java编码解码

为什么要编码

编码的原因可以总结为：

计算机中存储信息的最小单元是一个字节即 8 个 bit，所以能表示的字符范围是 0~255 个
人类要表示的符号太多，无法用一个字节来完全表示
要解决这个矛盾必须需要一个新的数据结构 char，从 char 到 byte 必须编码

编码格式。

ASCII 码

ISO-8859-1

128 个字符显然是不够用的，于是 ISO 组织在 ASCII 码基础上又制定了一些列标准用来扩展 ASCII 编码，它们是 ISO-8859-1~ISO-8859-15，其中 ISO-8859-1 涵盖了大多数西欧语言字符，所有应用的最广泛。ISO-8859-1 仍然是单字节编码，它总共能表示 256 个字符。

GB2312

它的全称是《信息交换用汉字编码字符集基本集》，它是双字节编码，总的编码范围是 A1-F7，其中从 A1-A9 是符号区，总共包含 682 个符号，从 B0-F7 是汉字区，包含 6763 个汉字。

全称叫《汉字内码扩展规范》，是国家技术监督局为 windows95 所制定的新的汉字内码规范，它的出现是为了扩展 GB2312，加入更多的汉字，它的编码范围是 8140~FEFE（去掉 XX7F）总共有 23940 个码位，它能表示 21003 个汉字，它的编码是和 GB2312 兼容的，也就是说用 GB2312 编码的汉字可以用 GBK 来解码，并且不会有乱码。

GB18030

全称是《信息交换用汉字编码字符集》，是我国的强制标准，它可能是单字节、双字节或者四字节编码，它的编码与 GB2312 编码兼容，这个虽然是国家标准，但是实际应用系统中使用的并不广泛。

UTF-16

说到 UTF 必须要提到 Unicode（Universal Code 统一码），ISO 试图想创建一个全新的超语言字典，世界上所有的语言都可以通过这本字典来相互翻译。可想而知这个字典是多么的复杂，关于 Unicode 的详细规范可以参考相应文档。Unicode 是 Java 和 XML 的基础，下面详细介绍 Unicode 在计算机中的存储形式。

UTF-16 具体定义了 Unicode 字符在计算机中存取方法。UTF-16 用两个字节来表示 Unicode 转化格式，这个是定长的表示方法，不论什么字符都可以用两个字节表示，两个字节是 16 个 bit，所以叫 UTF-16。UTF-16 表示字符非常方便，每两个字节表示一个字符，这个在字符串操作时就大大简化了操作，这也是 Java 以 UTF-16 作为内存的字符存储格式的一个很重要的原因。

UTF-8

UTF-16 统一采用两个字节表示一个字符，虽然在表示上非常简单方便，但是也有其缺点，有很大一部分字符用一个字节就可以表示的现在要两个字节表示，存储空间放大了一倍，在现在的网络带宽还非常有限的今天，这样会增大网络传输的流量，而且也没必要。而 UTF-8 采用了一种变长技术，每个编码区域有不同的字码长度。不同类型的字符可以是由 1~6 个字节组成。

UTF-8 有以下编码规则：

如果一个字节，最高位（第 8 位）为 0，表示这是一个 ASCII 字符（00 - 7F）。可见，所有 ASCII 编码已经是 UTF-8 了。
如果一个字节，以 11 开头，连续的 1 的个数暗示这个字符的字节数，例如：110xxxxx 代表它是双字节 UTF-8 字符的首字节。
如果一个字节，以 10 开始，表示它不是首字节，需要向前查找才能得到当前字符的首字节

Java 中需要编码的场景

下图是 Java 中处理 I/O 问题的接口：

Reader 类是 Java 的 I/O 中读字符的父类，而 InputStream 类是读字节的父类，InputStreamReader 类就是关联字节到字符的桥梁，它负责在 I/O 过程中处理读取字节到字符的转换，而具体字节到字符的解码实现它由 StreamDecoder 去实现，在 StreamDecoder 解码过程中必须由用户指定 Charset 编码格式。值得注意的是如果你没有指定 Charset，将使用本地环境中的默认字符集，例如在中文环境中将使用 GBK 编码。

