Java 實現位元組陣列與十六進制字串的相互轉換

概述

在 Java 開發中，經常需要將位元組陣列（byte[]）轉換為十六進制字串表示，或者反向解析。這在網路傳輸、加密演算法、日誌記錄等場景非常常見。雖然 Apache Commons Codec 提供了現成的 Hex 工具類，但理解其核心實現原理並掌握一個輕量級、無依賴的實現方式同樣重要。

核心原理

一個位元組佔 8 位，而一個十六進制字符佔 4 位。因此，一個位元組可以拆分為高 4 位和低 4 位，分別對應一個十六進制字符。轉換時，透過位運算 (b >>> 4) & 0x0F 取高四位，b & 0x0F 取低四位，再映射到字符陣列 {'0'-'9', 'a'-'f'} 或 {'0'-'9', 'A'-'F'} 即可。

完整工具類實現

public class HexUtil {

    private static final char[] DIGITS_LOWER = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','a','b','c','d','e','f'};
    private static final char[] DIGITS_UPPER = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','A','B','C','D','E','F'};

    /** 位元組陣列轉十六進制字符陣列 */
    public static char[] encodeHex(byte[] data) {
        return encodeHex(data, true);
    }

    public static char[] encodeHex(byte[] data, boolean toLowerCase) {
        return encodeHex(data, toLowerCase ? DIGITS_LOWER : DIGITS_UPPER);
    }

    protected static char[] encodeHex(byte[] data, char[] toDigits) {
        int l = data.length;
        char[] out = new char[l << 1];
        for (int i = 0, j = 0; i < l; i++) {
            out[j++] = toDigits[(0xF0 & data[i]) >>> 4];
            out[j++] = toDigits[0x0F & data[i]];
        }
        return out;
    }

    /** 位元組陣列轉十六進制字串 */
    public static String encodeHexStr(byte[] data) {
        return new String(encodeHex(data));
    }

    public static String encodeHexStr(byte[] data, boolean toLowerCase) {
        return new String(encodeHex(data, toLowerCase));
    }

    /** 十六進制字符陣列轉位元組陣列 */
    public static byte[] decodeHex(char[] data) {
        int len = data.length;
        if ((len & 0x01) != 0) {
            throw new IllegalArgumentException("十六進制字符長度必須為偶數");
        }
        byte[] out = new byte[len >> 1];
        for (int i = 0, j = 0; j < len; i++) {
            int f = toDigit(data[j], j) << 4;
            j++;
            f |= toDigit(data[j], j);
            j++;
            out[i] = (byte) (f & 0xFF);
        }
        return out;
    }

    protected static int toDigit(char ch, int index) {
        int digit = Character.digit(ch, 16);
        if (digit == -1) {
            throw new IllegalArgumentException("非法十六進制字符: " + ch + " at index " + index);
        }
        return digit;
    }

    // 測試主方法
    public static void main(String[] args) {
        String src = "HelloWorld!";
        String encoded = encodeHexStr(src.getBytes(), false); // 大寫
        String decoded = new String(decodeHex(encoded.toCharArray()));
        System.out.println("原始字串: " + src);
        System.out.println("編碼結果: " + encoded);
        System.out.println("解碼結果: " + decoded);
    }
}

關鍵點解析

• 位運算效率：使用 >>> 無符號右移和 & 位與操作，避免了除法和取模的性能開銷。
• 大小寫切換：透過兩個預定義字符陣列 DIGITS_LOWER 和 DIGITS_UPPER 實現，無需字串操作。
• 異常處理：解碼時檢查長度奇偶性及字符合法性，拋出明確的 IllegalArgumentException。
• 零依賴：純 JDK 實現，適合不想引入第三方庫的輕量級專案。

使用建議

專案若已引入 commons-codec，優先使用 org.apache.commons.codec.binary.Hex；若為獨立模組或對依賴敏感，可直接複製上述 HexUtil 類使用。