本文探讨Java中字节(byte)与整型(int)之间的转换机制，包括字节负值的原因、字节与整型的内部表示差异及文件流操作时的数值变化。
在研究编码时，无意中发现java中输出编码后的字节数据的值有的是负值，比如utf-8编码后的字节数据，通过遍历，打印都是负值，java中字节byte有负数的现象让我产生了兴趣，在此探讨一下。
关于编码的字节有负数的现象，可以参考这篇博客：
http://blog.youkuaiyun.com/csdn_ds/article/details/79077483
下面我用java中的数据流去说说这个现象。
实验一
package com.anjz.test;
import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.IOException;
public class ByteArrayTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
String str = "你好";
ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(str.getBytes("utf-8"));
byte[] bytes = new byte[str.getBytes("utf-8").length];
bis.read(bytes);
for(byte b :bytes){
System.out.print(b+",");
}
}
}运行结果：
-28,-67,-96,-27,-91,-67,
实验二
package com.anjz.test;
import java.io.ByteArrayInputStream;
import java.io.IOException;
public class ByteArrayTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
String str = "你好";
ByteArrayInputStream bis = new ByteArrayInputStream(str.getBytes("utf-8"));
int temp = 0;
while((temp = bis.read())!=-1){
System.out.print(temp+",");
}
}
}运行结果：
228,189,160,229,165,189,
实验一中直接输出的byte数据，实验二直接输出的是int数据，但两个数据是不一样的，我们把两个结果的数据放到一块。
-28,-67,-96,-27,-91,-67,
228,189,160,229,165,189,
发现一个规律：每列数据的绝对值加一起是个固定值256，这是一个巧合，还是一个规律？关于这个问题，首先我们看一下bis.read()的源码。
/**
* Reads the next byte of data from this input stream. The value
* byte is returned as an <code>int</code> in the range
* <code>0</code> to <code>255</code>. If no byte is available
* because the end of the stream has been reached, the value
* <code>-1</code> is returned.
* <p>
* This <code>read</code> method
* cannot block.
*
* @return the next byte of data, or <code>-1</code> if the end of the
* stream has been reached.
*/
public synchronized int read() {
return (pos < count) ? (buf[pos++] & 0xff) : -1;
}从上述代码的说明可以看出，此方法的返回值范围为[0,255],在方法体中，获取到字节后，进行了&0xff操作。
在此说明一个java中的几个规则：
1. Java中byte的大小是8bits，int的大小是32bits，byte的范围是[-128,127],int的范围是[-231, 231-1]。
2. Java中数值的二进制是采用补码的形式表示的。
其实从byte和int范围就可以看出，java中的二进制是采用补码表示的。关于原码、反码、补码的知识，可以参照这篇博客：
http://blog.youkuaiyun.com/csdn_ds/article/details/79082640
个人理解，计算机不是所有的数据都是需要用补码表示的，补码的出现，主要是将计算机中的减法运算转化成加法运算，降低计算机底层的复杂性。Java中是数值类型的数据才使用补码表示，也就是数值类型在内存或磁盘中存储的都是补码，程序运行展示的数据是原码的十进制（或者说真值）。但对于字符来说，它是通过字符集（如UTF-8、GBK等）进行编码的，直接存储字节数即可。
“你好”UTF-8编码对应的二进制：
11100100 10111101 10100000 11100101 10100101 10111101
查询UTF-8的编码可使用此地址：http://www.mytju.com/classcode/tools/encode_utf8.asp
转化成byte，当二进制以数值看待时，内存中的二进制要看成补码形式。
[11100100]补 = [10011100]原= [-28]十进制(byte)
[10111101]补 = [11000011]原= [-67]十进制(byte)
[10100000]补 = [11100000]原= [-96]十进制(byte)
[11100101]补 = [10011011]原= [-27]十进制(byte)
[10100101]补 = [11011011]原= [-91]十进制(byte)
[10111101]补 = [11000011]原= [-67]十进制(byte)
字节是计算机最小读取单位，如果最终转化成int类型，转化如下：
