乱码引发的编码思考

时间：2015-02-08 06:45:58 阅读：162 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

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乱码是软件开发中的常见问题，程序员如果对码不清楚的话经常会被各种码搞得晕头转向，我在开发一个JavaWeb项目时也遇到了一些乱码的问题，百思不得其解，最后通过阅读源码和一定的猜测，对编码和乱码问题有了一定的心得体会，故记录下来（如果只想深入了解Java中的编码相关内容的话可以直接看红字下面的部分）：

问题来由：在http get方法中url后面添加query string，使用中文作为参数，提交到服务器导致乱码，比如一个请求：

http://localhost:8080/register?userName=小波波，最后到达服务器时调用request.getParameter("userName")就变成了乱码。

问题分析：

网上查阅了一大堆的方法，有设置charsetEncoding的，有设置URIEncoding的，有new String(params.getBytes("ISO-8859-1"), "utf-8")转化一下的;

然后我就开始各种尝试，发现有时候能扭转乱码，有时候变成其他的乱码，虽然能够解决一时的问题，但是还是不明白本质的原因，所以我决定先从源码入手，看看getParameter函数是如何取得我们需要的参数的值得，以下是getParameter函数的源码：

public String getParameter(String name) {

        parseParameters();

        Object value = parameters.get(name);
        if (value == null)
            return (null);
        else if (value instanceof String[])
            return (((String[]) value)[0]);
        else if (value instanceof String)
            return ((String) value);
        else
            return (value.toString());

    }

发现是在parseParamters里面进行的处理：

<span style="font-size:18px;">if (parsedParams) {
   return;//如果已经解码过，就直接返回
}
parameters = new HashMap<>();
parameters = copyMap(getRequest().getParameterMap());
mergeParameters();</span><pre name="code" class="java"><span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;"><span style="font-size:14px;">parsedParams = true;</span></span>

发现应该是继续在mergeParamters里进行处理：

private void mergeParameters() {

        if ((queryParamString == null) || (queryParamString.length() < 1))
            return;

        HashMap<String, String[]> queryParameters = new HashMap<>();
        String encoding = getCharacterEncoding();
        if (encoding == null)
            encoding = "ISO-8859-1";
        RequestUtil.parseParameters(queryParameters, queryParamString,
                encoding);//问题出在这
        Iterator<String> keys = parameters.keySet().iterator();
        while (keys.hasNext()) {
            String key = keys.next();
            Object value = queryParameters.get(key);
            if (value == null) {
                queryParameters.put(key, parameters.get(key));
                continue;
            }
            queryParameters.put
                (key, mergeValues(value, parameters.get(key)));
        }
        parameters = queryParameters;

    }

大致理解以下这个函数，应该是在将通过get方法中？后面的query string携带的参数和通过addParameter方法添加的参数进行合并(merge)，所以乱码问题应该来自对queryParameters的处理，也就是RequestUtil.parseParameters函数
打开这个函数：

 public static void parseParameters(Map<String,String[]> map, String data,
            String encoding) {

        if ((data != null) && (data.length() > 0)) {

            // use the specified encoding to extract bytes out of the
            // given string so that the encoding is not lost.
            byte[] bytes = null;
            try {
                bytes = data.getBytes(B2CConverter.getCharset(encoding));
                parseParameters(map, bytes, encoding);
            } catch (UnsupportedEncodingException uee) {
                if (log.isDebugEnabled()) {
                    log.debug(sm.getString("requestUtil.parseParameters.uee",
                            encoding), uee);
                }
            }

        }

    }

发现首先将data转化为对应编码的bytes数组（data就是query string也就是?后面的userName=小波波），然后再调用

 parseParameters(map, bytes, encoding);

对byte数组进行处理，那么再次进入这个parseParameters函数:

public static void parseParameters(Map<String,String[]> map, byte[] data,
            String encoding) throws UnsupportedEncodingException {

        Charset charset = B2CConverter.getCharset(encoding);

        if (data != null && data.length > 0) {
            int    ix = 0;
            int    ox = 0;
            String key = null;
            String value = null;
            while (ix < data.length) {
                byte c = data[ix++];
                switch ((char) c) {
                case '&':
                    value = new String(data, 0, ox, charset);
                    if (key != null) {
                        putMapEntry(map, key, value);
                        key = null;
                    }
                    ox = 0;
                    break;
                case '=':
                    if (key == null) {
                        key = new String(data, 0, ox, charset);
                        ox = 0;
                    } else {
                        data[ox++] = c;
                    }
                    break;
                case '+':
                    data[ox++] = (byte)' ';
                    break;
                case '%':
                    data[ox++] = (byte)((convertHexDigit(data[ix++]) << 4)
                                    + convertHexDigit(data[ix++]));
                    break;
                default:
                    data[ox++] = c;
                }
            }
            //The last value does not end in '&'.  So save it now.
            if (key != null) {
                value = new String(data, 0, ox, charset);
                putMapEntry(map, key, value);
            }
        }

