CSAPP Lab01——Data Lab完成思路

陪你把想念的酸拥抱成温暖

陪你把彷徨写出情节来

未来多漫长再漫长还有期待

陪伴你一直到故事给说完

——陪你度过漫长岁月

完整代码见：CSAPP/datalab-handout at main · SnowLegend-star/CSAPP (github.com)

01 bitXor

这道题是用~和&计算x^y。

异或是两个二进制数a，b对应的位相同为0，不同为1。既然是ai 和bi 不同才为，且只能用~和&两种位运算符号。考虑对a取反，再和b进行&操作。这样当ai =0，bi =1时可以得到1；但是还得考虑当ai =1，bi =0时也应该得到1，此时考虑的对b取反，再和a进行&操作。综合以上两点，我们可以初步得到式子为“(~a&b)|(a&~b)”,换算后得到“~(~(x & ~y) & ~(~x & y))”。

//1
/* 
 * bitXor - x^y using only ~ and & 
 *   Example: bitXor(4, 5) = 1
 *   Legal ops: ~ &
 *   Max ops: 14
 *   Rating: 1
 */
int bitXor(int x, int y) {
  return ~(~(x & ~y) & ~(~x & y));
}

02 tmin

返回最小二进制补整数

Tmin不就是0x8000 0000吗？注意这里可以用到的整数在0~0xAA之间，所以是“1<<31”。

/* 
 * tmin - return minimum two's complement integer 
 *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
 *   Max ops: 4
 *   Rating: 1
 */
int tmin(void) {
  //正数的补码是它本身，负数的补码是取反加一
  return 1<<31;

}

03 isTmax

如果x是二进制补码的最大值，则返回1，否则返回0

Tmax=0x7FFF FFFF，从Tmax的特殊性来考虑。如果x=Tmax，则x+1+x可以得到0xFFFF FFFF=Tmin。对于Tmin进行取反，则可以得到0。再对0取！,则可以令函数返回1。除此之外，还要考虑如果x本身就为Tmin，则它也会满足上述运算。所以得用^操作排除这种情况。

/*
 * isTmax - returns 1 if x is the maximum, two's complement number,
 *     and 0 otherwise 
 *   Legal ops: ! ~ & ^ | +
 *   Max ops: 10
 *   Rating: 1
 */
int isTmax(int x) {
  //二进制补码的最大值是：最高位0，其它位1
  int temp=x+1;
  int temp2=x+temp;
  //还得考虑x本身就是0xffffffff的情况,即x！=temp2
  return !(~temp2)&!!(x^temp2);

}

04 allOddBits

如果word中所有的奇数位为1，则返回1，否则返回0（位从0～31位）

这题十分恶心，是第一个卡住我的。开始想得太简单了，以为满足条件的数字只有0xAAAA AAAA这一个。后来发现0xFFAA AAAA这种也可以，这就让我犯了难——对于0xFF这种形式要怎么判断呢？想了很久都没有头绪。跳过这题后面再写的时候灵光一闪，想到只要判断奇数位是1就行，根本就不用考虑偶数位。要做到这一步其实就是把x和0xAAAA AAAA进行&操作，可以提取出x奇数为上所有的1得到数字x2。我们会发现，只要x满足条件，那进行上一步操作后的形式都是统一的0xAAAA AAAA。所以最后判断x2是不是与0xAAAA AAAA一致就行。

/* 
 * allOddBits - return 1 if all odd-numbered bits in word set to 1
 *   where bits are numbered from 0 (least significant) to 31 (most significant)
 *   Examples allOddBits(0xFFFFFFFD) = 0, allOddBits(0xAAAAAAAA) = 1
 *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
 *   Max ops: 12
 *   Rating: 2
 */
int allOddBits(int x) {//没搞出来
  //计算机的右移位运算默认是逻辑还是算数呢？dev c++是逻辑
  //直接不用考虑偶数位的情况，只考虑奇数位全为1的时候
  //怎么在dev c上跑x=0x80000000的时候返回0，这时候就返回1了？？？？？
  int a=0xAA<<8;
  int b=a+0xAA;     //b=0xAAAA
  int c=(b<<16)+b;  //这里b<<16得加括号，因为+的优先级大于<<
  int d=!((c&x)^c); 
  return d;//强行令偶数位全为0再进行比较
}

05 negate

返回-x

简单的取反加一操作。最开始还在考虑Tmin的特殊性，验算后发现Tmin也符合这个规律。秒了，芜湖

/* 
 * negate - return -x 
 *   Example: negate(1) = -1.
 *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
 *   Max ops: 5
 *   Rating: 2
 */
int negate(int x) {
  return ~x+1;
}