[-28]十进制（byte） = [10011100]原 = [11100100]补 ->转化成32位 [00000000 00000000 00000000 11100100]补 = [00000000 00000000 00000000 11100100]原 = [228]十进制(int)
[-67]十进制（byte） = [11000011]原 = [10111101]补 ->转化成32位 [00000000 00000000 00000000 10111101]补 = [00000000 00000000 00000000 10111101]原 = [189]十进制(int)
[-96]十进制（byte） = [11100000]原 = [10100000]补 ->转化成32位 [00000000 00000000 00000000 10100000]补 = [00000000 00000000 00000000 10100000]原 = [160]十进制(int)
[-27]十进制（byte） = [10011011]原 = [11100101]补 ->转化成32位 [00000000 00000000 00000000 11100101]补 = [00000000 00000000 00000000 11100101]原 = [229]十进制(int)
[-91]十进制（byte） = [11011011]原 = [10100101]补 ->转化成32位 [00000000 00000000 00000000 10100101]补 = [00000000 00000000 00000000 10100101]原 = [165]十进制(int)
[-67]十进制（byte） = [11000011]原 = [10111101]补 ->转化成32位 [00000000 00000000 00000000 10111101]补 = [00000000 00000000 00000000 10111101]原 = [189]十进制(int)
首先计算出内存中存储的补码二进制，再将值转化成32位的字节，高位无值的补0，在将得到的二进制转化成原码，再将原码转成十进制，就是int的数据了。
其实字节与0xff进行与运算，也可直接转化成int类型。
0xff我们可以理解它是int类型的，字节&0xff（补码和原码相同），就会强转成int类型。
字节-28对应的补码为11100100，与0xff进行与运算。
00000000 00000000 00000000 11100100
& 00000000 00000000 00000000 11111111
----------------------------------------------------------------
00000000 00000000 00000000 11100100
因高字节最高位为0，原码和补码相同，最终int类型
[00000000 00000000 00000000 11100100]补 = [00000000 00000000 00000000 11100100]原= [128]十进制(int)
因为字节是8位，当转化为32位的int类型后，前三个字节都是0，只有后一个字节可以是非0的数，故转化后的int类型的范围为[0,255]。
按照上面的方式，字节转int，直接就展示了内存中存储的补码对应于无符号的值。一般可以进行其它操作，比如转化成十六进制，数据更具有可读性。
实验三
package com.anjz.test;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
public class FileStreamTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
fileStream(1);
}
public static void fileStream(int content) throws IOException{
File f = new File("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\a");
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(f);
fos.write(content);
FileInputStream fis = new FileInputStream(f);
int a = fis.read();
System.out.println(a);
}
}通过文件输出流，直接将int类型的数字写入文件中，再通过文件输入流，将内容读出来。
上述代码执行的结果为：1
将上述代码fileStream的参数修改为128，执行结果为：128
将上述代码fileStream的参数修改为256，执行结果为：0
将上述代码fileStream的参数修改为-1，执行结果为：255
上述实验的结果，有点让人摸不着头脑，通过输入流写入的数值，通过输出流读出的数值，有的是不一样的，这个是怎么回事呢？
首先我们看一下fos.write(content);的源码：
/**
* Writes the specified byte to this file output stream.
*
* @param b the byte to be written.
* @param append {@code true} if the write operation first
* advances the position to the end of file
*/
private native void write(int b, boolean append) throws IOException;
/**
* Writes the specified byte to this file output stream. Implements
* the <code>write</code> method of <code>OutputStream</code>.
*
* @param b the byte to be written.
* @exception IOException if an I/O error occurs.