大家可以清楚的看到这里就是在进行实际的解析，分别得到参数的key(userName)和value(小波波)，然后将其放入到一个Map<Key,Value>中,我们注意到这一行：

 value = new String(data, 0, ox, charset);

这里就是真正将data数组中关于小波波的部分按照charset转化成String value,所以乱码问题的出现应该是这个charset的问题！从上面的源码中我们可以知道charset值是通过这样来设置的：

String encoding = getCharacterEncoding();
        if (encoding == null)
            encoding = "ISO-8859-1";

那么把charset设置成什么编码才不会导致乱码呢？要想搞清楚这个问题还真不容易，你必须得对编码有一个比较清晰的了解，以下内容才是本文的精华，能够让你对Java中的编码有一个很好的认识，以及为什么上面源码中会多次出现ISO8859-1这个编码种类，它有什么特点能够让他在众多的编码方式中脱颖而出成为Java源码中多次用来当做默认的编码：

首先我们来看看Java中的String类，String类理解了，玩转Java中的编码就不是难事了。

String类中有2个比较常用的操作：

一个是str.getBytes(String charsetName)

一个是new String(s.getBytes("GBK"), "UTF-8");

搜索了很多网上的资料，关于这两个操作的深入分析的文章还是很少的，反正我是没找到，所以还是得靠源码来说话，一开始我想既然String和byte数组联系如此紧密，那么String里面一定有2个成员变量把，一个是byte[] bytes负责存放0和1序列，一个是 Charset charset代表bytes的编码种类，假如一个String s="哈";那么在这个String里应该存放着

byte [] bytes = 11011011101...（这里纯属假设，目的是把原理阐述清楚就行）然后还有Charset charset = Charset.getFromName("UTF-8");这就告诉系统这个String里的byte应该对应UTF-8的编码表进行解码，当系统要显示这个字给用户时，系统就会去UTF-8对应的编码表查找这个特定顺序的01序列，然后找到了“哈”这个字并将它显示出来，一开始认为这么想挺合理的，根据Charset种类的不同，解读bytes的方式也不同，所以当charset不对时，自然就解读不出正确的bytes所表达的内容，造成乱码。而当调用s.getBytes("GBK")时,这个函数就会把bytes从UTF-8编码像GBK编码转化（我的想象是有一种编码转化的参照表）这样我们就得到了一个GBK编码方式的bytes数组，此时假如我们执行一个这样的操作：s =new String(s.getBytes("GBK"), "GBK"),然后再打印s会同样得到一个“哈”字，只不过此哈非彼哈，这是一个GBK编码的“哈”，他的bytes数组存放的01顺序是按照GBK编码的方式来的，结果我写了一个这样的demo：

package test;

import java.io.UnsupportedEncodingException;

public class TestString {

	public static void main(String[] args) throws UnsupportedEncodingException {
		String s = new String("哈".getBytes("UTF-8"), "GBK");
		System.out.println(s);		
	}
}

期盼他输出哈字，一运行发现乱码了，原本以为我成功的将UTF-8编码的“哈”成功转化成了GBK编码的哈，然后输出也会得到一个GBK编码的哈字呢！可是居然得到的是这货：鍝?

这时候抱着迷惑的心情打开了String的源码，才彻底的拨云见雾，看到庐山真面了，我首先打开了

new String("哈".getBytes("UTF-8"), "GBK");

看看这个构造函数到底在做些什么事情：

public String(byte bytes[], int offset, int length, String charsetName)
	throws UnsupportedEncodingException
    {
	if (charsetName == null)
	    throw new NullPointerException("charsetName");
	checkBounds(bytes, offset, length);
	char[] v = StringCoding.decode(charsetName, bytes, offset, length);
	this.offset = 0;
	this.count = v.length;
	this.value = v;
    }

这才发现String里的根本没有什么byte数组，而是有一个char数组，那么这个char数组是通过

StringCoding.decode(charsetName, bytes, offset, length);

得来的，于是再打开decode函数:

static char[] decode(String charsetName, byte[] ba, int off, int len)
	throws UnsupportedEncodingException
    {
	StringDecoder sd = (StringDecoder)deref(decoder);
	String csn = (charsetName == null) ? "ISO-8859-1" : charsetName;
	if ((sd == null) || !(csn.equals(sd.requestedCharsetName())
			      || csn.equals(sd.charsetName()))) {
	    sd = null;
	    try {
		Charset cs = lookupCharset(csn);
		if (cs != null)
		    sd = new StringDecoder(cs, csn);
	    } catch (IllegalCharsetNameException x) {}
            if (sd == null)
                throw new UnsupportedEncodingException(csn);
	    set(decoder, sd);
	}
	return sd.decode(ba, off, len);
    }

