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En una pregunta reciente en el sitio, se muestra un meme sobre ciertas expresiones en un lenguaje de programación y se pregunta cómo funciona una de ellas.

El meme era el siguiente:

introducir la descripción de la imagen aquí

La pregunta era cómo funcionaba i -=- 1. Sin embargo, la que a mi me llamó verdaderamente la atención fue la última: i = ~-i ¿de verdad esto sirve para lo mismo que las anteriores, es decir, para incrementar i en 1?

Si es así ¿cómo funciona?

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  • de donde cogiste el meme?
    – nadie
    Commented el 12 nov. 2021 a las 17:58

1 respuesta 1

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En realidad la expresión está mal. Si la pruebas, por ejemplo en un intérprete Python, verás que no incrementa i, sino que la decrementa:

>>> i = 10
>>> i = ~-i
>>> i
9

Esto de todas formas ya es bastante misterioso ¿cómo es que se decrementa i?

La razón es que un cambio de signo está implementado en la arquitectura mediante lo que se llama "complemento a 2", y el operador ~ realiza un "complemento a 1". Ambas operaciones combinadas resultan en el decremento, según vamos a ver.

Complemento a 2

La lógica detrás del "complemento a 2" es poder hacer restas usando la misma maquinaria que se tiene para hacer sumas. Imagina que tu CPU tiene solo 8 bits (en realidad tienen 32 o 64, pero vamos a mantener el ejemplo manejable), y por tanto los únicos números que puede manejar van de 0 a 255. Imagina también que esta CPU sólo sabe sumar (lo cual es bastante cercano a la realidad).

Ahora imagina que tenemos el número 2 y le queremos restar 1. Ya que la CPU sólo sabe sumar ¿cómo podríamos restar?

El truco es darse cuenta de que al tener solo 8 bits, si un resultado se pasa de 255, de alguna forma se "da la vuelta al marcador" y vuelve a empezar por cero. Así que si en lugar de restarle 1 al 2, le sumamos 255, el resultado sería 257, pero este no cabe en 8 bits. El bit sobrante (el más significativo) se descarta, y los restantes bits quedarían codificando el 1 (257-256).

En binario puede verse:

  2: --> 00000010
255: --> 11111111
------------------
       1 00000001

El bit sobrante (acarreo) no forma parte de la respuesta, que sería 00000001. Por tanto hemos sumado a 2 una cantidad y ha salido 1. Esa cantidad por tanto tiene que ser -1 ¿no? De modo que elegimos que el 255 represente en realidad el -1.

Esto puede hacerse para cualquier positivo N entre 1 y 127. Convertirlo en negativo cambiándolo por (256-N) y es lo que se llama "complemento a 2".

Así pues, el complemento a 2 de un número N es 256-N (en CPUs de 8 bits, en general, con M bits sería 2M-N).Y eso es lo que hace el operador - delante de un entero, obtener su complemento a 2.

De modo que -i calcula el complemento a 2 de i.

Resulta que hay otra forma más sencilla de calcular este complemento a 2 si lo vemos en binario. Vimos que el complemento a 2 del 1 era 255, lo que en binario se ve así:

dato:  00000001
C-2:   11111111

Si comparas ambos ves que el C-2 se ha obtenido cambiando todos los 0 por 1, excepto el último. En realidad hay una regla genaral de cómo calcularlo:

  • Cambiar todos los 0 por 1 y todos los 1 por 0 (esto se llama "complemento a 1", o también "negación lógica", o "NOT")
  • Sumar 1 al resultado

Este método vale para cualquier número, no sólo para el -1. Y para cualquier cantidad de bits.

Explicación de la expresión

Y ya tenemos los ingredientes para saber cómo funciona la expresión:

i = ~-i

Primero, debido al -i se calcula el complemento a 2 de i, lo que consiste en cambiar todos los 1 por 0 y todos los 0 por 1, y finalmente sumar 1 al resultado.

Después, se aplica ~ al resultado. Este operador hace la negación lógica, o "complemento a 1". Es decir, cambia todos los 1 por 0 y 0 por 1 de nuevo (salvo que luego no suma 1 al resultado).

Veamos cómo funciona suponiendo que i vale 10 (que en binario y con 8 bits es 00001010)

Valor inicial  i:   00001010
Compl.2       -i:   11110110
Negación     ~-i:   00001001

Y resulta que lo que sale es 9, uno menos que el valor inicial.

¿Y si quiero incrementar?

Una vez comprendido el mecanismo, vemos que para incrementar basta usar esos mismos operadores pero en orden inverso:

i = -~i

Aquí es más fácil incluso explicar el funcionamiento:

  • Primero se hace la negación lógica ~ que cambia los 1 por ceros y ceros por 1
  • Después se hace el C-2 del resultado, que equivale a:
    • Hacer primero una negación lógica (con lo que vuelve a cambiarse 1 por 0 y 0 por 1 y el dato queda como estaba originalmente)
    • Sumar 1. ¡Por eso al final tenemos el dato incrementado!

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