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Java 字符串與 byte 數組互轉核心原理與高性能實現

編輯：Java 相關知識

核心原理：位運算與十六進制映射

1 byte = 8 位 = 2 個十六進制字符 (4 位/字符)

byte 值：123 (0x7B)
二進制：0111 1011
高 4 位：0111 (7) → 字符 '7'
低 4 位：1011 (B) → 字符 'B'
結果："7B"

方案一：查表法 (最高性能，推薦)

public class HexUtil {
    private static final char[] HEX_DIGITS = 
        {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','a','b','c','d','e','f'};

    /** byte[] → 十六進制字符串 */
    public static String bytesToHex(byte[] src) {
        if (src == null || src.length == 0) return "";
        char[] res = new char[src.length * 2];
        for (int i = 0, j = 0; i < src.length; i++) {
            res[j++] = HEX_DIGITS[(src[i] >>> 4) & 0x0F]; // 高 4 位 (無符號右移)
            res[j++] = HEX_DIGITS[src[i] & 0x0F];         // 低 4 位
        }
        return new String(res);
    }

    /** 十六進制字符串 → byte[] */
    public static byte[] hexToBytes(String hex) {
        if (hex == null || hex.isEmpty() || (hex.length() & 1) != 0) return null;
        byte[] bytes = new byte[hex.length() / 2];
        for (int i = 0; i < bytes.length; i++) {
            int high = Character.digit(hex.charAt(i * 2), 16);
            int low = Character.digit(hex.charAt(i * 2 + 1), 16);
            if (high == -1 || low == -1) return null; // 非法字符
            bytes[i] = (byte) ((high << 4) | low);
        }
        return bytes;
    }
}

方案二：BigInteger / String.format (簡潔但較慢)

// byte[] → Hex
public static String toHexBigInteger(byte[] bytes) {
    return new BigInteger(1, bytes).toString(16); // 注意：會丟失前導零
}

// Hex → byte[]
public static byte[] fromHexBigInteger(String hex) {
    return new BigInteger(hex, 16).toByteArray(); // 可能產生額外符號位
}

方案三：Java 17+ HexFormat (標準庫，推薦新項目)

import java.util.HexFormat;

public class ModernHexUtil {
    private static final HexFormat FORMAT = HexFormat.of().withUpperCase();

    public static String toHex(byte[] bytes) {
        return FORMAT.formatHex(bytes);
    }

    public static byte[] fromHex(String hex) {
        return FORMAT.parseHex(hex);
    }
}

實戰應用：文件 MD5 校驗

public static String getFileMD5(File file) throws IOException {
    try (FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
         DigestInputStream dis = new DigestInputStream(fis, MessageDigest.getInstance("MD5"))) {
        
        // 必須讀完流才能觸發摘要計算
        byte[] buffer = new byte[8192];
        while (dis.read(buffer) != -1) { /* 讀取觸發更新 */ }
        
        return HexUtil.bytesToHex(dis.getMessageDigest().digest());
    } catch (NoSuchAlgorithmException e) {
        throw new IllegalStateException("MD5 算法不可用", e);
    }
}