这里有2点值得关注：

1:sd = new StringDecoder(cs, csn);

2:<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">sd.decode(ba, off, len);</span>

打开StringDecoder的构造函数：

private StringDecoder(Charset cs, String rcn) {
            this.requestedCharsetName = rcn;
	    this.cs = cs;
	    this.cd = cs.newDecoder()
		.onMalformedInput(CodingErrorAction.REPLACE)
		.onUnmappableCharacter(CodingErrorAction.REPLACE);
	}

发现StringDecoder的一个参数cd（CharsetDecoder）是根据cs(Charset)的不同而new出来的Decoder种类也不同，调查后发现这里相当于是一个接口，然后又不同的CharsetDecoder的具体实现，比如UTF8Decoder，GBKDecoder等，所以sd.decode方法应该是具有多态效应的，也就是说要根据不同种类的Decoder实现不同的解码效果，打开decode函数看源码：

byte[] encode(char[] ca, int off, int len) {
<span style="white-space:pre">	</span>int en = scale(len, ce.maxBytesPerChar());
<span style="white-space:pre">	</span>byte[] ba = new byte[en];
 <span style="white-space:pre">	</span>if (len == 0)
<span style="white-space:pre">	</span>return ba;


<span style="white-space:pre">	</span>ce.reset();
<span style="white-space:pre">	</span>ByteBuffer bb = ByteBuffer.wrap(ba);
<span style="white-space:pre">	</span>CharBuffer cb = CharBuffer.wrap(ca, off, len);
<span style="white-space:pre">	</span>try {
<span style="white-space:pre">		</span>CoderResult cr = ce.encode(cb, bb, true);
<span style="white-space:pre">		</span>//...
    <span style="white-space:pre">	</span>}

   static byte[] encode(String charsetName, char[] ca, int off, int len) throws UnsupportedEncodingException
    {
<span style="white-space:pre">	</span>StringEncoder se = (StringEncoder)deref(encoder);
<span style="white-space:pre">	</span>String csn = (charsetName == null) ? "ISO-8859-1" : charsetName;
 <span style="white-space:pre">	</span>if ((se == null) || !(csn.equals(se.requestedCharsetName())
 <span style="white-space:pre">	</span>|| csn.equals(se.charsetName()))) {
<span style="white-space:pre">		</span>se = null;
<span style="white-space:pre">		</span>try {
<span style="white-space:pre">			</span>Charset cs = lookupCharset(csn);
<span style="white-space:pre">			</span>if (cs != null)
<span style="white-space:pre">			</span>se = new StringEncoder(cs, csn);
<span style="white-space:pre">		</span> } catch (IllegalCharsetNameException x) {}
<span style="white-space:pre">	</span>if (se == null)
                throw new UnsupportedEncodingException (csn);
<span style="white-space:pre">	</span>set(encoder, se);
<span style="white-space:pre">	</span>}
<span style="white-space:pre">	</span>return se.encode(ca, off, len);
    }

可以看到在上面根据cs(Charset)获得了相应的cd(CharsetDecoder)然后调用相应cd的decode函数把一个bb(ByteBuffer)解码为一个cb（CharBuffer）(这里一定要搞清楚byte和char的区别：byte无编码的说法，char有编码)；那么我们就会想，为什么要把一个byte数组转成一个char数组呢，这要从java中的char类型说起，java中的char占用2个字节，遵循的是Unicode编码规范（注意规范2个字，这并不是一种具体的编码方式，而是一套规范，告诉你什么样的01序列对应什么符号）那么通过上面的源码解读，我不禁猜想java中的String中的char数组其实存放的是依照Unicode编码规范的01序列，然后系统是根据Unicode中01序列和具体符号的对应关系去显示String中的符号序列的。

那么我们在构造String的时候，其实就是在把按照其他编码方式编码的字符转化成Unicode编码方式的字符，然后用一个Char数组存放在String中，也就是说其他编码方式都可以通过一定的计算手段转化为Unicode编码的01序列，网上一搜资料，果不其然，UTF-8转Unicode只要简单的进行线性替换（不懂的自行搜索学习），而GBK转Unicode也只要进行一定的加减运算就可以得到，所以Unicode可以转化成各种其他的编码，同时各种其他编码也可以向Unicode转化，这样一来就实现了一个统一，这也是Java采用Unicode的原因吧，比如我们在执行如下操作时：

