[Java SE] 经典问题：超出Java Long型(8字节/64位)的二进制比特流数据如何进行大数的数值计算？

0 问题描述

  • 经典问题：超出Java Long型(8字节/64位)的二进制比特流数据如何进行大数的数值计算？

近期工作上遇到了这个问题：需要将一个无符号数、且位长>=8字节（等于8字节时，首位bit为1，其他bit不全为0）的二进制字符串转为Java对象(此处我先称之为：原始整数)，进行整型运算、或浮点数运算

浮点运算的思路：result = 原始整数 * 精度 + 偏移量

  • 原来的思路：（存在问题）
Long originIntegerValue = Long.parseLong(binaryString, 2); //将二进制字符串转为Long整型对象(有符号数、容量：8byte/64bit)
BigDecimal resolution = new BigDecimal( getResolution().toString() );
BigDecimal calResult = (new BigDecimal(originIntegerValue)).multiply(resolution.stripTrailingZeros()).add(new BigDecimal( getOffset().toString() ));//最终基于浮点数运算

在上面这种极端情况下，第1行代码会报错：(超出了Java Long对象的取值范围)

Exception in thread "main" java.lang.NumberFormatException: For input string: "1100000001000000110010110000000000000000000000000000000000000000"
  at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
  at java.lang.Long.parseLong(Long.java:592)
  • 复习一下 ： Java Long 型(8Byte / 64Bit)的取值范围
[-2^ 63= -9223372036854775808 , +2^ 63 -1 = 9223372036854775807 ]

[1000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000, 0111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111111]
即：
10000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000 00000000
01111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111 11111111

补充：Java的Float的取值范围：

  • Float.MAX_VALUE : 3.4028235E38
  • Float.MIN_VALUE : 1.4E-45

  • 解决思路：将二进制字符串转为byte数组，再转为BigInteger大整型数。即可基于BigInteger对象进行整数运算。如果基于进行浮点运算时，可将 BigInteger 大整型数对象再转为 BigDecimal。
  • BigInteger originIntegerValue= new BigInteger(1, bytes) // 使用字节数组创建BigInteger

【扩展/补充】BigInteger还支持 Long /

  • new BigDecimal bigDecimal = new BigDecimal(originIntegerValue) //最终，基于bigDecimal进行浮点数运算

1 关键问题的实现过程示例

  • 现在的关键点，转为了：如何将二进制字符串转为BigInteger （转换过程中不能借助Long）

  • 二进制数据："1100000001000000110010110000000000000000000000000000000000000000" （需考虑————情况1：作为有符号数；情况2：作为无符号数）

16进制：0xc040cb0000000000L

11000000 
01000000
11001011
00000000
00000000
00000000
00000000
00000000

1.1 测试用例1：无符号数、且位长>=8字节（等于8字节时，首位bit为1，其他bit不全为0）的情况

    /** 针对 长度为 64 bit、无符号数 的CAN信号，且第1位为1的情况 ：使用 BigInteger
     * @description Java中没有内置的无符号8字节整数类型，但是可以使用 `java.math.BigInteger` 类来处理任意大的整数值，包括无符号整数
     * @refernce-doc
     **/
    public static void unsigned8BytesDataTest(){
        // 一个8字节的无符号整数
        long longValue =  0xc040cb0000000000L; //0x10000000000000000L;
        String longStr = "c040cb0000000000";//canFrameContent
        // 转为二进制字符串
        String binStr = BytesUtil.hexStringToBinaryString(longStr);
        System.out.println("binStr: " + binStr);//1100000001000000110010110000000000000000000000000000000000000000

        // 将无符号长整数转换为 BigInteger | 方式1: BigInteger
        BigInteger value = toUnsignedBigInteger(longValue);
        System.out.println("value : " + value);//1385 3295 6546 5208 4224

        //二进制字符串转Java数据对象 | 测验 Long.parseLong(binStr , 2) | 若没有报错，则说明OK
        BigInteger value2 = toUnsignedBigInteger(binStr);
        System.out.println("value2 : " + value2);//1385 3295 6546 5208 4224

        //二进制字符串转Java数据对象 | 测验 Long.parseLong(binStr , 2) | 若没有报错，则说明OK
        Long value3 = Long.parseLong(binStr, 2);
        System.out.println("value3 : " + value3);//报错信息如下
//        Exception in thread "main" java.lang.NumberFormatException: For input string: "1100000001000000110010110000000000000000000000000000000000000000"
//        at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
//        at java.lang.Long.parseLong(Long.java:592)
//        at ParseTest.unsigned8BytesDataTest(ParseTest.java:213)
//        at ParseTest.main(ParseTest.java:29)
        }

