Java Sign扩展

在Java中，如果我们执行以下操作，则将启动Sign扩展 ：

• 扩展原始转换–从一种类型转换为另一种类型，这涉及到增加原始类型的位，例如，将byte (8 bits)为int (32 bits) 。
• 按位右移n位>> n 。

符号扩展名是在保留数字的符号（正号和负号）的同时增加位数的操作。 除一个条件外，Sign扩展名用最高有效位（msb）或最左边的位的原始位填充增加的位-将无符号的char为其他类型，请向下滚动至3. Java Multicast进行解释。

本文还通过以下代码解释了著名的Java多播问题。 你能回答吗？

byte b = -1;                    // twos complement
  char c = (char) (b);            // byte -> int -> char (widening and narrowing type) (sign extension)
  System.out.println((int)c);     // char -> int (zero extension), output = 65535

  c = (char) (b & 0xff);          // byte -> int (sign extension)
  System.out.println((int) c);    // char -> int (zero extension), output = 255

1. Java Sign扩展–扩展原始转换

例如，我们将一个byte （8位）转换为int （32位）。

正数
1.1这是二进制格式的byte 10 10，8位（1个字节）。

0000 1010 = 10

如果我们将byte （8位）强制转换/加宽为int （32位，4字节），则额外位的值（1或0）是什么？

# byte, 1 byte, 8 bits
0000 1010 = 10

# int, 4 bytes, 32 bits
???? ???? | ???? ???? | ???? ???? | 0000 1010 = 10

答案是符号扩展。 它取决于“原始”最高有效位（msb）或最左侧的位。 在上面的示例中， byte 10或0000 1010的msb为0 ，并且符号扩展用零填充所有额外的未知位。

{0}000 1010 , {0} = most significant bit or leftmost bit.

将byte 10 int为int ，结果仍然为10 。

0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 1010 = 10

byte aByte = 10;
  int aByte1 = (int) aByte;
  System.out.println(aByte1);  // output = 10

负数
1.2对于byte -10 ，Java使用二进制补码表示负值。

# two's complement formula

0000 1010 = 10
1111 0101 (invert bits)
1111 0110 (add 1)
1111 0110 = -10

如果我们将byte -10 （8位）强制转换/扩展为int （32位，4字节），则额外位的值（1或0）是多少？

???? ???? | ???? ???? | ???? ???? | 1111 0110 = -10

对于byte -10或1111 0110 ，最显著位1111 0110是1 ，而符号扩展填充所有的未知位一个。

{1}111 0110 , {1} = most significant bit or leftmost bit.

将byte -10为int ，结果仍然为-10 。

1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 0110

对于二进制补码（最左边的1为负，0为正）

# two's complement formula

1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 0110 (this is a negative number)
1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 0101 (sub 1)
0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 1010 (invert bits)
0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 1010 = 10
1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 0110 = -10

byte aByte = -10;
  int aByte1 = (int) aByte;
  System.out.println(aByte1); // output = -10

困难的部分是了解两者的互补 。

2. Java符号扩展–按位右移>>

按位移位运算符>> （也称为算术右移），它在移位后保留符号（正数或负数）。

例如，这里是整数10。在Java中， int是32位4字节。

0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 1010

然后我们右移3位10 >> 3 。 对于整数10或{0=msb}0001010 ，最高有效位为零，并且符号扩展用零填充所有未知位。

???0 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0001 | 010 >> 3

10 >> 3的答案是1 。

0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0001 = 1

System.out.println(10>>3); // output = 1

进一步阅读
Java >>和>>>按位移位运算符 。

3. Java组播-符号扩展和零扩展。

到目前为止，一切看起来都很简单明了。 真正的挑战是多播，这使一切变得复杂。

查看下面的Java多播示例（如果我不记得记错的话，我从一个论坛上找到了此代码片段，其原文来自Java Puzzle丛书）。

byte b = -1;                    // twos complement
  char c = (char) (b);            // byte -> int -> char (widening and narrowing type) (sign extension)
  System.out.println((int)c);     // char -> int (zero extension), output = 65535

  c = (char) (b & 0xff);          // byte -> int (sign extension)
  System.out.println((int) c);    // char -> int (zero extension), output = 255

