在 Java 中將正整數轉換為負整數，反之亦然

1. 概述

在 Java 程式設計中，了解如何操作整數是編寫健全且有效率的程式碼的基礎。常見的操作是對整數求負。

在本教程中，我們將探索對整數求反的不同方法。

2.問題介紹

對整數求負涉及將其符號從正變為負，反之亦然。例如，給定一個int 42，對其求反後，我們預期會得到 -42 作為結果。

我們不應該忘記數字 0 既不是正數也不是負數。因此，對 0 求反的結果也應該是 0。

在 Java 中，此操作很簡單，我們將看到三種不同的方法來實作它。此外，我們將討論一個極端情況：整數溢位。

為簡單起見，我們將使用單元測試斷言來驗證每種方法的結果。

3. 使用一元減運算符

對整數求反的最直接方法是使用一元減運算子 ( – )。它只是改變給定整數的符號：

int x = 42;
 assertEquals(-42, -x);

 int z = 0;
 assertEquals(0, -z);

 int n = -42;
 assertEquals(42, -n);

如測試所示，我們透過將“ – ”應用於輸入整數來獲得預期結果。

4. 使用位元補碼運算符

另一種非常規但有效的對整數求反的方法是使用位元補運算子 ( ~ )。此運算子反轉給定整數的位，有效地建立二進位補碼：

int number = 12;
 int negative13 = ~number; // ~00001100 = 11110011 = -13

因此，給定一個整數x ， ~x + 1 是x的負數。

接下來，讓我們寫一個測試來驗證：

int x = 42;
 assertEquals(-42, ~x + 1);

 int z = 0;
 assertEquals(0, ~z + 1);

 int n = -42;
 assertEquals(42, ~n + 1);

正如我們所見， ~x + 1解決了問題。

5. Integer.MIN_VALUE的溢出問題

我們知道Java的整數類型是有符號的32位元類型，範圍從-2147483648到2147483647.如果我們對Integer.MAX_VALUE,結果2147483647仍然在這個範圍內。但是，如果我們否定Integer.MIN_VALUE,我們應該得到2147483648, 它大於Integer.MAX_VALUE 。因此，在這種邊緣情況下，會發生溢出錯誤。

儘管「 -x 」和「 ~x + 1 」方法很簡單，但只有在確保不會發生溢出的情況下，我們才能在應用程式中使用它們。可能適合使用它們的一些示例場景包括：

• 計算足球隊在錦標賽中的淨勝球數
• 計算員工一個月的工作時間

但是，如果我們的程式中可能發生溢出，則不鼓勵使用這些方法。

接下來，讓我們來探討為什麼這兩種方法在使用Integer.MIN_VALUE作為輸入時會導致溢出錯誤。

5.1. -x使用Integer.MIN_VALUE

首先，我們使用「 – 」運算子對Integer.MIN_VALUE求反：

int min = Integer.MIN_VALUE;
 LOG.info("The value of '-min' is: " + -min);

 assertTrue((-min) < 0);

測試通過了，這表示在否定Integer.MIN_VALUE後我們仍然得到負結果。我們可以從輸出中進一步驗證這一點：

The value of '-min' is: -2147483648

因此，當發生溢出時， '-x'方法會傳回錯誤的結果。

5.2. ~x + 1使用Integer.MIN_VALUE

讓我們使用“ ~x + 1′方法運行相同的測試：

int min = Integer.MIN_VALUE;
 int result = ~min + 1;
 LOG.info("The value of '~min + 1' is: " + result);

 assertFalse(result > 0);

我們可以看到，當發生溢出時，這種方法也不會給出預期的結果。讓我們透過檢查控制台中的日誌輸出來進一步驗證這一點：

The value of '~min + 1' is: -2147483648

6. 使用Math.negateExact()方法

對於需要處理Integer.MIN_VALUE的場景， Math.negateExact()方法提供了一種安全且精確的方法來對整數取反。

首先， Math.negateExact()在正常情況下如預期般運作：

int x = 42;
 assertEquals(-42, Math.negateExact(x));

 int z = 0;
 assertEquals(0, Math.negateExact(z));

 int n = -42;
 assertEquals(42, Math.negateExact(n));

接下來，讓我們看看如果輸入是Integer.MIN_VALUE會出現什麼結果：

int min = Integer.MIN_VALUE;
 assertThrowsExactly(ArithmeticException.class, () -> Math.negateExact(min));

如測試所示，如果求反期間發生溢出， Math.negateExact()方法將引發ArithmeticException ，從而允許開發人員在發生錯誤時進行處理。

七、結論

在本文中，我們探討了在 Java 中對整數求反的三種方法。

「 -x 」和「 ~x + 1 」是簡單的解決方案。但是，如果我們的程式可能嘗試對Integer.MIN_VALUE,那麼使用Math.negateExact()是正確的選擇。

與往常一樣，範例的完整原始程式碼可在 GitHub 上取得。