*/
public void write(int b) throws IOException {
Object traceContext = IoTrace.fileWriteBegin(path);
int bytesWritten = 0;
try {
write(b, append);
bytesWritten = 1;
} finally {
IoTrace.fileWriteEnd(traceContext, bytesWritten);
}
}通过查看源码，并没有看到什么特别之处，也没有看到特别需要注意的说明。但是通过实验发现一个规律：当写入的值在[0,255]时，读出的值也是[0,255]，当值不在这个范围内，读出的值与写入的值是不样的。通过观察，发现[0,255]是一个字节表示无符号数值的取值范围。虽然int类型用四个字节表示的，在这里，是不是进行了截断处理呢。按这个思路我们推测一下。
[1]十进制(int) = [00000000 00000000 00000000 00000001]原 = [00000000 00000000 00000000 00000001]补 ->截断取低8位 [00000001]补 （写入的值）->读取时，转化成32位[00000000 00000000 00000000 00000001]补 =[1]十进制(int)（读取的值）
[128]十进制(int) = [00000000 00000000 00000000 10000000]原 = [00000000 00000000 00000000 10000000]补 -> 截断取低8位 [10000000]补 （写入的值）->读取时，转化成32位[00000000 00000000 00000000 10000000]补 = [128]十进制(int)（读取的值）
[256]十进制(int) = [00000000 00000000 00000001 00000000]原 = [00000000 00000000 00000001 00000000]补 -> 截断取低8位 [00000000]补（写入的值）->读取时，转化成32位[00000000 00000000 00000000 00000000]补 = [0]十进制(int)（读取的值）
[-1]十进制(int) = [10000000 00000000 00000001 00000001]原 = [11111111 11111111 11111111 11111111]补 -> 截断取低8位 [11111111]补（写入的值） ->读取时，转化成32位[00000000 00000000 00000000 11111111]补 = [255]十进制(int)（读取的值）
其实还有一种途径，去说明存入磁盘中的二进制是取低8位的补码，通过notepad++打开a文件。
文件流中输入：1 ，a文件展示的是：SOH，输出流中的值：1
文件流中输入：48 ，a文件中展示的是：0，输出流中的值：48
文件流中输入：65 ，a文件中展示的是：A，输出流中的值：65
文件流中输入：128 ，a文件展示的是：x80，输出流中的值：128
文件流中输入：258 ，a文件展示的是：STX，输出流中的值：2
通过查看ASCII表，可以发现文件中展示的都是ASCII码对应的字符，可以推测出，文件存入了一个8位的字节。
ASCII表查看地址：http://tool.oschina.net/commons?type=4
实验四
package com.anjz.test;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
public class FileStreamTest {
public static void main(String[] args) throws IOException {
fileStream(-1);
}
public static void fileStream(int content) throws IOException{
File f = new File("C:\\Users\\Administrator\\Desktop\\a");
FileOutputStream fos = new FileOutputStream(f);
fos.write(content);
FileInputStream fis = new FileInputStream(f);
byte[] b = new byte[1];
fis.read(b, 0, 1);
System.out.println(b[0]);
}
}上述代码，输入为int类型，输出为byte类型，看看执行结果为：-1
将上述代码fileStream的参数修改为128，执行结果为：-128
将上述代码fileStream的参数修改为256，执行结果为：0
将上述代码fileStream的参数修改为1000，执行结果为：-24
我们通过实验三的理论推测一下：
[-1]十进制(int) = [10000000 00000000 00000001 00000001]原 = [11111111 11111111 11111111 11111111]补 -> 截断取低8位 [11111111]补 = [10000001]原 = [-1]十进制(byte)
[128]十进制(int) = [00000000 00000000 00000000 10000000]原 = [00000000 00000000 00000000 10000000]补 -> 截断取低8位 [10000000]补 =[-128]十进制(byte)（这个比较特殊10000000是没有原码和反码的，直接表示最小的数，主要还是因为不存在-0这么一说）
[256]十进制(int) = [00000000 00000000 00000001 00000000]原 = [00000000 00000000 00000001 00000000]补 -> 截断取低8位 [00000000]补 =[00000000]原 = [0]十进制(byte)
[1000]十进制(int) = [00000000 00000000 00000011 11101000]原 = [00000000 00000000 00000011 11101000]补 -> 截断取低8位 [11101000]补 =[10011000]原 =[-24]十进制(byte)
从上述实验得知，在流操作中，如果输入流写入的是int类型的值，一般写入低八位的数据，超出的部分都会被截断，为了防止写入的数据和读取的数据不一样，建议最好将int类型的范围控制在[0,127]上，这样读取的数据和写入的数据是一样的。如果写入的值不在[0,127]上，数据都是会发生变化的。最好在真实的项目中，直接用byte操作数据，就不会出现int类型转byte类型，截断的现象了。
总结
在分析这种问题时，总结了以下几条规则：
1、字节是计算机读取的最小单位。
2、Java中数值是以补码的形式存在的，应用程序展示的十进制是补码对应真值。补码的存在主要为了简化计算机底层的运算，将减法运算直接当加法来做。
3、字符串的编码是通过编码规范直接编码成二进制的，如果将编码后的二进制转化成字节数，就要将这些二进制当成补码来看，最终转化成数值。
4、Java中字节byte转化成整型int，可以理解成将有符号数转化成无符号数，通过扩展位数，来达到这种转化，也可以直接通过公式：字节数& 0xff实现。
参考的文章：
http://blog.youkuaiyun.com/xingtanzjr/article/details/50898122
http://blog.youkuaiyun.com/zdy10326621/article/details/50236529
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