上面的示例涉及多播，从byte -> int > char > int ，二进制补码，加宽原始转换，缩小原始转换，符号扩展，零扩展以及按位屏蔽。 让我们一一分解。

3.1 Java使用二进制补码表示否定。

0000 0001 = 1
  1111 1110 = (invert bits)
  1111 1111 = (add 1)
  1111 1111 = -1 in twos complement

  byte b = 1111 1111

3.1在Java byte是一个有符号字节，为8位； 而char是一个无符号的2字节16位。 Java的无法铸造的byte的char直接（不能有符号类型转换为无符号类型），因此它投/拓宽byte到int第一和缩小到char 。

byte b = -1;  
  char c = (char) (b);                           = byte -> int -> char

  1111 1111                                      = byte (8 bits)
  1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111  = int  (32 bits, sign extension)
  1111 1111 | 1111 1111                          = char (16 bits)

  char c = 1111 1111 | 1111 1111

3.2这个(int)c很有趣； 它将一个char 2字节转换为一个int 4字节。 首先，我们可能认为Sign扩展将执行并用原始的最高有效位（即1）填充增加的位。

char c = 1111 1111 | 1111 1111
  int(c) = ???? ???? | ???? ???? | 1111 1111 | 1111 1111
  int(c) = 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111 (sign extension) ??? but why the output is 65535?

答案是否定的，在上述情况下，Java使用零扩展将零位填充为增加的位。

字符->任何类型=零扩展
请记住， char是无符号类型，如果我们将无符号类型char为其他任何类型，则使用zero extension ，而不是“符号扩展名”。

什么是零扩展？
零扩展将所有增加的位填充为零。 此零扩展名也适用于逻辑右移运算符>>> 。

以下是int(c)的正确答案。

char c = 1111 1111 | 1111 1111
int(c) = ???? ???? | ???? ???? | 1111 1111 | 1111 1111
int(c) = 0000 0000 | 0000 0000 | 1111 1111 | 1111 1111 (zero extension on unsigned char), the output is 65535.

3.4现在，我们来看以下语句。

c = (char) (b & 0xff);          // mask, int -> char
  System.out.println((int) c);    // char -> int, output: 255, but why?

重写为

int i = (b & 0xff)
  c = (char)i
  System.out.println((int) c);

b & 0xff将返回一个int 。 Java的铸byte到int ，并执行bitwise &与此0xff ，又名掩盖。

byte b      = 1111 1111

  int         = 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111 | 1111 1111  (sign extension)
                &
  0xff        = 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 1111 1111

  int i       = 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 1111 1111

  c = (char)i = 0000 0000 | 1111 1111                          (narrow down, int -> char)

最后一个(int) c ，将一个无符号char为int ，零扩展名。

c           = 0000 0000 | 1111 1111

  (int)c      = ???? ???? | ???? ???? | 0000 0000 | 1111 1111  (zero extension)

  (int)c      = 0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 1111 1111

在二进制补码中，第一个最左边定义的符号，1是负数，0是正数。

0000 0000 | 0000 0000 | 0000 0000 | 1111 1111
  = 1x2^0 +... 1x2^8
    1 + 2 + 4 + 8 + 16 + 32 + 64 + 128 = 255

做完了 感谢您阅读这篇长文章。

注意
如果您发现任何错别字，错误或错误解释，请告诉我。

参考文献

• 维基百科–算术转换
• 维基百科–补码
• 维基百科-带签名的扩展名
• Oracle –按位和移位运算符
• Java >>和>>>按位移位运算符

标签： 移位 逐位 Java 符号扩展 两个补码 零扩展

翻译自: https://mkyong.com/java/java-sign-extension/