Java修炼终极指南:39. 在字节和十六进制编码字符串之间进行转换

在操纵文件/消息流、执行编码/解码任务、处理图像等应用中，将字节转换为十六进制（反之亦然）是一种常见的操作。Java字节是[-128, +127]范围内的数字，并使用1个有符号字节（8位）表示。十六进制（基数为16）是一个基于16个数字（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E和F）的系统。换句话说，一个字节值的这8位正好可以容纳范围在00到FF之间的2个十六进制字符。十进制 <-> 二进制 <-> 十六进制映射关系如图所示：

图 2.27 - 十进制到二进制到十六进制转换

例如，122在二进制中是01111010。因为0111在十六进制中是7，而1010是A，所以结果是122在十六进制中是7A（也写作0x7A）。那么负字节呢？从上一章我们知道，Java使用正数的二进制补码来表示负数。这意味着-122在二进制中是10000110（保留正数122=1111010的前7位，翻转(1111010)=0000101，加1(0000001)=00000110，并附加符号位1，得到10000110），在十六进制中是0x86。将负数转换为十六进制有多种方法，但我们可以轻松地将较低的4位获取为10000110 & 0xF = 0110，较高的四位为(10000110 >> 4) & 0xF = 1000 & 0xF = 1000（这里，0xF（二进制，1111）掩码仅对负数有用）。由于0110=6，1000=8，所以10000110在十六进制中是0x86。

如果你需要深入了解Java中的位操作，或者你在理解当前主题时遇到问题，那么请考虑阅读《Java完整编码面试指南》的第9章。因此，在代码行中，我们可以依赖这个简单算法和`Character.forDigit(int d, int r)`，它返回给定基数（r）下给定数字（d）的字符表示：

public static String byteToHexString(byte v) {  
  int higher = (v >> 4) & 0xF;  
  int lower = v & 0xF;  
  String result = String.valueOf(  
    new char[]{  
      Character.forDigit(higher, 16),  
      Character.forDigit(lower, 16)}  
    );  
  return result;  
}

解决这个问题的方法有很多（在捆绑的代码中，你可以看到这种解决方案的另一种风格）。例如，我们知道`Integer.toHexString(int n)`方法返回一个字符串，该字符串表示给定参数的无符号整数在基数16下的值，那么我们只需要对负数应用0xFF（二进制，11111111）掩码即可：

public static String byteToHexString(byte v) {  
  return Integer.toHexString(v & 0xFF);  
}

如果有一种方法我们应该避免，那就是基于`String.format()`的方法。`String.format("%02x ", byte_nr)`这种方法简洁但非常慢！那么反向过程呢？将一个给定的十六进制字符串（例如，7d、09等）转换为字节相当简单。只需获取给定字符串的第一个（d1）和第二个（d2）字符，并应用关系`(byte) ((d1 << 4) + d2)`：

public static byte hexToByte(String s) {  
  int d1 = Character.digit(s.charAt(0), 16);  
  int d2 = Character.digit(s.charAt(1), 16);  
  return (byte) ((d1 << 4) + d2);  
}

捆绑的代码中提供了更多示例。如果你依赖第三方库，那么请查看Apache Commons Codec（Hex.encodeHexString()）、Guava（BaseEncoding）、Spring Security（Hex.encode()）、Bouncy Castle（Hex.toHexString()）等，这个列表是开放的。

JDK 17+

从JDK 17开始，我们可以使用`java.util.HexFormat`类。这个类提供了许多静态方法来处理十六进制数，包括`String toHexDigits(byte value)`和`byte[] parseHex(CharSequence string)`。因此，我们可以将字节转换为十六进制字符串，如下所示：

public static String byteToHexString(byte v) {  
  HexFormat hex = HexFormat.of();  
  return hex.toHexDigits(v);  
}

反之亦然，如下所示：

public static byte hexToByte(String s) {  
  HexFormat hex = HexFormat.of();  
  return hex.parseHex(s)[0];  
}

在捆绑的代码中，你还可以看到这些解决方案的扩展，用于将字节数组（byte[]）转换为字符串，反之亦然。