1.2 测试用例2：有符号数、且位长>=8字节（等于8字节时，首位bit为1，其他bit不全为0）的情况

    /**
     * 有符号数、8字节
     * 最终目标: 二进制字符串 转 Java 数据对象
     */
    public static void signed8BytesDataTest(){
        // 一个8字节的无符号整数
        long longValue =  0xc040cb0000000000L; //0x10000000000000000L;
        String longStr = "c040cb0000000000";//canFrameContent
        // 转为二进制字符串
        String binStr = BytesUtil.hexStringToBinaryString(longStr);
        System.out.println("binStr: " + binStr);//1100000001000000110010110000000000000000000000000000000000000000

        // 将有符号长整数转换为 BigInteger | 方式1: BigInteger
        BigInteger value = toUnsignedBigInteger(longValue);
        System.out.println("value : " + value);//-459 3448 4190 5746 7392

        //二进制字符串转Java数据对象 | 测验 Long.parseLong(binStr , 2) | 若没有报错，则说明OK
        BigInteger value2 = toUnsignedBigInteger(binStr);
        System.out.println("value2 : " + value2);//1385 3295 6546 5208 4224

        //二进制字符串转Java数据对象 | 测验 Long.parseLong(binStr , 2) | 若没有报错，则说明OK
        Long value3 = Long.parseLong(binStr, 2);
        System.out.println("value3 : " + value3);//报错信息如下
//        Exception in thread "main" java.lang.NumberFormatException: For input string: "1100000001000000110010110000000000000000000000000000000000000000"
//        at java.lang.NumberFormatException.forInputString(NumberFormatException.java:65)
//        at java.lang.Long.parseLong(Long.java:592)
//        at ParseTest.signed8BytesDataTest(ParseTest.java:241)
//        at ParseTest.main(ParseTest.java:30)
    }

1.X 工具方法

toUnsignedBigInteger(long unsignedLong/String binStr)

    private static BigInteger toUnsignedBigInteger(long unsignedLong) {
        // 将无符号的8字节长整数转换为字节数组
        byte[] bytes = ByteBuffer.allocate(8).putLong(unsignedLong).array();

        // 使用字节数组创建BigInteger
        return new BigInteger(1, bytes);
    }

    /** 二进制字符串 **/
    private static BigInteger toUnsignedBigInteger(String binStr) {
        byte[] bytes = null;
        try {
            // 将无符号的8字节长整数转换为字节数组
            bytes = BytesUtil.binaryStringToBinaryArray(binStr);
        } catch (Exception exception) {
            log.error("Fail to convert as big integer!binStr : {}, exception : {}", binStr, exception);
        }

        // 使用字节数组创建BigInteger
        return new BigInteger(1, bytes);
    }

binaryStringToBinaryArray(binStr)

    /**
     * 二进制字符串转二进制数组
     * @param binaryString
     * @return
     */
    public static byte[] binaryStringToBinaryArray(String binaryString) {
        if(ObjectUtils.isEmpty(binaryString)){
            throw new RuntimeException("Fail to convert binary array cause by the empty binary string! binaryString : " + binaryString);
        }
        if(binaryString.length() %8 != 0){//不是8的倍数
            throw new RuntimeException("Fail to convert binary array cause that the binary string is not a multiple of 8! binaryString : " + binaryString);
        }

//        char [] charArray =  binaryString.toCharArray() // string 内部由 2个字节的char组成的 char 数组 , 故: 这种转换做法有风险
//        byte [] binaryArray = new byte [ binaryString.length() ];
//        for (int i = 0; i < charArray.length; i ++) {
//            //binaryArray[i] = (byte)charArray[i]; // java char 占用 : 2个字节 ; java byte 占用 1个字节 => 这种做法不正确
//            binaryArray[i]
//        }

        int byteSize = binaryString.length()/8;
        byte[] binaryArray = new byte[byteSize];
        for (int i = 0; i < byteSize; i ++) {
            String byteBinaryStr = binaryString.substring(i*8, i*8 + 8);//sample "01001000"
            binaryArray[i] = binaryStringToByte(byteBinaryStr);
        }
        return binaryArray;
    }

X 参考文献

posted @ 2024-04-13 17:16  千千寰宇  阅读(170)  评论(0)  编辑  收藏  举报