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用 C 语言实现求补码的运算

缘起

前两天程序中需要求一堆参数的补码，一时犯懒，想从CSDN上搜一个勉强能用的代码借鉴一下，结果几乎没有搜到一个靠谱的！这种求补码的操作，用脚趾头想想也应该知道要用C或者C++的位运算来实现呀。结果搜到的一些实现方式竟然是把数值的二进制形式下的位，一位一位地进行操作！这简直离谱到家了，虽然这样做也能从功能上实现求补码的运算，但是性能肯定奇差呀。我们之所以用 C 或者 C++，通常都是对性能有一定的追求，如果你丝毫不在意性能，那你干嘛不去用 C# 或者 Java？

所以还是自己写了几个求补码的函数，分享在这里。本来觉得这是简单得不值一提的东西，但是看来并非人人都能把这件事情做对了。

之所以用 C 实现，而不是用 C++，是因为：(1) C 的函数可以在 C++ 中被无缝调用，反之则不行；(2) 用 C 实现，可以照顾到某些只能用 C 不能用 C++ 的嵌入式环境；(3) 这个实现过程实在是没有必要用到 C++ 的那些面向对象的特性，直接用 C 的过程式编程就足够了。我看到 CSDN 上有一个人实现求补码的过程，居然用到了 C++ 的 vector 容器，而且还对这个容器进行了动态地 insert 的操作，有这个必要吗？？

从实际需求出发，我依次实现了对 8 位带符号整数、16 位带符号整数和 32 位带符号整数求补码的函数，以及它们的逆运算的函数。通常我们求补码的时候也不会希望求一个任意二进制字节流的补码，都是对实际的 8 位带符号整数、16 位带符号整数和 32 位带符号整数求补码进行求补码运算的。

原码、反码和补码的基础知识我就不在这里啰嗦了，CSDN 网站上介绍这些知识的文章多得是！我就直接上代码了。

程序实现

统一数据类型

对于 8 位整数、16 位整数和 32 位整数，为了照顾到不同的编译环境，我定义了一堆统一的数据类型，包括：

  1. 8位带符号和无符号整型：int8_t 与 uint8_t；
  2. 16位带符号和无符号整型：int16_t 与 uint16_t；
  3. 32位带符号和无符号整型：int32_t 与 uint32_t；

这些定义我放在了 datatypes.h 这个头文件里，通常我的 C / C++ 程序都会引用这个头文件：

#ifndef _INC_COMMON_datatypes_H
#define _INC_COMMON_datatypes_H

#if _MSC_VER && _MSC_VER < 1700
typedef __int8              int8_t;
typedef __int16             int16_t;
typedef __int32             int32_t;
typedef __int64             int64_t;
typedef unsigned __int8     uint8_t;
typedef unsigned __int16    uint16_t;
typedef unsigned __int32    uint32_t;
typedef unsigned __int64    uint64_t;
#else
#include <stdint.h>
#endif

typedef float           float32_t;
typedef double          float64_t;
typedef unsigned char	byte;
typedef char            sbyte;


#ifdef _WIN64
#define ssize_t __int64
#else
#define ssize_t long
#endif

#endif // !_INC_COMMON_datatypes_H

求补码的函数

头文件里面的函数原型定义：

#include "datatypes.h"

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

    // 求 srcvalue 的8位补码, srcvalue 的取值范围是: [-128(-0x80), +127(+0x7F)]
    uint8_t I8_to_Complement(int8_t srcvalue);

    // 求 srcvalue 的16位补码, srcvalue 的取值范围是 : [-32768(-0x8000), +32767(+0x7FFF)]
    uint16_t I16_to_Complement(int16_t srcvalue);

    // 求 srcvalue 的32位补码, srcvalue 的取值范围是 : [-2147483648(-0x80000000), +2147483647(+0x7FFFFFFF)]
    uint32_t I32_to_Complement(int32_t srcvalue);

#ifdef __cplusplus
} // ! extern "C"
#endif

函数实现：

// 求 srcvalue 的8位补码, srcvalue 的取值范围是: [-128(-0x80), +127(+0x7F)]
uint8_t I8_to_Complement(int8_t srcvalue)
{
    uint8_t compcode;

    if (srcvalue >= 0)
    {
        compcode = (uint8_t)srcvalue;
        goto EXIT;
    }

    uint8_t tail = (uint8_t)(0 - srcvalue);
    tail = ~tail;
    compcode = tail + 1;

