無法理解的Java二進制補

Question

我有這樣的代碼：

package com.company; 

import java.net.InetAddress; 
import java.net.UnknownHostException; 

public class Main { 

    private final static int broadcast = 0xffffffff; //4294967295, or 255.255.255.255 
    private final static int firstClassE = 0xf0000000; //4026531840, or 240.0.0.0 

    public static int GetIntInetAddress(InetAddress toConvert) 
    { 
     final byte[] addr = toConvert.getAddress(); 

     final int ipAddr = 
       ((addr[0] & 0xFF) << (3 * 8)) + 
         ((addr[1] & 0xFF) << (2 * 8)) + 
         ((addr[2] & 0xFF) << (1 * 8)) + 
         (addr[3] & 0xFF); 

     return ipAddr; 
    } 

    public static Boolean IsClassEAddress(InetAddress address) 
    { 
     int curAddr = GetIntInetAddress(address); 
     Boolean test1 = curAddr >= firstClassE; 
     Boolean test2 = curAddr < broadcast; 
     System.out.println(String.format("\ncurAddr: %s, firstClassE: 240.0.0.0, broadcast: 255.255.255.255", address.getHostAddress())); 
     System.out.println(String.format("curAddr: %d, firstClassE: %d, broadcast: %d, curAddr >= firstClassE: %s, curAddr < broadcast: %s", 
             curAddr, firstClassE, broadcast, test1 ? "true" : "false", test2 ? "true" : "false")); 
     return (test1 && test2) ? true : false; 
    } 

    public static void main(String[] args) throws UnknownHostException 
    { 
     if (IsClassEAddress(InetAddress.getByName("1.0.0.0"))) 
     { 
      // Raise a flag 
      System.out.println("Class E IP address detected."); 
     } 
     if (IsClassEAddress(InetAddress.getByName("250.0.0.0"))) 
     { 
      // Raise a flag 
      System.out.println("Class E IP address detected."); 
     } 
     if (IsClassEAddress(InetAddress.getByName("239.255.255.255"))) 
     { 
      // Raise a flag 
      System.out.println("Class E IP address detected."); 
     } 
     if (IsClassEAddress(InetAddress.getByName("240.0.0.0"))) 
     { 
      // Raise a flag 
      System.out.println("Class E IP address detected."); 
     } 
     if (IsClassEAddress(InetAddress.getByName("240.0.0.1"))) 
     { 
      // Raise a flag 
      System.out.println("Class E IP address detected."); 
     } 
     if (IsClassEAddress(InetAddress.getByName("255.255.255.255"))) 
     { 
      // Raise a flag 
      System.out.println("Class E IP address detected."); 
     } 
    } 
} 

將會產生以下的輸出：

curAddr: 1.0.0.0, firstClassE: 240.0.0.0, broadcast: 255.255.255.255 
curAddr: 16777216, firstClassE: -268435456, broadcast: -1, curAddr >= firstClassE: true, curAddr < broadcast: false 

curAddr: 250.0.0.0, firstClassE: 240.0.0.0, broadcast: 255.255.255.255 
curAddr: -100663296, firstClassE: -268435456, broadcast: -1, curAddr >= firstClassE: true, curAddr < broadcast: true 
Class E IP address detected. 

curAddr: 239.255.255.255, firstClassE: 240.0.0.0, broadcast: 255.255.255.255 
curAddr: -268435457, firstClassE: -268435456, broadcast: -1, curAddr >= firstClassE: false, curAddr < broadcast: true 

curAddr: 240.0.0.0, firstClassE: 240.0.0.0, broadcast: 255.255.255.255 
curAddr: -268435456, firstClassE: -268435456, broadcast: -1, curAddr >= firstClassE: true, curAddr < broadcast: true 
Class E IP address detected. 

curAddr: 240.0.0.1, firstClassE: 240.0.0.0, broadcast: 255.255.255.255 
curAddr: -268435455, firstClassE: -268435456, broadcast: -1, curAddr >= firstClassE: true, curAddr < broadcast: true 
Class E IP address detected. 

curAddr: 255.255.255.255, firstClassE: 240.0.0.0, broadcast: 255.255.255.255 
curAddr: -1, firstClassE: -268435456, broadcast: -1, curAddr >= firstClassE: true, curAddr < broadcast: false 

什麼我不理解就是爲什麼數字和比較是不是我所期望他們是，但代碼產生我想要的結果。我認爲這是整個兩個補充的東西，我只是因爲某些原因不「得到」。從機制上講，我知道它（二進制補碼）是翻轉位和加1，但我沒有得到的是，爲什麼我的比較正常工作，如果一些數字倒置？

例如，在第一次檢查IP 1.0.0.0時，檢查int值16777216以查看它是否小於255.255.255.255的int值，即-1。結果是錯誤的，但廣播IP在轉換爲int時顯然比IP爲1.0.0.0的IP更大，而不是更小。同樣，當我們知道顯然不是這種情況時，對於1.0.0.0至少或高於240.0.0.0的檢查返回true。

我檢查了邊界情況，一切正常......我只是不明白它爲什麼（我寫了代碼，所以去圖！）。如果有一個更明確的方法來確定一個IP是否在一個範圍內失敗，我想探討一下，儘管我的工作方式一定沒有道理（或者是否這樣做）？

