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-8，UTF-16，UTF-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-16 及 UTF-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-8和ascii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n个1，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

那 Unicode 是如何填充UTF-8各个字节的呢？

比如 码 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
码 的 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 Golang 的 string 的数据结构

type StringHeader struct {
	Data uintptr
	Len  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=11
	0x0000 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 uintptr
	Len  int
	Cap  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 byte 、 rune 其实分别就是 uint8、int32 的别名，byte 占 1 个字节， rune 占 4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，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: 编 [e7 bc 96]
9: 程 [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 string、byte 和 rune 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 byte 和 rune 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 path
			i++
			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
}