EXIT:
    return compcode;
}

// 求 srcvalue 的16位补码, srcvalue 的取值范围是 : [-32768(-0x8000), +32767(+0x7FFF)]
uint16_t I16_to_Complement(int16_t srcvalue)
{
    uint16_t compcode;

    if (srcvalue >= 0)
    {
        compcode = (uint16_t)srcvalue;
        goto EXIT;
    }

    uint16_t tail = (uint16_t)(0 - srcvalue);
    tail = ~tail;
    compcode = tail + 1;

EXIT:
    return compcode;
}

// 求 srcvalue 的32位补码, srcvalue 的取值范围是 : [-2147483648(-0x80000000), +2147483647(+0x7FFFFFFF)]
uint32_t I32_to_Complement(int32_t srcvalue)
{
    uint32_t compcode;

    if (srcvalue >= 0)
    {
        compcode = (uint32_t)srcvalue;
        goto EXIT;
    }

    uint32_t tail = (uint32_t)(0 - srcvalue);
    tail = ~tail;
    compcode = tail + 1;

EXIT:
    return compcode;
}

根据补码求原值（即：求补码运算的逆运算）

头文件里面的函数原型定义：

#include "datatypes.h"

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

    // 求8位补码 compcode 的原值
    int8_t Complement_to_I8(uint8_t compcode);

    // 求16位补码 compcode 的原值
    int16_t Complement_to_I16(uint16_t compcode);

    // 求32位补码 compcode 的原值
    int32_t Complement_to_I32(uint32_t compcode);

#ifdef __cplusplus
} // ! extern "C"
#endif

函数实现：

// 求8位补码 compcode 的原值
int8_t Complement_to_I8(uint8_t compcode)
{
    int8_t srcvalue;

    uint8_t head = compcode & 0x80;
    if (head == 0)
    {
        srcvalue = (int8_t)compcode;
        goto EXIT;
    }

    uint8_t tail = compcode - 1;
    tail = ~tail;
    srcvalue = 0 - (int8_t)tail;

EXIT:
    return srcvalue;
}

// 求16位补码 compcode 的原值
int16_t Complement_to_I16(uint16_t compcode)
{
    int16_t srcvalue;

    uint16_t head = compcode & 0x8000;
    if (head == 0)
    {
        srcvalue = (int16_t)compcode;
        goto EXIT;
    }

    uint16_t tail = compcode - 1;
    tail = ~tail;
    srcvalue = 0 - (int16_t)tail;

EXIT:
    return srcvalue;
}

// 求32位补码 compcode 的原值
int32_t Complement_to_I32(uint32_t compcode)
{
    int32_t srcvalue;

    uint32_t head = compcode & 0x80000000;
    if (head == 0)
    {
        srcvalue = (int32_t)compcode;
        goto EXIT;
    }

    uint32_t tail = compcode - 1;
    tail = ~tail;
    srcvalue = 0 - (int32_t)tail;

EXIT:
    return srcvalue;
}

程序验证

我找到了一个求原码、反码、补码的在线工具，亲测靠谱，给大家推荐一下网址：https://www.lddgo.net/convert/number-binary-code

我用 CUnit 写了一些单元测试，来验证我上述提供的这些求补码的函数及其逆运算函数的正确性。我就不在这里科普 CUnit 的基本用法了，直接贴相关的单元测试代码。

单元测试程序的头文件

#ifndef _INC_UNITTETST_CUNIT_COMMFUNC_TESTCASES_COMMONFUNC_TS_A001_Common_H
#define _INC_UNITTETST_CUNIT_COMMFUNC_TESTCASES_COMMONFUNC_TS_A001_Common_H

#define TS_A001_Identifier "TS_A001: Bit Operation"

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

    int TS_A001_Setup(void);
    int TS_A001_Cleanup(void);

    // 验证 I8_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为0或正整数时工作正常
    void TC0001_I8_to_Complement_PositiveInteger();

    // 验证 I8_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为负整数时工作正常
    void TC0002_I8_to_Complement_NegativeInteger();

    // 验证 Complement_to_I8 函数对 TC0001 和 TC0002 中的正/负整数求得的补码，都能逆向求得其原始值(正/负整数)
    void TC0003_Complement_to_I8();

    // 验证 I16_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为0或正整数时工作正常
    void TC0004_I16_to_Complement_PositiveInteger();

    // 验证 I16_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为负整数时工作正常
    void TC0005_I16_to_Complement_NegativeInteger();

