Java面试题16——类型转换中的符号扩展_char转换到short为什么要进行符号扩展

类型转换中的符号扩展

有没有想过这么一个问题, 当把一个byte的负数转换为int时, 它的值是正数还是负数呢? 当把一个int强制转为为byte, 我们能否确定转换后数字的符号呢? 要理解这两点, 我们首先要明白计算机中数的表示, 和Java中类型转换时进行的操作.

a. 计算机中数的表示

计算机中的数都是以补码的形式存储的, 最高位是符号位. 正数的补码是它本身, 而负数的补码是原码按位取反后加1. 这样我们就很清楚Java中这些数据类型的范围是怎么得到的.

例如: byte的范围是-128 ~ 127. 为什么会有-128呢? 其实-128的二进制表示是 10000000, 这个补码形式是不是很奇怪呢? 我们找不到一个数可以对应这样的补码, 其实这是-0的原码, 那-0的补码呢? 按位取反加1试试看, 是不是又变为00000000呢? 所以这个多出来的-0就用来表示-128了.

有了上面的表示, 我们就要问: 如何在类型扩展的时候保持数字的符号和值不变呢?

b. Java中的符号扩展

1. 什么是符号扩展

符号扩展（Sign Extension）用于在数值类型转换时扩展二进制位的长度，以保证转换后的数值和原数值的符号（正或负）和大小相同，一般用于较窄的类型（如byte）向较宽的类型（如int）转换。扩展二进制位长度指的是，在原数值的二进制位左边补齐若干个符号位（0表示正，1表示负）。

举例来说，如果用6个bit表示十进制数10，二进制码为"00 1010"，如果将它进行符号扩展为16bits长度，结果是"0000 0000 0000 1010"，即在左边补上10个0（因为10是正数，符号为0），符号扩展前后数值的大小和符号都保持不变；如果用10bits表示十进制数-15，使用“2的补码”编码后，二进制码为"11 1111 0001"，如果将它进行符号扩展为16bits，结果是"1111 1111 1111 0001",即在左边补上6个1（因为-15是负数，符号为1），符号扩展前后数值的大小和符号都保持不变。

2. Java中数值类型转换的规则

这个规则是《Java解惑》总结的：如果最初的数值类型是有符号的，那么就执行符号扩展；如果是char类型，那么不管它要被转换成什么类型，都执行零扩展。还有另外一条规则也需要记住，如果目标类型的长度小于源类型的长度，则直接截取目标类型的长度。例如将int型转换成byte型，直接截取int型的右边8位。

所以Java在进行类型扩展时候会根据原始数据类型, 来执行符号扩展还是零扩展. 数值类型转数值类型的符号扩展不会改变值的符号和大小.但遇到一些特殊情况可能改变符号，如(byte)128的值为-128。

c. 解析“多重转型”问题

一个连续三次类型转换的表达式如下：

1. int(32位) -> byte(8位)

-1是int型的字面量，根据“2的补码”编码规则，编码结果为0xffffffff，即32位全部置1.转换成byte类型时，直接截取最后8位，所以byte结果为0xff，对应的十进制值是-1.

2. byte**(8位)** -> char**(16位)**

由于byte是有符号类型，所以在转换成char型（16位）时需要进行符号扩展，即在0xff左边连续补上8个1（1是0xff的符号位），结果是0xffff。由于char是无符号类型，所以0xffff表示的十进制数是65535。

3. char**(16位)** -> int**(32位)**

由于char是无符号类型，转换成int型时进行零扩展，即在0xffff左边连续补上16个0，结果是0x0000ffff,对应的十进制数是65535。

d. 几个转型的例子

在进行类型转换时，一定要了解表达式的含义，不能光靠感觉。最好的方法是将你的意图明确表达出来。

在将一个char型数值c转型为一个宽度更宽的类型时，并且不希望有符号扩展，可以如下编码：

上文曾提到过，0xffff是int型字面量，所以在进行&操作之前，编译器会自动将c转型成int型，即在c的二进制编码前添加16个0，然后再和0xffff进行&操作，所表达的意图是强制将前16置0，后16位保持不变。虽然这个操作不是必须的，但是明确表达了不进行符号扩展的意图。

如果需要符号扩展，则可以如下编码：

首先将c转换成short类型，它和char是 等宽度的，并且是有符号类型，再将short类型转换成int类型时，会自动进行符号扩展，即如果short为负数，则在左边补上16个1，否则补上16个0.

如果在将一个byte数值b转型为一个char时，并且不希望有符号扩展，那么必须使用一个位掩码来限制它：

(b & 0xff)的结果是32位的int类型，前24被强制置0，后8位保持不变，然后转换成char型时，直接截取后16位。这样不管b是正数还是负数，转换成char时，都相当于是在左边补上8个0，即进行零扩展而不是符号扩展。

如果需要符号扩展，则编码如下：

此时为了明确表达需要符号扩展的意图，注释是必须的。

e.总结

实际上在数值类型转换时，只有当遇到负数时才会出现问题，根本原因就是Java中的负数不是采用直观的方式进行编码，而是采用“2的补码”方式，这样的好处是加法和减法操作可以同时使用加法电路完成，但是在开发时却会遇到很多奇怪的问题，例如(byte)128的结果是-128，即一个大的正数，截断后却变成了负数。