的n次幂，比如9<<1=9*2的一次幂；9<<2=9*2的二次方幂
     正数右位移规律：某数num右位移n位，等于数num/2的n次幂，比如9>>1=9/2的一次幂=4； 9>>2=9/2的2次方幂=9/4=2
     
     
     一、正数的位移：
     9<<1, 9<<2, 9>>1, 9>>2
     
     0000 0000 0000 1001  // 9
     000 0000 0000 1001 0  // 9<<1(9左位移1位，最高位砍掉，最低位补0，即最左边的一位砍掉，最右边补一位0)
     最终为: 0 000 0000 000 1001 0 转成十进制为：16+2=18
     
     00 0000 0000 1001 00 //9<<2 转成十进制：32 + 4= 36
     
     0000 0000 0000 1001   //9
     0 0000 0000 0000 100  // 9>>1 转成十进制：4
     00 0000 0000 0000 10  // 9>>2 转成十进制：2
     
     
     二、负数的位移
     -9<<1, -9<<2, -9>>1, -9>>2
     1000 0000 0000 1001    //-9的原码
     1111 1111 1111 0110    //-9的反码
     1111 1111 1111 0111   //-9的补码
     
     //接下来补码操作进行左位移，右位移
     111 1111 1111 0111 0   //-9<<1， 最新值的补码， 即-9补码往左移动一位，最高位砍掉，最低位补0
     111 1111 1111 0110 1   //最新值的反码
     100 0000 0000 1001 0   //最新值的原码，转成十进制为：-(16+2)=-18, 即-9<<1 = -18
     
     11 1111 1111 0111 00   //-9<<2, 最新值的补码。即-9补码往左移动两位，左边砍掉2位，右边补两个0
     11 1111 1111 0110 11   //最新值的反码
     10 0000 0000 1001 00   //最新值原码，转十进制：-(32+4)=-36
     
     1 1111 1111 1111 011  //-9>>1, 最新值的补码。即-9补码往右移动一位，最高位补符号位1，最低位砍掉
     1 1111 1111 1111 010  //最新值的反码
     1 0000 0000 0000 101  //最新值原码，转十进制：-(4+1)=-5
     
     11 1111 1111 1111 01  //-9>>2, 最新值的补码. 即-9补码往右移动两位，左边补符号两位1，右边砍掉两位
     11 1111 1111 1111 00  //最新值反码
     10 0000 0000 0000 11  //最新值原码，转十进制：-(2+1)=-3
     */
    
    printf("9<<1: %d, 9<<2: %d, 9>>1: %d, 9>>2: %d
", 9<<1, 9<<2, 9>>1, 9>>2);
    printf("-9<<1: %d, -9<<2: %d, -9>>1: %d, -9>>2: %d
", -9<<1, -9<<2, -9>>1, -9>>2);
    /** 打印结果：
     9<<1: 18, 9<<2: 36, 9>>1: 4, 9>>2: 2
     -9<<1: -18, -9<<2: -36, -9>>1: -5, -9>>2: -3
     */

  

六、整数的按位且&、异或^、位移的举例应用

/*
     题目1、输入一个整数num, 打印该整数num的二进制
     该题运用到位移、按位且&
     */
    int num =9;
    for (int i =31; i>=0; i--) {
        if ((i+1)%4==0){
            printf(" ");
        }
        
        printf("%d", (num>>i)&1);
    }
    printf("
");
    //打印结果为： 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1001

/**
其他几个测试记录：
     101 1000  --> 88
     110 0100  --> 100
     
     1、 88&100 按位且：一假都假;
     有个小规律：任何位&1位都是该位， 比如位0&1为0位，位1&1位为1位
     101 1000
     &110 0100
     --------
     100 0000 --> 88 & 100 = 64
     另外：88&100 == 88&100&88 == 88&100&100 == 88&100&100&88
     
     2、 88|100 按位或：一真都真
     101 1000
     |110 0100
     --------
     111 1100 --> 88 | 100 = 64 + 32 + 16 + 8 + 4 = 124
     另外：88|100 == 88|100|88 == 100|88|100 == 88|100|88|100
     即几个变量按位或后，得到的结果再和这几个变量按位或，其新结果不变
     
     3、88^100 按位异或 ： 相同为0，不同为1;
     规律总结：任何数num异或另外一个数num2两次，都等于该数num
     101 1000
     ^110 0100
     --------
     011 1100 --> 88^100 = 32 + 16 + 8 + 4 = 60
     即：88^100^100 == 88, 88^100^88 == 100

*/
    
    
    /**
     题目2：输入一个数字，判断该数字的奇偶性
     可以多种方式实现，这里我们使用按位&来实现，
     任何位&1都为该位，即0&1=0， 1&1=1
     分析：整数二进制最后一位为1的是奇数，为0的是偶数
     0001 1
     0010 2
     0011 3
     0100 4
     0101 5
     */
    printf("奇数：%d, %d, %d, %d, %d
", 1&1, 3&1, 5&1, 7&1, 9&1);
    printf("偶数：%d, %d, %d, %d, %d
", 0&1, 2&1, 4&1, 6&1, 8&1);
    /** 打印结果
     奇数：1, 1, 1, 1, 1
     偶数：0, 0, 0, 0, 0
     */
    
    
    /**
     题目3：两个整数a和b, 交换两个整数的值
     可以使用按位异或来处理：任何数num异或另外一个数num2两次都为该数num
     */
    int a = 10, b = 8;
    //第一种方式，增加一个中间变量来交换
    int c = a; a=b; b=c;
    printf("第一种方式：a=%d, b=%d 
", a, b);
    
    //第二种方式
    printf("第二种方式交换a: %d, b: %d的值:
", a, b);
    a = a+b;
    b = a - b;
    a = a - b;
    printf("交换后：a=%d, b=%d 
", a, b);
    
    //第三种方式，使用^
    printf("第三种方式交换a: %d, b: %d的值 
", a, b);
    a = a^b;
    b = a^b; //相当于b = a^b^b = a
    a = a^b; //相当于a = a^a^b = b
    printf("交换后： a = %d, b = %d
", a, b);
    
    /** 打印结果：
     第一种方式：a=8, b=10
     第二种方式交换a: 8, b: 10的值:
     交换后：a=10, b=8
     第三种方式交换a: 10, b: 8的值
     交换后： a = 8, b = 10
     */
    
    
    
    /** 题目4：整数的简单加密，使用异或^ */
    int pwd = 888888, key = 518518;
    int encodePwd = pwd^key;
    int decodePwd = encodePwd^key;
    printf("原密码：%d， 加密后：%d, 解密后：%d
", pwd, encodePwd, decodePwd);
    /** 打印结果：
     原密码：888888， 加密后：686414, 解密后：888888
     */