    // 验证 Complement_to_I16 函数对 TC0004 和 TC0005 中的正/负整数求得的补码，都能逆向求得其原始值(正/负整数)
    void TC0006_Complement_to_I16();

    // 验证 I32_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为0或正整数时工作正常
    void TC0007_I32_to_Complement_PositiveInteger();

    // 验证 I32_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为负整数时工作正常
    void TC0008_I32_to_Complement_NegativeInteger();

    // 验证 Complement_to_I32 函数对 TC0007 和 TC0008 中的正/负整数求得的补码，都能逆向求得其原始值(正/负整数)
    void TC0009_Complement_to_I32();

#ifdef __cplusplus
} // ! extern "C"
#endif

#endif // !_INC_UNITTETST_CUNIT_COMMFUNC_TESTCASES_COMMONFUNC_TS_A001_Common_H

单元测试程序的测试用例实现

#include "CUnit/CUnit.h"
#include "Common/CommonFuncs.h"

#include "TS_A001_Common.h"


// ----------------------------------------------------------------------
// Public functions implementation
// ----------------------------------------------------------------------

int TS_A001_Setup(void)
{
    return CUE_SUCCESS;
}

int TS_A001_Cleanup(void)
{
    return CUE_SUCCESS;
}

// ========================================================
// 参考：在线原码/反码/补码计算器
// https://www.lddgo.net/convert/number-binary-code
// ========================================================


// 验证 I8_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为0或正整数时工作正常
void TC0001_I8_to_Complement_PositiveInteger()
{
#define TC0001_VARS_COUNT 3
    int8_t SrcValues[TC0001_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 127
    };

    uint8_t CompCodes[TC0001_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 0x7F
    };

    for (int idx = 0; idx < TC0001_VARS_COUNT; idx++)
    {
        uint8_t compcode = I8_to_Complement(SrcValues[idx]);
        CU_ASSERT_EQUAL(compcode, CompCodes[idx]);
    }
}


// 验证 I8_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为负整数时工作正常
void TC0002_I8_to_Complement_NegativeInteger()
{
#define TC0002_VARS_COUNT 6
    int8_t SrcValues[TC0002_VARS_COUNT] = {
        -1, -3, -63, -64, -127, -128
    };

    uint8_t CompCodes[TC0002_VARS_COUNT] = {
        0xFF, 0xFD, 0xC1, 0xC0, 0x81, 0x80
    };

    for (int idx = 0; idx < TC0002_VARS_COUNT; idx++)
    {
        uint8_t compcode = I8_to_Complement(SrcValues[idx]);
        CU_ASSERT_EQUAL(compcode, CompCodes[idx]);
    }
}


// 验证 Complement_to_I8 函数对 TC0001 和 TC0002 中的正/负整数求得的补码，都能逆向求得其原始值(正/负整数)
void TC0003_Complement_to_I8()
{
#define TC0003_VARS_COUNT 9
    int8_t SrcValues[TC0003_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 127,
        -1, -3, -63, -64, -127, -128
    };

    uint8_t CompCodes[TC0003_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 0x7F,
        0xFF, 0xFD, 0xC1, 0xC0, 0x81, 0x80
    };

    for (int idx = 0; idx < TC0003_VARS_COUNT; idx++)
    {
        int8_t srcValue = Complement_to_I8(CompCodes[idx]);
        CU_ASSERT_EQUAL(srcValue, SrcValues[idx]);
    }
}


// 验证 I16_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为0或正整数时工作正常
void TC0004_I16_to_Complement_PositiveInteger()
{
#define TC0004_VARS_COUNT 7
    int16_t SrcValues[TC0004_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 127, 128, 255,
        256, 32767
    };

    uint16_t CompCodes[TC0004_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 0x7F, 0x80, 0xFF,
        0x0100, 0x7FFF
    };

    for (int idx = 0; idx < TC0004_VARS_COUNT; idx++)
    {
        uint16_t compcode = I16_to_Complement(SrcValues[idx]);
        CU_ASSERT_EQUAL(compcode, CompCodes[idx]);
    }
}


