Lua 5.1.5版本中如何将字节转换为有符号整数

问题背景 #

目前公开的字节转有符号整数实现大多依赖Lua 5.2及以上版本新增特性（如内置位运算、string.unpack接口等），无向下兼容能力，无法在Lua 5.1.5环境运行。已知无符号整数转换参考代码如下：

payload_t.temperature=tonumber(utility.hex2str(string.sub(payload,32,33)),16)

实现原理 #

有符号整数在字节流中以补码形式存储，转换核心逻辑为：

1. 先按已有逻辑完成字节到无符号整数的转换
2. 判断无符号值是否超过对应位宽有符号整数的正数上限（即最高符号位是否为1）
3. 若符号位为1，将无符号值减去2的位宽次幂，即可得到对应的负向有符号值；若符号位为0，直接返回无符号值即可

该逻辑全程使用Lua 5.1原生支持的数值运算语法，无版本兼容问题，不需要引入第三方依赖。

可直接复用的代码 #

通用转换函数 #

-- @param unsigned_val: 转换得到的无符号整数值
-- @param bit_width: 目标有符号整数的位宽，常用值为8/16/32
-- @return 补码转换后的有符号整数
function to_signed(unsigned_val, bit_width)
    local sign_threshold = 2 ^ (bit_width - 1)
    if unsigned_val >= sign_threshold then
        return unsigned_val - 2 ^ bit_width
    end
    return unsigned_val
end

适配现有业务的调用示例 #

以当前读取2字节（16位）温度值的场景为例，直接在原有无符号转换逻辑后追加调用即可：

-- 原有逻辑取16位无符号值
local temp_unsigned = tonumber(utility.hex2str(string.sub(payload,32,33)),16)
-- 转换为16位有符号整数
payload_t.temperature = to_signed(temp_unsigned, 16)

常用位宽参数参考 #

• 单字节8位有符号整数：位宽参数传8，取值范围-128~127
• 双字节16位有符号整数：位宽参数传16，取值范围-32768~32767，为多数传感器温度、电流等模拟量的通用存储格式
• 四字节32位有符号整数：位宽参数传32，取值范围-2147483648~2147483647

注意：如果待转换字节为小端序，需要先调整字节顺序再计算无符号值，上述补码转换逻辑不受字节序影响。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者cMod