理解Java字节码

Question

昨天在工作中，我需要编写一个应用程序来计算AFP文件中的页面数。于是，我翻阅了我的MO:DCA规范PDF，并找到了结构化字段BPG（开始页）及其3字节标识符。由于该应用程序需要在AIX平台上运行，所以我决定使用Java语言编写。

为了达到最高效率，我决定只读取每个结构化字段的前6个字节，然后跳过字段中的其余字节。这样可以得到：

0: Start of field byte
1-2: 2-byte length of field
3-5: 3-byte sequence identifying the type of field

如果字段类型是BPG，我会检查并增加页面计数器，否则不会增加。然后我会跳过该字段中的剩余字节，而不是读取它们。在这里，在跳过（实际上是字段长度）时，我发现Java使用有符号字节。

我进行了一些搜索，找到了相当多有用的信息。当然，最有用的是指令要对0xff进行按位&操作，以获得无符号整数值。这对于我获取可用于计算要跳过的字节数的长度是必要的。

我现在知道，在128处，我们从-128开始倒数。我想知道的是按位运算如何工作，更具体地说，如何得出负数的二进制表示。

如果我正确理解按位&，那么你的结果等于一个数字，其中只有两个数字的公共位被设置。因此，假设byte b = -128，我们会有：

b & 0xff // 128

1000 0000-128
1111 1111 255
---------
1000 0000 128

那么，如何得到-128的二进制表示为10000000？那么如何获取一些不太明显的数字的二进制表示，例如-72或者-64？

- Brian Warshaw

Answer 1

为了获得负数的二进制表示，需要计算二进制补码:

• 获取正数的二进制表示
• 反转所有比特位
• 加1

我们以-72为例：

0100 1000    72
1011 0111    All bits inverted
1011 1000    Add one

所以-72的二进制（8位）表示为10111000。

实际上发生的是：您的文件具有值为10111000的字节。 当将其解释为无符号字节（这可能是您想要的），它的值为88。

在Java中，当此字节用作int时（例如因为read()返回一个int或因为隐式提升），它将被解释为有符号字节，并扩展为11111111 11111111 11111111 10111000。 这是一个值为-72的整数。

通过与0xff进行AND运算，您仅保留最低的8位，因此您的整数现在为00000000 00000000 00000000 10111000，它的值为88。

- Grodriguez

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+1 是因为提到了该操作在带符号扩展的 int 中进行。 - Thorbjørn Ravn Andersen

这正是我想要的，非常感谢。这就是我喜欢Stackoverflow的原因。 - Brian Warshaw

Answer 2

我想知道的是这里的位运算是如何工作的，更具体地说，我如何得到负数的二进制表示法。

负数的二进制表示法是对应正数按位取反并加1得到的。这种表示法称为二进制补码。

- sepp2k

Answer 3

不太确定你真正想要什么 :) 我猜你是在问如何提取一个有符号的多字节值？首先，看看当你对单个字节进行符号扩展时会发生什么：

byte[] b = new byte[] { -128 };
int i = b[0];
System.out.println(i); // prints -128!

所以，符号正确地扩展到32位，而不需要做任何特殊处理。字节1000 0000正确扩展为1111 1111 1111 1111 1111 1111 1000 0000。 您已经知道如何通过AND与0xFF抑制符号扩展-对于多字节值，您只希望最高有效字节的符号被扩展，而较不重要的字节则希望将其视为无符号（示例假定网络字节顺序，16位int值）：

byte[] b = new byte[] { -128, 1 }; // 0x80, 0x01
int i = (b[0] << 8) | (b[1] & 0xFF);
System.out.println(i); // prints -32767!
System.out.println(Integer.toHexString(i)); // prints ffff8001

您需要抑制除最高位字节以外的每个字节的符号扩展，以便将有符号的32位整数提取为64位长整型：

byte[] b = new byte[] { -54, -2, -70, -66 }; // 0xca, 0xfe, 0xba, 0xbe
long l = ( b[0]         << 24) |
         ((b[1] & 0xFF) << 16) |
         ((b[2] & 0xFF) <<  8) |
         ((b[3] & 0xFF)      );
System.out.println(l); // prints -889275714
System.out.println(Long.toHexString(l)); // prints ffffffffcafebabe

注意：在基于英特尔的系统中，字节通常以相反的顺序存储（最不重要的字节在前），因为x86体系结构将较大的实体按此顺序在内存中存储。许多源自x86的软件也在文件格式中使用它。

- Durandal

Answer 4

我猜这里的魔法在于将字节存储在一个更大的容器中，可能是32位整数。如果将字节解释为有符号字节，则会扩展为在32位整数中表示相同数字，即如果字节的最高有效位（第一个）为1，则在该1左侧的所有位也都变成了1（这是由于负数的表示方式，即二进制补码）。

现在，如果你对该int执行& 0xFF操作，你就可以截断那些1，并得到一个“正”int，表示你读取的字节值。

- DarkDust

Answer 5

对于设置了第7位的字节：

unsigned_value = signed_value + 256

在数学上，当您使用字节进行计算时，您会进行模256计算。有符号和无符号之间的区别是您为等价类选择不同的代表，而基础位模式表示对于每个等价类都保持不变。这也解释了为什么加法，减法和乘法具有相同的位模式结果，无论您是使用有符号还是无符号整数进行计算。

- starblue

Answer 6

要获取无符号字节值，您可以采用以下两种方法。

int u = b & 0xFF;

或者

int u = b < 0 ? b + 256 : b;

- Peter Lawrey