写的情况也是类似，字符的父类是 Writer，字节的父类是 OutputStream，通过 OutputStreamWriter 转换字符到字节。如下图所示：

同样 StreamEncoder 类负责将字符编码成字节，编码格式和默认编码规则与解码是一致的。

I/O 涉及的编码示例

//按字节　
　InputStream in=new FileInputStream(path);
　StringBuffer buffer=new StringBuffer();

　byte[] bytes=new byte[1024*10];

　for(int n;(n=in.read(bytes))!=-1;){
　　　　buffer.append(new String(bytes,0,n,"utf-8")); 
　}
　System.out.println(buffer);

//按字符　　
　　String path=getServletContext().getRealPath("/WEB-INF/lala");
　　FileInputStream in=new FileInputStream(path);
　　InputStreamReader reader=new InputStreamReader(in,"utf-8");

在我们的应用程序中涉及到 I/O 操作时只要注意指定统一的编解码 Charset 字符集，一般不会出现乱码问题，有些应用程序如果不注意指定字符编码，中文环境中取操作系统默认编码，如果编解码都在中文环境中，通常也没问题，但是还是强烈建议不要使用操作系统的默认编码，因为这样，你的应用程序的编码格式就和运行环境绑定起来了，在跨环境下很可能出现乱码问题。　

内存中操作中的编码

String s = "这是一段中文字符串"; 
byte[] b = s.getBytes("UTF-8"); 
String n = new String(b,"UTF-8");

Charset 提供 encode 与 decode 分别对应 char[] 到 byte[] 的编码和 byte[] 到 char[] 的解码。

 Charset charset = Charset.forName("UTF-8"); 
 ByteBuffer byteBuffer = charset.encode(string); 
 CharBuffer charBuffer = charset.decode(byteBuffer);

Java 中还有一个 ByteBuffer 类，它提供一种 char 和 byte 之间的软转换，它们之间转换不需要编码与解码，只是把一个 16bit 的 char 格式，拆分成为 2 个 8bit 的 byte 表示，它们的实际值并没有被修改，仅仅是数据的类型做了转换。如下代码所以：

 ByteBuffer heapByteBuffer = ByteBuffer.allocate(1024); 
 ByteBuffer byteBuffer = heapByteBuffer.putChar(c);

Java 中如何编解码

图 1. Java 编码类图

首先根据指定的 charsetName 通过 Charset.forName(charsetName) 设置 Charset 类，然后根据 Charset 创建 CharsetEncoder 对象，再调用 CharsetEncoder.encode 对字符串进行编码，不同的编码类型都会对应到一个类中，实际的编码过程是在这些类中完成的。下面是 String. getBytes(charsetName) 编码过程的时序图

图 2.Java 编码时序图

从上图可以看出根据 charsetName 找到 Charset 类，然后根据这个字符集编码生成 CharsetEncoder，这个类是所有字符编码的父类，针对不同的字符编码集在其子类中定义了如何实现编码，有了 CharsetEncoder 对象后就可以调用 encode 方法去实现编码了。这个是 String.getBytes 编码方法，其它的如 StreamEncoder 中也是类似的方式。

Java Web 涉及到的编码

用户从浏览器端发起一个 HTTP 请求，需要存在编码的地方是 URL、Cookie、Parameter。服务器端接受到 HTTP 请求后要解析 HTTP 协议，其中 URI、Cookie 和 POST 表单参数需要解码，服务器端可能还需要读取数据库中的数据，本地或网络中其它地方的文本文件，这些数据都可能存在编码问题，当 Servlet 处理完所有请求的数据后，需要将这些数据再编码通过 Socket 发送到用户请求的浏览器里，再经过浏览器解码成为文本。

一次 HTTP 请求的编码示例

图 3. 一次 HTTP 请求的编码示例

如上图所示一次 HTTP 请求设计到很多地方需要编解码，它们编解码的规则是什么？下面将会重点阐述一下：

解析请求的 URL 是在 org.apache.coyote.HTTP11.InternalInputBuffer 的 parseRequestLine 方法中，这个方法把传过来的 URL 的 byte[] 设置到 org.apache.coyote.Request 的相应的属性中。这里的 URL 仍然是 byte 格式，转成 char 是在 org.apache.catalina.connector.CoyoteAdapter 的 convertURI 方法中完成的：

