Java基本数据类型转换原理及位级操作技巧

在使用Java进行网络编程时，常常需要进行字节级操作和位级操作，而在进行这类操作时，往往需要对数据类型有一定的理解才能确保在编程时不会出现错误。

本文从计算机数据的表示方法入手，讲述数据类型的表示方法，然后介绍Java的基本数据类型以及其转换规则细节，最后给出一些位级操作使用技巧。

符号位和补码

在计算机中，使用二进制码的最高位当做符号位来表示数据的正负。

比如：

byte b = 64;// 01000000

byte b2 = -34 // 10100010

b的二进制表示为 01000000 因为是正数，高位为0

b2的二进制表示为 11011110，b2为负数,高位为1

正因为有了符号位，所以byte的取值范围从0~255变成-128~127

关于补码在此我不进行详尽的解释，因为超出了本文的论述范围，可以阅读我的博客 二进制补码计算原理详解 进行了解，博客地址：https://blog.****.net/zhuozuozhi/article/details/80896838

随便翻开一本Java入门书籍，里面都有基本类型的的占用字节和取值范围。最好的记住这些内容。当然，如果记不住，在使用这些变量的时候IDE也会提示你是否超出范围，但是在程序运行时可就没那么幸运了，为了避免数据超出范围的问题产生，在使用这些数据类型时心里最好有个数。如下图是摘自《Java程序设计》的一张数据类型表。

数据的取值范围大小从小到大的排序为：    byte < short < int < long < float < double

需要注意的是：float 和 double是实数类型的数据，虽然只占用四个字节和8个字节，但是他们的数据类型中存储了小数点、指数、有效位数及其他一些数据，所以他们的取值范围远大于相同字节数的int和long类型。

在进行数据类型转换的时候有如下几种情况：

1.数据范围小的数据向数据范围大的数据转换时，无需要进行特殊转换

 例一：正数向高位数据类型转

 byte b = 64;  // 二进制表示： 01000000

 short s = b;   // 二进制表示： 00000000 01000000

 在这个例子中，可以发现，在从byte转为short时，s的高地址位补0

 例二：负数向高位数据类型转

 byte b= -64 // 二进制表示： 11000000 = -64

 short s = b //二进制表示：    1111111111000000 = -64

 在这个例子中，可以发现，低位负数在向高位转时，得到的结果仍然是-64。

 如果在使用过程中想要向上转型，想得到无符号位的数据，那么就使用Byte提供的toUnsignedShort()即可

 注意：负数向高位类型转时，是先求负数原码，在低地址位（数据高位）上填充0，扩充到固定的数据类型宽度，然后再求补码。

2.如果数据范围大的数据类型数据范围小的数据类型转换时，小范围的数据可能无法表示该数值。所以不仅需要强转，还需要理解他的转换规则。

这是Byte类型转换图

byte类型的取值范围为-128~127，当某个数值到达上限127时，若再+1则会变成-128,周而复始。

当一个数值大于byte类型时，若要将他强转为byte类型时，则需要遵循此循环。

例三：

short s = 129;

byte b = (byte)s; // b = -127

至于为什么会是这样的规则，其实解释起来也没有那么困难， s = 129，二进制表示为 00000000 10000001

当进行强制转化时，s的低地址位（数据高位）都被舍弃，只留下 10000001，因为最高位为1，机器判定为负数补码，补码10000001表示 -127，所以就是强转后就是-127。其实所谓的循环就是强制截断二进制数的结果。

以上讨论的仅是整数类型的结果，下面讨论浮点类型转整数类型

我们知道，Int类型的最大值是4个字节31位表示的最大数，即 2147483647

例四：

double d = 2147483649.123d;
long l = (long)l;//l = 2147483649 
实际上，double转long类型，只要不超过Long类型表示的最大数，都是省略小数点以后取整即可

    int i = (int)d; //2147483649

    注意，当浮点类型的示数超过int 类型上限时，i就会固定取int 类型的最大值

    byte b = (byte)d;//b=-1,

    浮点转byte类型时，先将double转成int,再从int转到byte，当double超过Int上限时int会取最大值，再转化为byte时即固定为-1，short类型也是类似。

从中可知，int是浮点到整型数据转换的中间数据。

最后，来讲下字节级操作及位级操作的常用操作。

由于Java数据类型没有提供无符号的数据类型，所以在进行这类操作时务必要注意数值的取值范围，我一般用到的方法有有以下几种。

1.如果要进行无符号操作，可以将该数据类型放在更宽的数据类型寄存器中进行操作。

例5，byte位级操作,求 byteArr数组所有数据的异或结果的byte值

short [] byteArr = {0xff,0x3e,0x7e};

short ret = 0x00;

for(int i = 0 ; i < byteArr.length; i ++ ){

    ret = (ret & 0xff) ^ (byteArr[i] & 0xff);

}

System.out.println(ret & 0xff);

在这个例子中，可以发现需要的是byte类型的数据，但是却放在short类型的数据中计算。因为byteArr中的0xff > 127 ，所以编译器会不通过，只能放在更宽的数据寄存器中计算，只要放在更宽的数据寄存器中，其中&0xff操作保证只有最后几位参与运算。在例2中，我们发现，负数从byte转short时，低地址位（数据高位）会被填充1，所以&0xff,相当于清除低地址位的1，只有高地址8位有效。

2.从数据位数小的转换为数据位数宽的，可以使用包装类自带的toUnsigned*处理

byte b = -126;

short s = Byte.toUnsignedShort(b); // s = 130     0b00000000 10000010

还有其他一些操作，比较常用且易理解，并未列举。

本文纯属个人理解，如有错误，请勿拍砖。