// 验证 I16_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为负整数时工作正常
void TC0005_I16_to_Complement_NegativeInteger()
{
#define TC0005_VARS_COUNT 12
    int16_t SrcValues[TC0005_VARS_COUNT] = {
        -1, -3, -63, -64, -127, -128, -129, -255, -256,
        -257,
        -32767, -32768
    };

    uint16_t CompCodes[TC0005_VARS_COUNT] = {
        0xFFFF, 0xFFFD, 0xFFC1, 0xFFC0, 0xFF81, 0xFF80, 0xFF7F, 0xFF01, 0xFF00,
        0xFEFF,
        0x8001, 0x8000
    };

    for (int idx = 0; idx < TC0005_VARS_COUNT; idx++)
    {
        uint16_t compcode = I16_to_Complement(SrcValues[idx]);
        CU_ASSERT_EQUAL(compcode, CompCodes[idx]);
    }
}


// 验证 Complement_to_I16 函数对 TC0004 和 TC0005 中的正/负整数求得的补码，都能逆向求得其原始值(正/负整数)
void TC0006_Complement_to_I16()
{
#define TC0006_VARS_COUNT 19
    int16_t SrcValues[TC0006_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 127, 128, 255,
        256, 32767,
        -1, -3, -63, -64, -127, -128, -129, -255, -256,
        -257,
        -32767, -32768
    };

    uint16_t CompCodes[TC0006_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 0x7F, 0x80, 0xFF,
        0x0100, 0x7FFF,
        0xFFFF, 0xFFFD, 0xFFC1, 0xFFC0, 0xFF81, 0xFF80, 0xFF7F, 0xFF01, 0xFF00,
        0xFEFF,
        0x8001, 0x8000
    };

    for (int idx = 0; idx < TC0006_VARS_COUNT; idx++)
    {
        int16_t srcValue = Complement_to_I16(CompCodes[idx]);
        CU_ASSERT_EQUAL(srcValue, SrcValues[idx]);
    }
}


// 验证 I32_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为0或正整数时工作正常
void TC0007_I32_to_Complement_PositiveInteger()
{
#define TC0007_VARS_COUNT 3
    int32_t SrcValues[TC0007_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 0x7FFFFFFF
    };

    uint32_t CompCodes[TC0007_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 0x7FFFFFFF
    };

    for (int idx = 0; idx < TC0007_VARS_COUNT; idx++)
    {
        uint32_t compcode = I32_to_Complement(SrcValues[idx]);
        CU_ASSERT_EQUAL(compcode, CompCodes[idx]);
    }
}


// 验证 I32_to_Complement 函数对输入参数`srcvalue`为负整数时工作正常
#if defined(_WIN32) && defined(_MSC_VER)
#pragma warning(disable: 4146)
#endif
void TC0008_I32_to_Complement_NegativeInteger()
{
#define TC0008_VARS_COUNT 4
    
    // 2147483647(DEC): 0x7FFFFFFF
    // 2147483648(DEC): 0x80000000
    int32_t SrcValues[TC0008_VARS_COUNT] = {
        -1, -2, -2147483647, -2147483648
    };

    uint32_t CompCodes[TC0008_VARS_COUNT] = {
        0xFFFFFFFF, 0xFFFFFFFE, 0x80000001, 0x80000000
    };

    for (int idx = 0; idx < TC0008_VARS_COUNT; idx++)
    {
        uint32_t compcode = I32_to_Complement(SrcValues[idx]);
        CU_ASSERT_EQUAL(compcode, CompCodes[idx]);
    }
}


// 验证 Complement_to_I32 函数对 TC0007 和 TC0008 中的正/负整数求得的补码，都能逆向求得其原始值(正/负整数)
#if defined(_WIN32) && defined(_MSC_VER)
#pragma warning(disable: 4146)
#endif
void TC0009_Complement_to_I32()
{
#define TC0009_VARS_COUNT 7
    int32_t SrcValues[TC0009_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 0x7FFFFFFF,
        -1, -2, -2147483647, -2147483648
    };

    uint32_t CompCodes[TC0009_VARS_COUNT] = {
        0, 1, 0x7FFFFFFF,
        0xFFFFFFFF, 0xFFFFFFFE, 0x80000001, 0x80000000
    };

    for (int idx = 0; idx < TC0009_VARS_COUNT; idx++)
    {
        int32_t srcValue = Complement_to_I32(CompCodes[idx]);
        CU_ASSERT_EQUAL(srcValue, SrcValues[idx]);
    }
}

单元测试的运行结果

通过单元测试，验证了程序的正确性。截图如下：
用 C 语言实现求补码的运算-LMLPHP
用 C 语言实现求补码的运算-LMLPHP

06-15 06:59
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