protected void convertURI(MessageBytes uri, Request request) 
 throws Exception { 
        ByteChunk bc = uri.getByteChunk(); 
        int length = bc.getLength(); 
        CharChunk cc = uri.getCharChunk(); 
        cc.allocate(length, -1); 
        String enc = connector.getURIEncoding(); 
        if (enc != null) { 
            B2CConverter conv = request.getURIConverter(); 
            try { 
                if (conv == null) { 
                    conv = new B2CConverter(enc); 
                    request.setURIConverter(conv); 
                } 
            } catch (IOException e) {...} 
            if (conv != null) { 
                try { 
                    conv.convert(bc, cc, cc.getBuffer().length - cc.getEnd()); 
                    uri.setChars(cc.getBuffer(), cc.getStart(), cc.getLength()); 
                    return; 
                } catch (IOException e) {...} 
            } 
        } 
        // Default encoding: fast conversion 
        byte[] bbuf = bc.getBuffer(); 
        char[] cbuf = cc.getBuffer(); 
        int start = bc.getStart(); 
        for (int i = 0; i < length; i++) { 
            cbuf[i] = (char) (bbuf[i + start] & 0xff); 
        } 
        uri.setChars(cbuf, 0, length); 
 }

对 URL 的 URI 部分进行解码的字符集是在 connector 的 <Connector URIEncoding=”UTF-8”/> 中定义的，如果没有定义，那么将以默认编码 ISO-8859-1 解析。所以如果有中文 URL 时最好把 URIEncoding 设置成 UTF-8 编码。

QueryString 又如何解析？ GET 方式 HTTP 请求的 QueryString 与 POST 方式 HTTP 请求的表单参数都是作为 Parameters 保存，都是通过 request.getParameter 获取参数值。对它们的解码是在 request.getParameter 方法第一次被调用时进行的。request.getParameter 方法被调用时将会调用 org.apache.catalina.connector.Request 的 parseParameters 方法。这个方法将会对 GET 和 POST 方式传递的参数进行解码，但是它们的解码字符集有可能不一样。POST 表单的解码将在后面介绍，QueryString 的解码字符集是在哪定义的呢？它本身是通过 HTTP 的 Header 传到服务端的，并且也在 URL 中，是否和 URI 的解码字符集一样呢？从前面浏览器对 PathInfo 和 QueryString 的编码采取不同的编码格式不同可以猜测到解码字符集肯定也不会是一致的。的确是这样 QueryString 的解码字符集要么是 Header 中 ContentType 中定义的 Charset 要么就是默认的 ISO-8859-1，要使用 ContentType 中定义的编码就要设置 connector 的 <Connector URIEncoding=”UTF-8” useBodyEncodingForURI=”true”/> 中的 useBodyEncodingForURI 设置为 true。这个配置项的名字有点让人产生混淆，它并不是对整个 URI 都采用 BodyEncoding 进行解码而仅仅是对 QueryString 使用 BodyEncoding 解码，这一点还要特别注意。

从上面的 URL 编码和解码过程来看，比较复杂，而且编码和解码并不是我们在应用程序中能完全控制的，所以在我们的应用程序中应该尽量避免在 URL 中使用非 ASCII 字符，不然很可能会碰到乱码问题，当然在我们的服务器端最好设置 <Connector/> 中的 URIEncoding 和 useBodyEncodingForURI 两个参数。

HTTP Header 的编解码

当客户端发起一个 HTTP 请求除了上面的 URL 外还可能会在 Header 中传递其它参数如 Cookie、redirectPath 等，这些用户设置的值很可能也会存在编码问题，Tomcat 对它们又是怎么解码的呢？

对 Header 中的项进行解码也是在调用 request.getHeader 是进行的，如果请求的 Header 项没有解码则调用 MessageBytes 的 toString 方法，这个方法将从 byte 到 char 的转化使用的默认编码也是 ISO-8859-1，而我们也不能设置 Header 的其它解码格式，所以如果你设置 Header 中有非 ASCII 字符解码肯定会有乱码。

我们在添加 Header 时也是同样的道理，不要在 Header 中传递非 ASCII 字符，如果一定要传递的话，我们可以先将这些字符用 org.apache.catalina.util.URLEncoder 编码然后再添加到 Header 中，这样在浏览器到服务器的传递过程中就不会丢失信息了，如果我们要访问这些项时再按照相应的字符集解码就好了。