06 isAsciiDigit

如果0x30 <= x <= 0x39，返回1，否则返回0

开始我的思路是挨个判断x的每一位。即x的第5、6位只能为1，再高位只能为0；对于低四位，第4位为1的时候只有第1位可以同时为1，如果第4位为0则后三位无论是什么值都可以。但是挨个判断每一位需要的符号好像会超过限制。

后来看了别的解法，第一次发现了符号位的大用。基本上这次的lab都没提供“-”这个操作，但是可以利用“+(~x+1)”来实现减法。如果给出x，只要用两个边界值0x30和0x39对x进行减法操作就行。最后通过符号位来判断x与0x30和0x39的大小。这种思路在后面的题目也会用到。

/* 
 * isAsciiDigit - return 1 if 0x30 <= x <= 0x39 (ASCII codes for characters '0' to '9')
 *   Example: isAsciiDigit(0x35) = 1.
 *            isAsciiDigit(0x3a) = 0.
 *            isAsciiDigit(0x05) = 0.
 *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
 *   Max ops: 15
 *   Rating: 3
 */
int isAsciiDigit(int x) {
  //判断第四五位都是1、且高位都是0,1-3位值得小于等于9
  //x做完移位运算后自身值不发生改变的
  int a=x+~(0x30)+1;
  int b=0x39+~x+1;
  int c=a>>31;
  int d=b>>31;
  return !c&!d;
}

07 conditional

用位级运算表示三目运算符 x?y:z

我们要注意到一点，这种返回值在几个数中选一个的势必得用到“|”操作，比如T01要是能用上“|”就会简单许多。由于只要x不为0就返回y，为0才返回z。要返回y，就是考虑当x不为0时让y和0xFFFF FFFF进行&操作。一个全新的操作在我脑中应运而生，那就是“!!x”。只要x不为0，那!!x就会得到1；x为0，那!!x会得到0。而对0或者1进行取反加一就可以得到0或者0xFFFF FFFF。这样我们就得到了想要的全1二进制数。此题结束。

/* 
 * conditional - same as x ? y : z 
 *   Example: conditional(2,4,5) = 4
 *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
 *   Max ops: 16
 *   Rating: 3
 */
int conditional(int x, int y, int z) {
  
  return y&(~(!!x)+1)|(z&~(~(!!x)+1));
}

08 isLessOrEqual

如果x<=y，则返回1，否则返回0

这题算是T06的弱化版。T06还得进行两次比大小，这题只用比一次就行了。也是用减法然后进行符号位的判断就可以解决。

/* 
 * isLessOrEqual - if x <= y  then return 1, else return 0 
 *   Example: isLessOrEqual(4,5) = 1.
 *   Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
 *   Max ops: 24
 *   Rating: 3
 */
int isLessOrEqual(int x, int y) {
  int a=y+(~x+1);
  int b=x>>31&1;
  int c=y>>31&1;
  return (b&!c)|(!(a>>31)&!(b^c));//得控制后半部分只有同号的时候才能计算 
}

09 logicalNeg

用其余的操作符实现 ！

这题算是第二题卡了我很久的。想了一个多小时也没头绪——要如何才能做到当x不为0时返回0？假如从x的每一位着手，只要发现有一位不为0就可以判断x不为0，但是这样就要用到for循环了。遂跳过这题。

后来第二天再看的时候灵光一闪。既然对x的每位进行判断有困难，那还是老样子直接考虑数字这个整体。由于题目提供的运算符也不多，所以x的正负性成了可以拿来解题的性质。注意到一点，只要x不为0，那x的相反数符号位就和x的符号位是不同的。从正负性和符号位着手这题就很容易解决了。

/* 
 * logicalNeg - implement the ! operator, using all of 
 *              the legal operators except !
 *   Examples: logicalNeg(3) = 0, logicalNeg(0) = 1
 *   Legal ops: ~ & ^ | + << >>
 *   Max ops: 12
 *   Rating: 4 
 */
int logicalNeg(int x) {//不会 
  //果然过一天再搞就会有新思路，利用相反数符号的性质

  int x2=~x+1;
  int sign=(x>>31)^(x2>>31);
  int min=x>>31;
  return (~sign)&1&~((x2^x)^min);
}

10 howManyBits

使用补码时最少需要多少比特位

这题的运算符限制是90，给人一种代码结构肯定十分庞大的感觉，倒是让我一下子不知如何下手。首先考虑的是把数字x和、 … 进行比较，但这样用到的运算符数目必然会超过90。于是又想到了用二分法，但是二分法得结合for循环才好实施吧。最后又想到了一种二分法的变体。即x先和比较，若是大于它就对x进行“>>16”的操作，然后再和相比；小于它就直接和进行比较。在不断的比较和移位操作中应该是可以判断出来的。

