理解 Octet 类结构
在开始实现加法之前，我们首先需要理解 octet 类的基本结构。这个类旨在表示一个8位的二进制数，并提供了从字符串构造以及转换为字符串的方法。
public class Octet {
int[] x = new int[8]; // 存储8位二进制数的数组
// 构造函数：接受一个8位二进制字符串
Octet(String s){
if (s.length() != 8) {
System.out.println("Too few or too many characters");
// 实际应用中，这里应抛出IllegalArgumentException
return;
}
for (int i = 0; i < 8; i++) {
// 将字符串从左到右的位映射到数组的从右到左（低位到高位）
if (s.charAt(i) == '1') {
x[7 - i] = 1;
} else {
x[7 - i] = 0;
}
}
}
// 将Octet对象转换为二进制字符串
String octetToString() {
StringBuilder result = new StringBuilder();
for (int i = 7; i >= 0; i--) { // 从高位到低位构建字符串
result.append(x[i]);
}
return result.toString();
}
// 待实现的加法方法
// Octet sum(Octet y){ ... }
}请注意，原始 octetToString 方法的循环方向是错误的，它会反转二进制字符串。正确的实现应该从高位（x[7]）到低位（x[0]）构建字符串。上述代码已修正。
实现 sum 方法：核心逻辑
实现两个 Octet 对象相加并返回一个新的 Octet 对象，最直观且易于理解的方法是利用Java内置的整数运算能力。这涉及以下几个步骤：
- 转换为十进制整数： 将当前 Octet 对象和作为参数传入的 Octet 对象都转换为它们的十进制整数表示。
- 执行十进制加法： 对这两个十进制整数进行标准的加法运算。
- 转换回二进制字符串： 将加法结果的十进制数转换回二进制字符串。
- 处理结果位数： 确保生成的二进制字符串是8位，不足8位时进行左侧补零，超过8位时进行错误处理。
- 构造新的 Octet 对象： 使用处理后的8位二进制字符串构造并返回一个新的 Octet 对象。
下面是 sum 方法的具体实现：
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public class Octet {
int[] x = new int[8];
Octet(String s){
if (s.length() != 8) {
// 抛出异常而非打印错误，更符合API设计规范
throw new IllegalArgumentException("Binary string must be exactly 8 characters long.");
}
for (int i = 0; i < 8; i++) {
if (s.charAt(i) == '1') {
x[7 - i] = 1;
} else if (s.charAt(i) == '0') {
x[7 - i] = 0;
} else {
throw new IllegalArgumentException("Binary string contains non-binary characters.");
}
}
}
String octetToString() {
StringBuilder result = new StringBuilder();
for (int i = 7; i >= 0; i--) { // 从高位到低位构建字符串
result.append(x[i]);
}
return result.toString();
}
/**
* 将当前Octet对象与另一个Octet对象相加，并返回一个新的Octet对象。
* @param y 另一个Octet对象
* @return 两个Octet对象之和，以新的Octet对象形式返回。
* @throws ArithmeticException 如果和超出了8位二进制数的表示范围。
*/
Octet sum(Octet y){
// 1. 将当前Octet和参数Octet转换为十进制整数
// Integer.parseInt(String s, int radix) 方法用于将指定基数的字符串转换为整数
int o1 = Integer.parseInt(this.octetToString(), 2); // 'this' 指当前对象
int o2 = Integer.parseInt(y.octetToString(), 2);
// 2. 执行十进制加法
int sumDecimal = o1 + o2;
// 3. 将十进制和转换为二进制字符串
String binarySum = Integer.toBinaryString(sumDecimal);
// 4. 处理结果位数
// 检查是否溢出（超过8位）
if (binarySum.length() > 8) {
// 抛出异常，表示结果无法用8位Octet表示
throw new ArithmeticException("Sum of octets exceeds 8 bits: " + binarySum);
}
// 如果结果位数少于8位，则在前面补零
StringBuilder paddedBinarySum = new StringBuilder(binarySum);
while (paddedBinarySum.length() < 8) {
paddedBinarySum.insert(0, "0"); // 在开头插入'0'
}
// 5. 构造并返回新的Octet对象
return new Octet(paddedBinarySum.toString());
}
// 示例：添加一个main方法进行测试
public static void main(String[] args) {
Octet octet1 = new Octet("00000001"); // 1
Octet octet2 = new Octet("00000010"); // 2
Octet octet3 = new Octet("11111111"); // 255
Octet octet4 = new Octet("00000001"); // 1
try {
Octet result1 = octet1.sum(octet2);
System.out.println("00000001 + 00000010 = " + result1.octetToString()); // 00000011 (3)
Octet result2 = octet3.sum(octet4);
System.out.println("11111111 + 00000001 = " + result2.octetToString()); // 00000000 (0, 溢出后取低8位)
} catch (ArithmeticException e) {
System.out.println("Error: " + e.getMessage()); // 预期会捕获溢出错误
}
Octet octet5 = new Octet("00000101"); // 5
Octet octet6 = new Octet("00000011"); // 3
Octet result3 = octet5.sum(octet6);
System.out.println("00000101 + 00000011 = " + result3.octetToString()); // 00001000 (8)
}
}注意事项与总结
-
溢出处理： 上述 sum 方法在结果超过8位时会抛出 ArithmeticException。这是一种明确的错误处理方式，因为一个8位的 Octet 无法表示大于255的数值。在某些应用场景中，你可能需要不同的溢出策略，例如截断（只保留低8位）或返回一个指示溢出的特殊值。
- 如果需要截断，可以将 if (binarySum.length() > 8) 块替换为 binarySum = binarySum.substring(binarySum.length() - 8);。
- 构造函数健壮性： 原始 Octet 构造函数在输入不合法时仅打印错误并返回。在专业代码中，更推荐抛出 IllegalArgumentException，以便调用者能明确处理这些错误。上述代码已对构造函数进行了改进。
- 性能考量： 这种通过字符串和十进制整数进行转换的方法易于理解和实现，但在对大量 Octet 对象进行频繁运算时，可能会引入额外的性能开销。如果性能是关键因素，可以考虑实现基于位操作的加法逻辑，但这会增加代码的复杂性。
- 无符号整数： Octet 类通常代表无符号的8位二进制数（0-255）。当前实现符合这一假设，因为 Integer.parseInt(..., 2) 和 Integer.toBinaryString(...) 都是基于无符号整数的。
通过上述方法，我们成功为自定义的 Octet 类实现了加法运算，使其能够像基本数据类型一样进行操作，同时兼顾了数据的正确性和边界条件的处理。