POST 表单的编解码

在前面提到了 POST 表单提交的参数的解码是在第一次调用 request.getParameter 发生的，POST 表单参数传递方式与 QueryString 不同，它是通过 HTTP 的 BODY 传递到服务端的。当我们在页面上点击 submit 按钮时浏览器首先将根据 ContentType 的 Charset 编码格式对表单填的参数进行编码然后提交到服务器端，在服务器端同样也是用 ContentType 中字符集进行解码。所以通过 POST 表单提交的参数一般不会出现问题，而且这个字符集编码是我们自己设置的，可以通过 request.setCharacterEncoding(charset) 来设置。

另外针对 multipart/form-data 类型的参数，也就是上传的文件编码同样也是使用 ContentType 定义的字符集编码，值得注意的地方是上传文件是用字节流的方式传输到服务器的本地临时目录，这个过程并没有涉及到字符编码，而真正编码是在将文件内容添加到 parameters 中，如果用这个编码不能编码时将会用默认编码 ISO-8859-1 来编码。

HTTP BODY 的编解码

当用户请求的资源已经成功获取后，这些内容将通过 Response 返回给客户端浏览器，这个过程先要经过编码再到浏览器进行解码。这个过程的编解码字符集可以通过 response.setCharacterEncoding 来设置，它将会覆盖 request.getCharacterEncoding 的值，并且通过 Header 的 Content-Type 返回客户端，浏览器接受到返回的 socket 流时将通过 Content-Type 的 charset 来解码，如果返回的 HTTP Header 中 Content-Type 没有设置 charset，那么浏览器将根据 Html 的 <meta HTTP-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=GBK" /> 中的 charset 来解码。如果也没有定义的话，那么浏览器将使用默认的编码来解码。

常见问题分析

在了解了 Java Web 中可能需要编码的地方后，下面看一下，当我们碰到一些乱码时，应该怎么处理这些问题？出现乱码问题唯一的原因都是在 char 到 byte 或 byte 到 char 转换中编码和解码的字符集不一致导致的，由于往往一次操作涉及到多次编解码，所以出现乱码时很难查找到底是哪个环节出现了问题，下面就几种常见的现象进行分析。

中文变成了看不懂的字符

例如，字符串“淘！我喜欢！”变成了“Ì Ô £ ¡Î Ò Ï²»¶ £ ¡”编码过程如下图所示

字符串在解码时所用的字符集与编码字符集不一致导致汉字变成了看不懂的乱码，而且是一个汉字字符变成两个乱码字符。

一个汉字变成一个问号

例如，字符串“淘！我喜欢！”变成了“？？？？？？”编码过程如下图所示

将中文和中文符号经过不支持中文的 ISO-8859-1 编码后，所有字符变成了“？”，这是因为用 ISO-8859-1 进行编解码时遇到不在码值范围内的字符时统一用 3f 表示，这也就是通常所说的“黑洞”，所有 ISO-8859-1 不认识的字符都变成了“？”。

一个汉字变成两个问号

例如，字符串“淘！我喜欢！”变成了“？？？？？？？？？？？？”编码过程如下图所示

这种情况比较复杂，中文经过多次编码，但是其中有一次编码或者解码不对仍然会出现中文字符变成“？”现象，出现这种情况要仔细查看中间的编码环节，找出出现编码错误的地方。

一种不正常的正确编码

还有一种情况是在我们通过 request.getParameter 获取参数值时，当我们直接调用

 String value = request.getParameter(name);

会出现乱码，但是如果用下面的方式

 String value = String(request.getParameter(name).getBytes("
 ISO-8859-1"), "GBK");

解析时取得的 value 会是正确的汉字字符，这种情况是怎么造成的呢？

看下如所示：

这种情况是这样的，ISO-8859-1 字符集的编码范围是 0000-00FF，正好和一个字节的编码范围相对应。这种特性保证了使用 ISO-8859-1 进行编码和解码可以保持编码数值“不变”。虽然中文字符在经过网络传输时，被错误地“拆”成了两个欧洲字符，但由于输出时也是用 ISO-8859-1，结果被“拆”开的中文字的两半又被合并在一起，从而又刚好组成了一个正确的汉字。虽然最终能取得正确的汉字，但是还是不建议用这种不正常的方式取得参数值，因为这中间增加了一次额外的编码与解码，这种情况出现乱码时因为 Tomcat 的配置文件中 useBodyEncodingForURI 配置项没有设置为”true”，从而造成第一次解析式用 ISO-8859-1 来解析才造成乱码的。