但是写其他题已经是花费了许多心力，遂开摆。等什么时候状态好了再来拿下这题。

/* howManyBits - return the minimum number of bits required to represent x in
 *             two's complement
 *  Examples: howManyBits(12) = 5
 *            howManyBits(298) = 10
 *            howManyBits(-5) = 4
 *            howManyBits(0)  = 1
 *            howManyBits(-1) = 1
 *            howManyBits(0x80000000) = 32
 *  Legal ops: ! ~ & ^ | + << >>
 *  Max ops: 90
 *  Rating: 4
 */
int howManyBits(int x) { //开摆，不想写了
  int temp=x>>31;       //记录x的正负性
  int a=~x+1;
  int b=(1<<16)+a;
  int c=b>>31;          //用符号位判断2^16和x的大小

  return 0;
}

11 floatScale2

给定一个无符号数f，我们以浮点数的格式来看待这个数f，返回2*f。

首先得明白浮点数大致有三种类型：规格数，非规格数，无穷大或者NaN。然后提取出f的exp和frac部分。若f不是非规格数，对它进行判断再返回。若是规格数就好办了，直接在exp部分加上1就能返回了。

值得一提的是，非规格数如果尾数最高位为1时，右移1位会使阶码最低位从0变为1，而这时候恰好就是正确的结果，并不需要额外的处理。这是因为乘2之后完成了进位，刚好规格数在小数点前有一个1，规格数和非规格数从而无缝衔接。

/* 
 * floatScale2 - Return bit-level equivalent of expression 2*f for
 *   floating point argument f.
 *   Both the argument and result are passed as unsigned int's, but
 *   they are to be interpreted as the bit-level representation of
 *   single-precision floating point values.
 *   When argument is NaN, return argument
 *   Legal ops: Any integer/unsigned operations incl. ||, &&. also if, while
 *   Max ops: 30
 *   Rating: 4
 */
unsigned floatScale2(unsigned uf) {
  //先提取阶码位
  int exp=uf & 0x7f800000;
  int frac=uf & 0x7fffff;
  if(uf==0x7f800000||uf==0xff800000)
    return uf; 
  else if(exp==0x7f800000&&frac!=0)
    return uf;
  else if(exp==0)
    return (uf&0x80000000)+(frac<<1);//记得给位运算加括号
  else
    return uf + 0x800000;
}

12 floatFloat2Int

给定一个无符号数f，我们以浮点数的格式来看待这个数f，将这个浮点数f转换为整形。

上来就考虑两个边界，即浮点数太小就返回0；太大就返回0x80000000u。我们知道，浮点数的计算方法是“”,其中E=e-127。故当e<127的时候，这个数整体就<1了。当e>127+30的时候，E>=31，直接达到了32bit能表达的数据上限。其他情况就是套用此式即可。

/* 
 * floatFloat2Int - Return bit-level equivalent of expression (int) f
 *   for floating point argument f.
 *   Argument is passed as unsigned int, but
 *   it is to be interpreted as the bit-level representation of a
 *   single-precision floating point value.
 *   Anything out of range (including NaN and infinity) should return
 *   0x80000000u.
 *   Legal ops: Any integer/unsigned operations incl. ||, &&. also if, while
 *   Max ops: 30
 *   Rating: 4
 */
int floatFloat2Int(unsigned uf) {
  int exp=(uf & 0x7f800000)>>23;
  int frac=uf & 0x7fffff;
  if(exp>127+30)//无穷大或者是NaN都返回统一的值
    return 0x80000000u;
  else if(exp<127){//非规格化的数,
    return 0;
  }
  if(uf>>31)
  	return -(((frac>>23)+1)<<(exp-0x7F));
  else 
    return ((frac>>23)+1)<<(exp-0x7F); 
}

13 floatPower2

返回2的x次方，返回用无符号数表示的浮点数

当e<-126时，这已经是浮点数能表示的最小值了，所以返回0。当e>127，浮点数表示不出来这种数字，只能返回无穷大了。其他的情况E=x+bias，左移23位即可。

/* 
 * floatPower2 - Return bit-level equivalent of the expression 2.0^x
 *   (2.0 raised to the power x) for any 32-bit integer x.
 *
 *   The unsigned value that is returned should have the identical bit
 *   representation as the single-precision floating-point number 2.0^x.
 *   If the result is too small to be represented as a denorm, return
 *   0. If too large, return +INF.
 * 
 *   Legal ops: Any integer/unsigned operations incl. ||, &&. Also if, while 
 *   Max ops: 30 
 *   Rating: 4
 */
unsigned floatPower2(int x) {
  if(x<-126)
    return 0;
  else if(x>127)
    return (0xFF)<<23;
  return (x+127)<<23;
  return 2;
}