Java位操作与数据类型转换全解析

# Java 位操作与数据类型转换全解析 ## 1. 位掩码常量 在 Java 中，有一些常量用于计算位掩码，例如： ```java private static final int FOCUS_INPUTMAP_CREATED = 7; private static final int ANCESTOR_INPUTMAP_CREATED = 8; private static final int WIF_INPUTMAP_CREATED = 9; private static final int ACTIONMAP_CREATED = 10; private static final int CREATED_DOUBLE_BUFFER = 11; private static final int IS_PRINTING = 12; private static final int IS_PRINTING_ALL = 13; ``` 这些常量并非实际的位掩码，而是计算位掩码值所需的移位距离。这种位处理方式的代码效率略低于传统位处理，因为存在额外的方法调用和掩码值的不断重新计算。但其主要优点是可读性高，不过性能的些许下降以及一次只能设置或清除一位的限制，使其难以成为编程惯例。 ## 2. 半字节转换为十六进制数字 ### 2.1 半字节概念 半字节（nybble）是介于位和字节之间的概念，它由四个位组成，可以转换为十六进制数字（0 - 9 和 a - f 或 A - F）。在核心 API 中，`Integer.toHexString(int i)` 和 `Long.toHexString(long i)` 方法实现了半字节到十六进制数字的转换。 ### 2.2 转换方法示例 ```java static char[] hexDigits = {'0','1','2','3','4', '5','6','7','8','9', 'a','b','c','d','e','f'}; static String toHexString(int i) { char[] buf = new char[8]; int index = 8; do { buf[--index] = hexDigits[i & 0xF]; i >>>= 4; } while (i != 0); return new String(buf, index, 8 - index); } ``` 此方法使用 `do` 循环确保零返回 `"0"`，并从右到左处理半字节。 ### 2.3 优化策略 多数十六进制转换方法有以下常见优化： - **避免调用 `Character.forDigit` 方法**：该方法开销大，包含方法调用和参数检查。 ```java final static char[] chars = { '0' , '1' , '2' , '3' , '4' , '5' , '6' , '7' , '8' , '9' , 'a' , 'b' , 'c' , 'd' , 'e' , 'f' , 'g' , 'h' , 'i' , 'j' , 'k' , 'l' , 'm' , 'n' , 'o' , 'p' , 'q' , 'r' , 's' , 't' , 'u' , 'v' , 'w' , 'x' , 'y' , 'z' }; public static char forDigit(int digit, int radix) { if ((digit >= radix) || (digit < 0)) { return '\0'; } if ((radix < MIN_RADIX) || (radix > MAX_RADIX)) { return '\0'; } return chars[digit]; } ``` - **使用 `char[]` 缓冲区**：避免使用 `StringBuffer`，因为其速度较慢。 - **使用静态 `hexDigits` 数组**：避免每次转换都分配和加载数组。 ### 2.4 右移运算符的使用 在实际应用中，有符号和无符号右移运算符常可互换使用，作为位处理的“传送带”。例如： ```java class Test { static char[] hexDigits = {'0','1','2','3','4', '5','6','7','8','9', 'a','b','c','d','e','f'}; public static void main(String[] args) { toHexString(1234567890); // 0x499602d2 } static void toHexString(int i) { do { String s = BitPattern.toBinaryString(i); System.out.println(s); System.out.println(s.substring(31, 35) + " = 0x" + hexDigits[i & 0xF]); i >>>= 4; System.out.println(); } while (i != 0); } } ``` 执行该程序可看到“传送带”的工作原理，每次迭代掩码低四位并转换为十六进制数字。 ### 2.5 替代方法 除了使用 `hexDigits` 数组，还可使用半字节的数值作为偏移量： ```java do { int offset = i & 0xF; //value of the nybble char digit = (char)((offset < 10) ? ('0' + offset) : ('a' + offset - 10)); } while ((i >>>= 4) > 0); ``` 实际微基准测试表明，数组访问表达式略快。 ### 2.6 处理负数的方法 ```java static String toHexString(int i) { char[] string = new char[9]; int index = 9; if (i == Integer.MIN_VALUE) { //otherwise i = -i is a bug return "-2147483648"; } boolean negative = i < 0; if (negative) { i = -i; } do { string[--index] = hexDigits[i & 0xF]; i >>>= 4; } while (i != 0); if (negative) { string[--index] = '-'; } return new String(string, index , (9 - index)); } ``` 此方法处理负数时使用负号而非转换符号位。 ## 3. 通用整数到字符串的转换方法 ### 3.1 两种转换技术 整数到字符串的转换主要有两种编程技术： - **适用于二进制、八进制和十六进制的方法**：使用右移运算符作为“传送带”并掩码低阶位。 - **适用于十进制和通用转换的方法**：该方法用于将整数转换为十进制数字，因为十进制数字与固定位数不对应，需要使用除以基数的方法。 ### 3.2 除法作为“传送带” ```java class Test { public static void main(String[] args) { int i = 123456789; System.out.println(i); while (i != 0) System.out.println(i /= 10); } } ``` 执行该程序可看到除以基数有效截断最右侧数字，余数即为最右侧数字的值。 ### 3.3 转换示例 ```java static char[] digits = {'0','1','2','3','4', '5','6','7','8','9'}; static String toString(int i) { char[] string = new char[11]; int index = 11; if (i == Integer.MIN_VALUE) { //otherwise i = -i is a bug return "-2147483648"; } boolean negative = i < 0; if (negative) { i = -i; } do { string[--index] = digits[i%10]; i = i / 10; } while (i != 0); if (negative) { string[--index] = '-'; } return new String(string, index , (11 - index)); } ``` ### 3.4 核心 API 中的应用 在核心 API 中，`Integer.toString(int i, int radix)` 和 `Long.toString(long i, int radix)` 方法使用了上述编程技术。但从 1.4 版本开始，`Integer.toString(int i)` 方法采用了不同实现，使用“不变乘法除法”避免了除以 10 的操作。 ## 4. 无符号字节的处理 ### 4.1 有符号与无符号字节的区别 Java 中的 `byte` 数据类型是有符号的，范围为 -128 到 127，而通常所说的字节指无符号字节，范围为 0 到 255。 ```java class Test { public static void main(String[] args) { byte b = (byte) 255; System.out.println("signed byte = " + b); System.out.println("unsigned byte = " + ( ```