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浅谈golang字符编码

1、 Golang 字符编码

Golang 的代码是由 Unicode 字符组成的,并由 Unicode 编码规范中的 UTF-8 编码格式进行编码并存储。

Unicode 是编码字符集,囊括了当今世界使用的全部语言和符号的字符。有三种编码形式:UTF-8UTF-16UTF-32。(UTF: Unicode Transformation Format,统一码转换格式)

在这几种编码格式的名称中,- 右边的整数的含义是,以多少个比特作为一个编码单元。以 UTF-8 为例,它会以 8 个比特也就是一个字节,作为一个编码单元。并且,它与标准的 ASCII 编码是完全兼容的。也就是说,在 [0x00, 0x7F]的范围内,这两种编码表示的字符都是相同的,这也是 UTF-8 编码格式的一个巨大优势(这里不探讨 UTF-16UTF-32)。

UTF-8 是一种可变长的编码方案。换句话说,它会用一个或多个字节来表示某个字符,最多使用四个字节。比如,对于一个英文字符,它仅用一个字节就可以表示,而对于一个中文字符,它需要使用三个字节才能够表示。不论怎样,一个受支持的字符总是可以由 UTF-8 编码为一个字节序列。以下会简称后者为 UTF-8 编码值。

在这里插入图片描述
从上图可知 UTF-8 的编码方式:

  • 什么时候读1个字节的字符?
    • 字节的第一位为0,后面7位为符号的unicode码。所以这样看,英语字母的utf-8ascii一致。
  • 什么时候读多个字节的字符?
    • 对于有n个字节的字符,(n>1)…. 其中第一个字节的高n位就为1,换句话说:
      • 第一个字节读到0,那就是读1个字节
      • 第一个字节读到n1,就要读n个字节
0xxxxxxx # 读1个字节
110xxxxx 10xxxxxx # 读2个字节
1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx #读3个字节
11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx #读4个字节Unicode符号范围      |        UTF-8编码方式
(十六进制)           |        (二进制)
------------------ -+---------------------------------------------
0000 0000-0000 007F | 0xxxxxxx
0000 0080-0000 07FF | 110xxxxx 10xxxxxx
0000 0800-0000 FFFF | 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0001 0000-0010 FFFF | 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

Unicode 是如何填充UTF-8各个字节的呢?

比如 这个汉字,对应的 unicode编码为 U+7801

  • 对应的十六进制处于 0000 0800-0000 FFFF 中,也就是 3 个字节,相应的二进制为 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
  • unicode编码为 U+7801 对应的二进制为 111100000000001,为了和接下来填充字节方便,这里做个格式优化 111 100000 000001
  • 从后向前填充,高位不够的补0
  • 000001 填充第三个字节(从左往右数)10000001
  • 100000 填充第二个字节 10100000
  • 111 填充第一个字节,高位不够的就补0,为 11100111
  • 最终结果为 11100111 10100000 10000001(对应的十六进制分别对应 e7 a0 81
func TestInt(t *testing.T) {s1 := "码"for i := 0; i < len(s1); i++ {fmt.Printf("%x ", s1[i])}
}

打印的结果为 e7 a0 81,和上面演算的一致。

2、string 数据结构

先来看看 Golangstring 的数据结构

type StringHeader struct {Data uintptrLen  int
}

其中包含指向字节数组的指针 Data 和数组的大小 Len,后者 Len 方便在 len() 时可以 O(1) 时间给出大小,就是常见的以空间换时间。字符串由字符组成,字符的底层由字节组成,而一个字符串在底层的表示是一个字节序列,这个字节序列就存储在 Data 里,不过是只读的。

import ("fmt""testing"
)func TestStr(t *testing.T) {str := "Hello World"fmt.Println(str)
}

把上面代码 go tool compile -S str_test.go > str_test.S 生成汇编代码,然后找到

go.string."Hello World" SRODATA dupok size=110x0000 48 65 6c 6c 6f 20 57 6f 72 6c 64                 Hello World