String s = new String(“哈”)；其实是在将本机默认编码方式下的“哈”字（假如此时本机的本地默认编码是GBK），从GBK编码通过一定的计算转化成Unicode下“哈”对应的那2个字节，然后放到一个Char数组中，Java对String进行显示时是不用关心你原来的编码方式，因为他们都被统一成了Unicode规范，这样Java就能够根据Char数组去显示“哈”字了，又比如如下操作：String s = new String("哈".getBytes("GBK"), "UTF-8")产生乱码的原因在于,首先我们获得了GBK编码下的“哈”字的byte数组,里面存放的是GBK编码下“哈”字对应的01序列，然后我们又根据“UTF-8”转化到Unicode的规则对一个本应该依照GBK到Unicode转化规则的byte数组进行了编码转化，使得获得的Char数组失去了本来的意思，而变成了乱码，比如哈字在GBK下编码是110，本来按照GBK到Unicode的转化规则，会转化成011，然后存放到Char数组中，而011在Unicode中正好对应哈这个字，然后此时却按照UTF-8到Unicode的转化规则，错误的转化成了101，这个时候就产生了乱码，更可怕的是有可能110这个序列根本不符合UTF-8的编码规则，这时候就会转化成？号这一类的符号，造成一种黑洞现象，编码被吞了。

所以String中其实存放的实质是：由在其他编码方式下的byte数组按照一定的转化规则转化成Unicode规范后的char数组，而String本身其实不具有Charset属性，也就是说“这个String是什么方式编码”这种说法是错误的，而应该说byte数组遵照什么样的编码方式。

回到最初提到的问题：

为什么Java对ISO8859-1这个编码方式如此情有独钟，动不动就拿来当默认的编解码方式。查询一下ISO8859-1编码相关知识不难知道，这个编码是一个单字节的编码，而且编码范围正好是从0x00-0xFF,涵盖了8个位的所有排列组合的情形，没有一个多余的位（与之相反的一个列子是UTF-8编码，其中有一些0和1的排列组合情况是没有对应任何符号的，比如当UTF-8用2个字节表示一个字符时，开头必须是110，而111这种情况就没有被纳入编码表中），ISO8859-1的一个好处就是，他比ASCII覆盖的更全面，00-FF全部都有对应的符号。

举些例子帮助理解：

假设本地默认编码是GBK

byte [] bytes = "哈".getBytes();

那么bytes里的01序列就是GBK编码下对应的哈的编码序列

String s = new String(bytes);//没有指明后一个参数charset代表采用本地默认编码进行byte到char的转化

然后bytes又按照GBK到Unicode的转化规则，转化为Unicode下的哈字的01序列存放到Char数组中。

而如果采用如下任何一种方式都会造成乱码（本机默认编码为GBK）：

1：byte [] bytes = “哈”.getBytes("UTF-8"); String s = new String(bytes); //乱码原因是bytes是按照UTF-8编码的01序列，而构造String是遵照的是GBK到Unicode的转化方式。

2：byte[] bytes = "哈".getBytes(); String s = new String(bytes, "UTF-8");//打印s输出的是？乱码原因是bytes是按照GBK编码的01序列，比如是0101,而构造String是遵照的UTF-8到Unicode的变化规则，并且0101这个编码不在UTF-8的编码范围内，所以只能统一把这些无法解码的01序列转化成Unicode的?字符，如果要是哈在GBK编码下不是以0开头而是以110开头，并且在UTF-8的编码范围之内，那么就可以完成UTF-8像Unicode的转化，只不过byte已经丢失了它原本的符号意义，变成了一堆其他字符。

byte [] bytes = "哈哈".getBytes("UTF-8"); //说明bytes遵照UTF-8编码，01序列的排列方式符号UTF-8编码的要求，如果假设有一个utf8Decoder(byte[] bytes)函数对其进行解码的话，能够得到“哈哈”

String s = new String(bytes, "UTF-8");//将遵照UTF-8编码的bytes数组按照UTF-8到Unicode的转化规则，转化为Unicode的char数组，此时s为“哈哈”；

byte[] bytes = "a中文".getBytes("ISO-8859-1");//由Unicode转ISO，对应下图第一步，由于中文二字在ISO中没有对应编码，所以统一转化成？符号

String s = new String(bytes, "ISO-8859-1");//由ISO转Unicode,遵照的规律就是高位的那一字节补0，低位8字节不变，导致变回来以后就成了a??而不是a中文，因为在第一步时，中文二字被黑洞现象吞掉了。

String－ISO-8859-1〉ByteArray：/u0061/u4E2D/u6587（a中文）－〉0x61 0x3F 0x3F
ByteArray－ISO-8859-1〉String：0x61 0x3F 0x3F－〉/u0061/u003F/u003F（a??）

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