1. 概述
在Java编程中，理解如何操作整数是编写健壮且高效代码的基础。一个常见的操作就是对整数取反。
在这个教程中，我们将探讨对整数取反的不同方法。
2. 问题介绍
取反一个整数意味着将它的符号从正变负或反之。 例如，给定一个int值42，取反后我们期望得到-42作为结果。
我们不应忘记数字0既不是正也不是负。 因此，取反0的结果也应该是0。
在Java中，这个操作相当直接，我们将看到三种不同的实现方式。此外，我们还会讨论一个边缘情况：整数溢出。
为了简化，我们将使用单元测试断言来验证每种方法的结果。
3. 使用一元减号运算符
对整数取反的最直接方法是使用一元减号运算符(-)。它简单地改变给定整数的符号：
int x = 42;
assertEquals(-42, -x);
int z = 0;
assertEquals(0, -z);
int n = -42;
assertEquals(42, -n);
如测试所示，通过应用'-'到输入整数，我们得到了预期的结果。
4. 使用按位补码运算符
另一种非传统但有效的方法是使用按位补码运算符(~)。这个运算符会反转给定整数的位，从而产生二进制补码：
int number = 12;
int negative13 = ~number; // ~00001100 = 11110011 = -13
因此，对于一个整数x，~x + 1就是x的取反。
接下来，让我们编写一个测试来验证这一点：
int x = 42;
assertEquals(-42, ~x + 1);
int z = 0;
assertEquals(0, ~z + 1);
int n = -42;
assertEquals(42, ~n + 1);
正如我们所见，*~x + 1*解决了这个问题。
5. 涉及 Integer.MIN_VALUE 的溢出问题
我们知道Java的整数类型是一个有符号的32位类型，范围从-2147483648到2147483647。如果取反Integer.MAX_VALUE，结果-2147483647仍然在这个范围内。但是，如果我们取反Integer.MIN_VALUE，我们应该得到2147483648，这超出了Integer.MAX_VALUE的范围。 因此，在这个边缘情况下，会发生溢出错误。
虽然'-x'和'~x + 1'方法很简单，只有在确保不会发生溢出的情况下，我们才能在应用程序中使用它们。 下面是一些可能适合使用这些方法的场景：
- 计算足球比赛中的进球差分
- 计算员工一个月的工作小时数
然而，如果我们的程序中可能出现溢出，不建议使用这些方法。
接下来，我们将探讨为什么在使用Integer.MIN_VALUE作为输入时，这两种方法会导致溢出错误。
5.1. 使用一元减号运算符与Integer.MIN_VALUE
首先，我们使用'-'运算符取反Integer.MIN_VALUE：
int min = Integer.MIN_VALUE;
LOG.info("The value of '-min' is: " + -min);
assertTrue((-min) < 0);
这个测试通过了，这意味着我们取反Integer.MIN_VALUE后仍然得到了一个负结果。我们可以通过输出进一步验证这一点：
The value of '-min' is: -2147483648
因此，当发生溢出时，'-x'方法返回错误的结果。
5.2. 使用按位补码运算符与Integer.MIN_VALUE
现在，让我们使用'~x + 1'方法运行同样的测试：
int min = Integer.MIN_VALUE;
int result = ~min + 1;
LOG.info("The value of '~min + 1' is: " + result);
assertFalse(result > 0);
我们可以看到，当发生溢出时，这个方法也不会给出预期的结果。 让我们进一步检查控制台日志输出以确认这一点：
The value of '~min + 1' is: -2147483648
6. 使用 Math.negateExact() 方法
对于必须处理Integer.MIN_VALUE的情况，Math.negateExact()方法提供了一个安全且精确的方式来取反整数。
首先，Math.negateExact()在正常情况下工作正常：
int x = 42;
assertEquals(-42, Math.negateExact(x));
int z = 0;
assertEquals(0, Math.negateExact(z));
int n = -42;
assertEquals(42, Math.negateExact(n));
接下来，让我们看看当输入是Integer.MIN_VALUE时会发生什么：
int min = Integer.MIN_VALUE;
assertThrowsExactly(ArithmeticException.class, () -> Math.negateExact(min));
如测试所示，如果在取反过程中发生溢出，Math.negateExact()方法会抛出ArithmeticException，开发者可以在异常发生时进行处理。
7. 总结
在这篇文章中，我们探讨了Java中对整数取反的三种方法。
'-x'和'~x + 1'是直接的解决方案。然而，如果我们的程序可能需要取反Integer.MIN_VALUE，那么使用Math.negateExact()是正确的选择。
如往常一样，示例代码的完整源代码可在GitHub上找到：GitHub链接。