在IntelliJ中，還有一種奇怪的這種行爲的例子。當我檢查地址時，檢查員顯示正確的值和負值，正如我在下面的圖片中用紅色箭頭突出顯示的那樣。使用Windows calc，我放入-84並轉換爲十六進制並收到FFF ... FAC。當我輸入172時，我只收到AC ...爲什麼我會得到相同的十六進制數字，前面是最​​高位置處的1？

UPDATE：

感謝所有的患者討論和偉大的答案！我認爲我掌握了這個東西的機制，但仍然在處理使用的微妙之處。 :)乾杯！

Answer 1

總之，如果地址介於240.0.0.0和255.255.255.254之間（含），您希望IsClassEAddress(InetAddress address)返回true。這需要2行代碼：

public static Boolean IsClassEAddress(InetAddress address) 
{ 
    int curAddr = GetIntInetAddress(address); 
    return ((curAddr & 0xF0000000) == 0xF0000000) && (curAddr != 0xFFFFFFFF); 
} 

Answer 2

你是對的，這是一個二進制補碼問題，我只能建議你閱讀它，並最終得到它 - 它會一次又一次地咬你在各種整數溢出問題（它甚至用於一些核心Java庫）。

問題本身就是在Java Integer中存儲從 - （2^31）到（2^31）-1的數字。 255 * 255 * 255 * 255的值是2^32 - 1。它的不能表示爲作爲有符號整數。因此，當你將IP轉換爲時，簽署的 int對於你來說並不合理。如果你想比較IP和內置的「小於」，使用一個IP將實際適合的原語 - 如long。

第二部分發生的事情也是如此。一個簽署的byte保存從-128到127的值。你在那裏放255。你爲什麼期待一個理智的結果？現在如果你使用無符號算術，其中字節持有0..255，它一切正常。

Answer 3

在32位二進制補碼數中，非負整數是0x00000000 - 0x7fffffff，並且這些以普通方式從十六進制轉換爲十進制。

的最低（即最負）號在機表示爲0x80000000（即最高階位和沒有其它位被置位）。該位設置的真正含義是將31位低位指示的正整數加到-(0x80000000)。

練習：32位二進制補碼中的數字-84是多少？既然它是負數，我們必須設置高位。所以我們從-(0x80000000) = -2147483648開始。現在，您可以用代數解決什麼其他31位需要：

-2147483648 + x = -84 
=> x = 2147483648 - 84 
=> x = 2147483564 
=> x = 0x7fffffac 

它應該是顯而易見的，如果你把0x80000000 | 0x7fffffac，你0xffffffac。

也應該很明顯，0x7fffffac = (0x7f000000 + 0xff0000 + 0xff00 + 0xac)和括號中的表達式相當於(2130706432 + 16711680 + 65280 + 172)。低位字節等於十進制172的事實在沒有考慮其他3個字節的情況下是沒有意義的。

你比較

現在你提到你的比較是「不是你期望他們是」。我不知道你期望他們是什麼，因爲你沒有解釋，但我猜你是想要一個true IP地址的返回值在[240.0.0.0 .. 255.255.255.255)範圍內，不包括範圍的右側。這意味着IP地址的範圍不包括[0xf0000000 .. 0xffffffff)。

如果這些是32位二進制補碼整數，則這是範圍[-268435456, -1)，因此任何形式爲(0xf0000000 <= ip_addr && ip_addr < 0xffffffff)的表達式都會給出正確的結果。

由於函數返回上述表達式的更復雜的版本，因此它會給出正確的結果。

順便說一句，您是否熟悉boolean類型？你的方法是否需要返回一個盒裝原語（，即Boolean）？

Answer 4

正確比較有幾種方法可以確保32位無符號整數：

1）使用Integer.compareUnsigned，這是在Java中加入8

2）使用long，而不是一個int 。如果值構造得當，結果將是0到2的正整數，然後可以比較沒有問題。您必須小心鑄造和按位操作的順序，以免事物延長。這工作：

final long ipAddr = 
      (((long)addr[0] & 0xFF) << (3 * 8)) + 
      (((long)addr[1] & 0xFF) << (2 * 8)) + 
      (((long)addr[2] & 0xFF) << (1 * 8)) + 
      ((long)addr[3] & 0xFF); 

當每個byte被轉換爲long，這將簽署延長，但& 0xFF零添加符號擴展的任何1位。

3）寫一個compare的方法，或lessThan或lessThanOrEqual或任何你需要的，說明的跡象。像這樣的方法在參數有不同符號時必須有特殊情況。例如：

static int compareUnsigned(int x, int y) { 
    if (x >= 0 && y < 0) { 
     return -1;  // y is actually greater than x if unsigned 
    } 
    else if (x < 0 && y >= 0) { 
     return 1;   // x is greater than y if unsigned 
    } else { 
     return Integer.compare(x, y); 
    } 
} 

，或者更緊湊，

static int compareUnsigned(int x, int y) { 
    if (((x^y) & 0x80000000) != 0) { // see if x and y have different signs 
     return (x < 0) ? 1 : -1;  
    } else { 
     return Integer.compare(x, y); 
    } 
} 

其實，這是它是如何在Java 8源完成：

static int compareUnsigned(int x, int y) { 
    return Integer.compare(x + Integer.MIN_VALUE, y + Integer.MIN_VALUE); 
} 

這是我沒有想到的所有的。