關(guān)于 Java 中的強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換

wind5o 發(fā)布于2019-08-15 17:42 / 1338人閱讀

摘要：問題描述遇到一個題目經(jīng)過強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換以后，變量，的值分別為多少答案是這涉及到的，打算借此稍稍研究一下。分為兩種，一是擴(kuò)展型基本數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換，二是窄化型基本數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。需要注意的是是有可能丟失數(shù)值的整體信息以及損失精度和范圍的。

問題描述

遇到一個題目：

經(jīng)過強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換以后，變量a，b的值分別為多少？  
short a = 128;  
byte b = (byte) a;
a = ?, b = ?

答案是：a = 128, b = -128

這涉及到 Java primitive type 的 conversion，打算借此稍稍研究一下。

分析過程

下面分析中會涉及到一些與題目無關(guān)的細(xì)節(jié)，想直接看題目解答的請?zhí)?"題目中的數(shù)值在內(nèi)存中的表示"

明確 Java 中的 Conversion

Java 的 conversion 有多種，這里我們只討論 primitive conversion。

primitive conversion 分為兩種，一是 Widening Primitive Conversion（擴(kuò)展型基本數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換），二是 Narrowing Primitive Conversion（窄化型基本數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換）。

ps: 翻譯成中文還是感覺怪怪的，下面還是用英文表示吧。

1. Widening Primitive Conversion

JLS 定義了 19 種 widening pc，簡單來說，就是位數(shù)低的向高的轉(zhuǎn)換，如下

byte to short, int, long, float, or double

short to int, long, float, or double

char to int, long, float, or double

int to long, float, or double

long to float or double

float to double

widening pc 不會丟失數(shù)值的整體大小信息

2. Narrowing Primitive Conversion

這個問題涉及到的 int -> short 和 short -> byte 的轉(zhuǎn)換就包含在 JLS 定義的 22 種 narrowing pc 之中。

short to byte or char

char to byte or short

int to byte, short, or char

long to byte, short, char, or int

float to byte, short, char, int, or long

double to byte, short, char, int, long, or float

需要注意的是 narrowing pc 是有可能丟失數(shù)值的整體信息以及損失精度和范圍的。

可能有人會注意到，上面的 widening pc 和 narrowing pc 都沒有包含 byte -> char 的轉(zhuǎn)換

Chapter 5. Conversions and Promotions

The following conversion combines both widening and narrowing primitive conversions:
byte to char
First, the byte is converted to an int via widening primitive conversion (§5.1.2), and then the resulting int is converted to a char by narrowing primitive conversion (§5.1.3).

這是因為這是一種特殊地、同時結(jié)合了 widening pc 和 narrowing pc 的轉(zhuǎn)換，byte 會先轉(zhuǎn)換成 int（widening pc），然后將這個 int 結(jié)果轉(zhuǎn)換成 char（narrowing pc）。

具體分析

那么我們還是回到這個問題

short a = 128; 
byte b = (byte) a;

首先，在 Java 中，整數(shù)默認(rèn)為 int 類型，也就是說，在 short a = 128; 中，會發(fā)生 int -> short 的 narrowing pc，是有可能損失精度的，由于 int 是高位（32位），short 是低位（16位），所以在轉(zhuǎn)換時會 truncate。同樣，對于 byte b = (byte) a; 也有可能因為 truncate 而損失精度。

先回顧原碼、反碼、補(bǔ)碼的概念

在 Java 中數(shù)值是用補(bǔ)碼表示的，在這里回顧一下原碼、反碼、補(bǔ)碼的概念（以 3 為例吧）：

原碼（第一個為符號位，1 表示負(fù)數(shù)，0 表示正數(shù)）

3 的原碼：0000 0011

-3 的原碼：1000 0011

反碼（就是反過來，注意符號位不變）：

3 的反碼：1111 1100

-3 的反碼：1111 1100

補(bǔ)碼（正數(shù)的補(bǔ)碼 = 原碼，負(fù)數(shù)的補(bǔ)碼 = 反碼 + 1）

3 的補(bǔ)碼：0000 0011

-3 的補(bǔ)碼：1111 1101

題目中的數(shù)值在內(nèi)存中的表示

二進(jìn)制表示：

int a = 128 00000000 00000000 10000000 00000000

short a = 128 00000000 10000000 （強(qiáng)轉(zhuǎn)后前面 16 位被截斷）

可以看出來，a 的值輸出應(yīng)該還是 128

那么對于 byte b = (byte) a;

二進(jìn)制表示：

short a = 128 00000000 10000000

byte b = 128 10000000 （強(qiáng)轉(zhuǎn)后前面 8 位被截斷）

但是，輸出的 b 的值為什么不是 128 而是 -128 呢

Primitive Data Types (The Java? Tutorials > Learning the Java Language > Language Basics)

byte: The byte data type is an 8-bit signed two"s complement integer. It has a minimum value of -128 and a maximum value of 127 (inclusive). The byte data type can be useful for saving memory in large arrays, where the memory savings actually matters. They can also be used in place of int where their limits help to clarify your code; the fact that a variable"s range is limited can serve as a form of documentation.

這是因為 byte 是一個 8 位有符號二進(jìn)制補(bǔ)碼整數(shù)，它包含的值的范圍是 [-128, 127]，因此 byte 類型的值是無法表示 128 的

那么在發(fā)生截斷后，1000 0000 表示的就是一個補(bǔ)碼，從這個補(bǔ)碼可以看出來它的原碼肯定是一個負(fù)數(shù)，那么我們根據(jù)這個補(bǔ)碼反推得到它的反碼：1111 1111，從而得到它的原碼：1000 0000，可以看出這個值就是 -0，但是在我們的生活中是沒有 -0 的，所以在計算機(jī)中就把它識別成 -128，因此這就是為什么 b 的值的輸出是 -128 的原因。

ps: 關(guān)于 -0 對應(yīng)于 -128 的具體解釋，我懶得寫了，因為感覺取決于個人的理解，不想細(xì)究，如果有人還有疑問，可以看看這個人的解釋 byte類型取值范圍為什么是127到-128？ - 知乎

那么到這里，問題就基本解釋清楚了，感覺自己還是很啰嗦，不過其實是為了回顧一些基礎(chǔ)的知識，也希望對其他人有所幫助啦~