能够看到 Hello World 旁有一个 SRODATA 的标记,在 Golang 中编译器会将只读数据标记成 SRODATA

再来看看 slice 的数据结构

type SliceHeader struct {Data uintptrLen  intCap  int
}

相比 string 多了个 Cap,因此在 Golang 中,字符串实际上是只读的字节切片。

那么对于只读的 string,若是想要改值应该怎么弄呢?

func TestModifyString(t *testing.T) {str := "golang编程"l := []byte(str)l[0] = 'G'fmt.Println(string(l)) // Golang编程
}

转成相应的字节数组,然后以索引的形式更新值。

3、string 编码方式

前面说过,字符串由字符组成,字符的底层由字节组成,而一个字符串在底层的表示是一个字节序列。在 Golang 中,字符可以被分成两种类型处理:对占 1 个字节的英文类字符,可以使用 byte(或者 unit8);对占 1 ~ 4 个字节的其他字符,可以使用 rune(或者int32),如中文、特殊符号等。

// byte is an alias for uint8 and is equivalent to uint8 in all ways. It is
// used, by convention, to distinguish byte values from 8-bit unsigned
// integer values.
type byte = uint8// rune is an alias for int32 and is equivalent to int32 in all ways. It is
// used, by convention, to distinguish character values from integer values.
type rune = int32

可以看到 byterune 其实分别就是 uint8int32 的别名,byte1 个字节, rune4个字节。

func TestStrLen(t *testing.T) {str1 := "go"str2 := "go编程"fmt.Printf("%v len is %d\n", str1, len(str1))fmt.Printf("%v len is %d\n", str2, len(str2))}

运行后,发现 str1 长度为 2 这个没问题,但 str2 的长度不是 4 而是 8,这是什么原因呢?

先不着急找答案,看看下面的代码

func printBytes(s string) {fmt.Printf("Bytes: ")for i := 0; i < len(s); i++ {fmt.Printf("%x ", s[i]) // 按十六进制输出}fmt.Printf("\n")
}func printChars(s string) {fmt.Printf("Charaters: ")for i := 0; i < len(s); i++ {fmt.Printf("%c ", s[i]) // 将数字转换成它对应的 Unicode 字符}fmt.Printf("\n")
}func TestInt(t *testing.T) {s1 := "go编程"fmt.Printf("s1: %s, bytes len(s1)=%d\n", s1, len(s1))fmt.Printf("s1: %s, rune  len(s1)=%d\n", s1, len([]rune(s1)))printBytes(s1)printChars(s1)
}

运行后打印如下

s1: go编程, bytes len(s1)=8
s1: go编程, rune  len(s1)=4
Bytes: 67 6f e7 bc 96 e7 a8 8b 
Charaters: g o ç ¼ – ç ¨

仔细看,发现 rune 类型的输出了 4,另外 printChars 输出乱码了。

先来看看 rune 类型,是 int32 的别名,也就是说,一个 rune 类型的值会由 4 个字节宽度的空间来存储。它的存储空间总是能够存下一个 UTF-8 编码值。一个 rune 类型的值在底层其实就是一个 UTF-8 编码值。前者是(便于我们人类理解的)外部展现,后者是(便于计算机系统理解的)内在表达。

Golang 中常用 rune 类型来处理中文。printChars 之所以输出乱码,是因为在第一节中提到的在 UTF-8 中汉字是以三个字节存储的,len() 是按单字节来计算长度,因此对于三个字节的中文来说输出三分之铁定乱码。那么如何输出才不乱码呢?

func TestRune(t *testing.T) {str := "golang编程"l := []rune(str)for i := 0; i < len(l); i++ {fmt.Printf("%c ", l[i])}
}

打印输出 g o l a n g 编 程

当然了,还可以使用 for range 来打印字符串里的中文。

func TestRange(t *testing.T) {str := "golang编程"for i, s := range str {fmt.Printf("%d: %c\n", i, s)}
}

