Binários Negativos

O bit que deixa de valer magnitude

Em Números Binários, os oito bits de um byte valiam todos magnitude: 11111111 era 128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 = 255.

Para representar negativos é preciso guardar mais uma informação, o sinal, e não existe nono bit. A saída é sacrificar um dos oito, e o escolhido é sempre o mais significativo, o da esquerda. A convenção segue a do papel:

• bit de sinal desligado quer dizer positivo (assim como escrever 5 sem sinal nenhum);
• bit de sinal ligado quer dizer negativo (assim como escrever -5).

O preço é imediato: sobram sete bits de magnitude, e o alcance cai de 0 a 255 para algo em torno de -128 a 127. Não muda quantos números cabem (são 256 padrões de bits nos dois casos), muda quais.

O que ainda não foi decidido é o mais interessante: o que fazer com os outros sete bits quando o sinal está ligado. Existem três respostas conhecidas, e comparar as três é a melhor forma de entender por que a vencedora venceu.

Tentativa 1: sinal e magnitude

A ideia mais direta que qualquer pessoa teria: escreva o número positivo normalmente e ligue o bit da esquerda para dizer que ele é negativo.

 26  =  00011010
-26  =  10011010     <- só o bit da esquerda mudou

Funciona para ler, é fácil de explicar, e tem dois defeitos graves.

O primeiro é o zero duplo. Se 00000000 é zero, então 10000000 é "zero negativo". São dois padrões de bits para o mesmo número, o que obriga toda comparação de igualdade a tratar um caso especial, e desperdiça um dos 256 padrões disponíveis. Com essa convenção, oito bits escrevem só 255 números distintos.

O segundo é a aritmética. Somar 00011010 (26) com 10011010 (-26) dá 10110100, que não é zero nem por acidente. O processador teria que olhar os bits de sinal, decidir se aquilo é uma soma ou uma subtração, comparar magnitudes para saber o sinal do resultado, e só então operar. Muito circuito para uma conta que deveria ser uma só.

Tentativa 2: complemento de um

A segunda tentativa é mais esperta: para negar, inverta todos os bits. É a operação NOT bit a bit, escrita ~ na maioria das linguagens.

 26  =  00011010
-26  =  11100101     <- todos os bits invertidos

O bit da esquerda continua indicando o sinal (ele inverte junto), e a aritmética melhora bastante. Mas o defeito principal continua: 00000000 invertido é 11111111, então de novo existem dois zeros, e de novo sobram só 255 números distintos.

E a soma ainda não fecha: 00011010 + 11100101 = 11111111, que é o outro zero. Dá para consertar com uma regra extra (somar o vai-um de volta no fim, o chamado end-around carry), e "regra extra" em hardware significa mais circuito e mais atraso.

Complemento de dois: inverter e somar 1

A terceira convenção é a segunda com um passo a mais: inverta todos os bits e some 1.

 26  =  00011010
       ~00011010  =  11100101     1. inverte
       11100101 + 1 = 11100110    2. soma 1
-26  =  11100110

Esse +1 desloca todo o lado negativo uma casa, e com isso os dois zeros se fundem num só. Vale seguir o preset do zero no visualizador acima, porque é ali que a mágica acontece: inverter 00000000 dá 11111111, somar 1 dá 100000000, o nono bit não cabe em oito e é descartado, e o que sobra é 00000000. O oposto de zero é o próprio zero, e existe uma representação só.

A prova de que a convenção está certa é a mesma da matemática: somar um número com o oposto dele tem que dar zero.

  00011010    (26)
+ 11100110    (-26)
-----------
 100000000    -> o nono bit estoura os 8 bits e cai fora
   00000000    -> zero

E aqui está a razão de tudo. Como x + (-x) = 0 vale sempre e sem correção nenhuma, subtrair vira somar: a - b é a + (-b), e o processador usa exatamente o mesmo somador. Não existe circuito de subtração num processador moderno; existe um somador e um inversor.

