Java> 有趣的byte及位运算

byte存储范围，表示范围

我们知道byte代表1个字节，数据存储的范围：[0x00, 0xFF]。byte变量表示值的范围：[-128, 127]。

下面这段代码并不是输出128，而是输出-128，因为byte变量表示值的范围为[-128, 127]。128刚刚好超出上界127有1单位，溢出为-128。
300对应byte值也不是300，而是按byte长度（1字节）截取存储内容后的值。
可以看到，300 = 0b100101100，截取1byte长度后，值为0b00101100，也就有 b = 0b00101100 => b = 44

byte b = (byte) 128;
System.out.println(b); // 输出-128

byte b = (byte) 300; // 300 = 0b100101100, b = 0b101100
System.out.println(b); // 输出44

byte位运算

还有一种比较有意思的现象，就是byte位运算，中间过程是否进行类型转换，也会影响结果。
请看下面的代码，分别打印出什么？（i1, i2）：

byte a = (byte)0xFF;
int i1 = 0xFF & a;
int i2 = a;

System.out.println(i1); // 打印255
System.out.println(i2); // 打印-1

运行程序，发现打印i1 为255，打印i2为-1，同样的byte类型变量a = 0xFF，如果直接转换为int类型，值为-1；如果与0xFF先进行按位与运算，值为255。
中间只是对a和0xFF进行了与运算，而a本身宽1字节，但打印结果却不同，这是为什么呢？
 
猜测是不是跟运算过程中的类型转换有关。下面先做验证：

1. 全部显式转换为byte类型，再 &；
2. 全部显式转换为int类型，再&；

byte a = (byte)0xFF;
int i1 = 0xFF & a;
int i2 = a;
int i3 = (byte)0xFF & (byte)a;
int i4 = (int)0xFF & (int)a;

System.out.println(i1); // 打印255
System.out.println(i2); // 打印-1
System.out.println(i3); // 打印-1
System.out.println(i4); // 打印255

根据打印结果，可以得出结论：

1. byte型数据跟int型数据进行运算时，会先默认转换为int类型。（类型提升）
2. byte -> int直接类型转换，并不能改变数的符号。

 
byte型位运算为何结果不同于int型位运算？
int和byte都可以表示负数，为什么转换为int进行 & ，与转换为byte进行&，为何结果不一样？
由结论2，知因为int i4 = (int)0xFF & (int)a;中的类型转换(int)并不会改变符号，那么是什么时候改变的呢？ 只可能是与0xFF进行&时，改变了a的符号。因为结果是255，但byte a = -1，而i2 = a值也是-1。
详细分析知，0xFF是1byte，而int是2byte。
由于a是int类型，4byte存储，实际a存储值 = 补码(a) = 反码(-a) + 1 = 反码(1) + 1 = ~0b0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001 + 1 = 0b1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 = 0xFFFF FFFF
可知，

int i4 = 0xFF & (int)a 
   = 0xFF & -1
   = 0xFF & 0xFFFF FFFF 
   = 0xFF，符号位为0，是正数 
=> i4 = 255

不妨将0xFF改成成0xFFFFFFFF，来验证上面的猜测：

byte a = (byte)0xFF;
...
int i4 = (int)0xFF & (int)a;
int i5 = 0xFFFFFFFF & a;

...
System.out.println(i4); // 打印255
System.out.println(i5); // 输出-1

可以得到i5 = -1，符合猜测预期。 因此，需要十分注意类型转换过程中值的变化，还有位宽的变化，特别是涉及到负数，因为计算机中存储的是补码，就会涉及到符号位。