问题

既然1byte = 8bit,那为什么不用256进制而常用16进制?

回答
这个问题问得很有意思,确实,既然一个字节(byte)能表示 256 种不同的状态(从 00000000 到 11111111,也就是 2^8 = 256),那么理论上我们可以用一个数字来表示这 256 个状态,就像我们日常使用的十进制(09)或者二十进制(019)一样。那么为什么在计算机领域,我们如此钟爱 16 进制,而不是用一个包含 256 个符号的“256进制”呢?

这其中的原因,说到底是为了方便和直观,而这恰恰是 16 进制比 256 进制更胜一筹的地方。

首先,我们要理解 16 进制(Hexadecimal)是如何工作的。它使用 0 到 9 这十个阿拉伯数字,再加上 A 到 F 这六个字母来表示 0 到 15 这十六个值。这样做的好处是,它非常自然地与我们计算机中最基本的单位——二进制(Binary)——联系起来。

想象一下我们最熟悉的二进制。一个字节有 8 个比特(bit)。我们可以把它分成两组,每组 4 个比特。

第一组 4 个比特,可以表示 0000 到 1111,这正好是 0 到 15 这 16 个数值。
第二组 4 个比特,同样可以表示 0000 到 1111,也就是 0 到 15。

而 16 进制的每一个数字,比如 '0' 到 '9',以及 'A' 到 'F',正好对应着二进制中的 4 个比特。例如:

0(16进制) = 0000(二进制)
1(16进制) = 0001(二进制)
...
9(16进制) = 1001(二进制)
A(16进制) = 1010(二进制)
B(16进制) = 1011(二进制)
C(16进制) = 1100(二进制)
D(16进制) = 1101(二进制)
E(16进制) = 1110(二进制)
F(16进制) = 1111(二进制)

你看,这样一个简单的对应关系,就让 16 进制成为了二进制的“捷径”。一个 8 位的字节,只需要用两个 16 进制数字就能表示。比如,前面提到的 11110000(二进制)就可以轻松地表示为 F0(16进制)。这比直接写一长串 0 和 1 要简洁得多,也更容易被人眼识别和记忆。

现在我们来考虑一下如果使用 256 进制会怎么样。

要表示 256 个不同的值,我们需要 256 个符号。你可能会想,为什么不直接用 0 到 255 这 256 个数字呢?问题在于,我们的书写系统和认知习惯,并不像十进制那样,天然地就将 0 到 9 视为“单个数字”。当数字超过 9,我们就开始组合,比如 10,11,12…… 255。

设想一下,如果我们要表示一个字节所能代表的所有 256 个值,我们需要一套包含 256 个独特符号的系统。这 256 个符号是什么?它们可能是什么数字、字母、还是特殊符号的组合?即使我们强行规定一个 256 进制的记法,比如用 000 到 255 来表示,那么写起来就会是这样:

000
001
...
010
...
099
100
...
255

这种表示方式,虽然从数学上讲是有效的,但在阅读和书写时,它的信息密度反而会降低。因为我们习惯于将两个或三个数字看作是分开的数值,而不是一个整体。而且,这 256 个值,如何映射到我们熟悉的 09 的阿拉伯数字系统上?如果我们要用 09 来表示,那每个“256进制”的数位,都可能需要写多位数字,这反而比 16 进制的两位更繁琐。

更关键的是,256 进制与二进制的转换关系变得非常不直观。一个 256 进制的数字,对应的是 8 个二进制位。但将一个 8 位二进制数分成两组 4 位,然后映射到 16 进制,这个过程是如此的平滑和高效。如果要将 8 位二进制数映射到一个“256进制”符号,中间就需要一个额外的、非常规的转换步骤,而这个步骤在人眼看来,远不如“分成两组,一组 4 位,转成 2 个 16 进制数”来得清晰。

反过来说,16 进制的优势在于它的“层级感”:

16 进制的每一位,对应着 4 个二进制位。
一个字节(8 个二进制位),就被自然地拆分成两个 16 进制位。

这种“4 位一组”的划分,是计算机硬件设计中经常出现的,因为像 ALU(算术逻辑单元)等许多电路单元,处理的基本单元就是 4 位、8 位、16 位、32 位等。4 位正好是半个字节,而 8 位是一个字节。16 进制的出现,恰好完美地“封装”了这些二进制的基本单位,让我们可以用更少的字符来描述更复杂的数据结构。

此外,还有历史和工程上的原因。

在计算机发展的早期,内存和寄存器的宽度往往是 8 位、16 位、32 位或 64 位。16 进制能够非常方便地表示这些宽度的数据。例如,一个 16 位的寄存器,可以用四个 16 进制数字表示(如 `0x1234`),一个 32 位的寄存器,可以用八个 16 进制数字表示(如 `0x12345678`)。这种简洁性在程序调试、硬件配置、网络协议解析等很多领域都显得尤为重要。

如果真的要推广 256 进制,我们需要设计一套全新的符号系统,并且要教会人们去理解和使用它,这本身就是一个巨大的工程。而且,如前面所说,其带来的“直观性”收益,相较于 16 进制,并不会有质的提升,反而可能因为其与二进制的转换不够“整齐划一”而显得更加麻烦。

总而言之,16 进制之所以流行,是因为它在表示和转换二进制数据方面,提供了一种简洁、直观、并且与计算机底层结构高度契合的中间表示方式。它就像是二进制的一个“浓缩包”,让我们可以用更少的笔墨,描绘出更清晰的计算机世界。而 256 进制,虽然理论上能一步到位,但在实际应用中的“易用性”和“可读性”上,却远不如 16 进制来得恰到好处。

网友意见

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你记得住256个符号还有他们的顺序么?

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