O truque de leitura: o peso da esquerda é negativo

Converter de volta invertendo e somando 1 funciona e é trabalhoso. Existe uma forma muito melhor de ler um complemento de dois, e ela não é uma regra nova: é a mesma soma de potências de sempre, com um sinal trocado.

No complemento de dois, o bit mais significativo vale -128 em vez de +128. Todo o resto continua idêntico:

11100110  =  -128 + 64 + 32 + 0 + 0 + 4 + 2 + 0  =  -26

Isso dispensa qualquer conversão. Também explica de imediato duas coisas que costumam parecer arbitrárias:

• Por que 11111111 é -1. É -128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1, e a soma dos positivos dá 127. -128 + 127 = -1.
• Por que acender bits à direita, com o sinal ligado, aumenta o número. Partindo de 10000000 (-128), cada bit ligado soma: 10000001 é -127, 10000010 é -126, e assim por diante até 11111111, que é -1.

A faixa assimétrica, e o padrão que não sabe o próprio sinal

Duas consequências desta seção valem mais do que qualquer definição.

A primeira é que a faixa com sinal nunca é simétrica: com 8 bits ela vai de -128 a 127, e não de -128 a 128. São 256 padrões, o zero ocupa um deles, sobram 255 para distribuir, e o lado negativo fica com um a mais porque não precisa gastar padrão com o zero.

Isso tem efeito prático e surpreendente: o oposto do menor negativo não existe. Em Java, -Integer.MIN_VALUE devolve Integer.MIN_VALUE, ainda negativo. Em C, abs(-2147483648) devolve um número negativo. Não é bug da biblioteca: é que o positivo correspondente não cabe no tipo, e a operação dá a volta.

A segunda é que o padrão de bits não sabe o próprio sinal. 11111111 é 255 ou -1 conforme o tipo com que ele é lido, e não existe nada guardado na memória que decida entre os dois. Quem decide é a declaração da variável. Ler um valor com o tipo errado não dá erro, dá outro número, e esse é um dos bugs mais silenciosos que existem ao ler um formato binário ou uma resposta de rede.

Estouro: o erro que não avisa

Some 1 a 01111111 (127). O vai-um sobe até o bit de sinal, e o resultado é 10000000, que vale -128.

O número não ficou grande demais e travou; ele deu a volta. Nenhuma exceção é lançada, nenhum aviso aparece no log, nenhuma flag chega ao seu código por padrão. Para a máquina, 10000000 é apenas o padrão de bits seguinte ao 01111111, e a soma está aritmeticamente correta módulo 256.

É exatamente esse silêncio que torna o estouro de inteiro com sinal um dos erros mais caros do ofício. Três consequências que valem guardar:

• Contadores que só crescem são candidatos. Um int de 32 bits com sinal para em 2.147.483.647, e um contador de eventos numa empresa grande chega lá.
• A conta do meio da busca binária é o caso clássico. (lo + hi) / 2 estoura quando os dois índices são grandes, e o meio vira negativo. É o mesmo bug descrito em Busca Binária, e a correção (lo + (hi - lo) / 2) existe exatamente por isto.
• Linguagens diferentes reagem diferente. Em C, o estouro de inteiro com sinal é comportamento indefinido, o que autoriza o compilador a assumir que ele nunca acontece e otimizar em cima disso. Em Java o resultado dá a volta e é definido. Em Python inteiro não tem tamanho fixo e o problema não existe, mas volta assim que você grava aquele número num formato binário ou numa coluna de banco.

Daqui, Operações Bitwise mostra o que dá para fazer manipulando esses bits diretamente, e Números Binários fica como a base para reler se a notação posicional ainda não estiver automática. Vale também revisitar Big O com esta lente: quando um artigo diz que uma operação é O(1), ele está assumindo que os números cabem numa palavra da máquina, e essa suposição tem exatamente o tamanho descrito na tabela acima.

Vídeo da aula

Direto do canal da comunidade Craft & Code Club · 26:13.

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Problemas para praticar

Na ordem em que recomendamos resolver. Marque os que você já fez, fica salvo aqui.

Referências

Artigos e materiais externos para se aprofundar.

Este tópico também tem página própria, fora deste roadmap: Binários Negativos.