打印输出

0: g
1: o
2: l
3: a
4: n
5: g
6: 编
9: 程

那为什么会这样呢?原因就在 Golang 中,会把 for range 结构转换成如下所示的形式

	// Transform string range statements like "for v1, v2 = range a" intoha := afor hv1 := 0; hv1 < len(ha); {hv1t := hv1hv2 := rune(ha[hv1])if hv2 < utf8.RuneSelf {hv1++} else {hv2, hv1 = decoderune(ha, hv1)}v1, v2 = hv1t, hv2// original body}

for range 循环在迭代字符串时会逐个处理字符串中的 Unicode 码点(rune),而不是字节。由于 Golang 的原生字符串类型是以 UTF-8 编码的,UTF-8 是一种能够表示 Unicode 码点的变长编码方式,for range 循环能够正确处理这种编码。

通俗点就是 for range 会先把被遍历的字符串值拆成一个字节序列,然后再试图找出这个字节序列中包含的每一个 UTF-8 编码值,或者说每一个 Unicode字符。

func TestRange(t *testing.T) {str := "golang编程"for i, s := range str {fmt.Printf("%d: %c [% x]\n", i, s, []byte(string(s)))}
}

打印输出

0: g [67]
1: o [6f]
2: l [6c]
3: a [61]
4: n [6e]
5: g [67]
6:[e7 bc 96]
9:[e7 a8 8b]

由此可以看出,字符串中相邻 Unicode 字符的索引值不一定是连续的。 这取决于前一个 Unicode 字符是否为单字节字符(byte)。Golang 中的一个 string 类型值会由若干个 Unicode 字符组成,每个 Unicode 字符都可以由一个 rune 类型的值来承载。这些字符在底层都会被转换为 UTF-8 编码值,而这些 UTF-8 编码值又会以字节序列的形式表达和存储。因此,一个string 类型的值在底层就是一个能够表达若干个 UTF-8 编码值的字节序列。

ok,到这里了,发现两种不同的 for 循环在输出字符串的字符时会有所不同,这里做个归类

  • for-standalone 会遍历字符串的每一个字节(Byte类型),在遇到字符串中有汉字时会乱码
  • for-range 会遍历字符串的每一个 Unicode 字符(Rune 类型) ,在遇到字符串中有汉字时不会乱码

最后说说 stringbyterune 三者之间的关系。

  • string 在底层的表示是由单个字节组成的只读的字节序列,Golang 的字符串是以 UTF-8 编码存储的,这意味着它们可以包含任意的 Unicode 字符。Golang 把字符分 byterune 两种类型处理。
  • byte 是类型 unit8 的别名,用于存放占 1 个字节的 ASCII 字符,如英文字符,返回的是字符原始字节。由于 Golang 的字符串是以 UTF-8 编码的,一个 byte 可能表示一个字符的一部分(对于多字节字符如中文字符),也可能表示一个完整的字符(对于 ASCII 字符)。
  • rune 是类型 int32 的别名,用于存放多字节字符,如占 3 字节的中文字符,返回的是字符 Unicode 码点值(或者说它代表一个 Unicode 码点)。在处理字符串时,rune 用于表示字符串中的一个完整的 Unicode 字符,无论这个字符是由多少个字节组成的。rune 类型的变量可以存储任何 Unicode 字符,包括那些由多个字节表示的字符。

等等,等等,到这里,不妨再多看看。那么如果计算一个字符串的长度呢,用自带的 len() 函数对于单字节的字符串来说是准确的,若是带有中文字符这种多字节的字符串就不准确了,这时除了自己造轮子外,其实可以用 Golang 内置的 utf8.RuneCountInString 来统计。

func TestCountStr(t *testing.T) {str := "golang编程"fmt.Println(utf8.RuneCountInString(str)) // 8
}

有兴趣的读者可以看看其内部实现。

// RuneCountInString is like RuneCount but its input is a string.
func RuneCountInString(s string) (n int) {ns := len(s)for i := 0; i < ns; n++ {c := s[i]if c < RuneSelf {// ASCII fast pathi++continue}x := first[c]if x == xx {i++ // invalid.continue}size := int(x & 7)if i+size > ns {i++ // Short or invalid.continue}accept := acceptRanges[x>>4]if c := s[i+1]; c < accept.lo || accept.hi < c {size = 1} else if size == 2 {} else if c := s[i+2]; c < locb || hicb < c {size = 1} else if size == 3 {} else if c := s[i+3]; c < locb || hicb < c {size = 1}i += size}return n
}

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