关于编码的那些事

引言

之前做一个POC的时候，Vicky同学遇到一个关于编码的问题，问到我，我觉得当时没有解释得很清楚，于是决定查阅相关的资料文档，写一篇文章，记录这个问题及对背后的原因、原理的理解。

问题

关于这个问题，为了简化起见，我会做一些假设。问题原型是有一个Web application，后台用Java实现，前端Javascript。前端页面上有一个下载文件的功能，这个功能实现的基本逻辑是：后台用Java API读取一个文件成字节流 -> 用Java API将字节流转成Base64 encoded string -> 后台将这个string返回给前端 -> 前端AJAX Call接收到后台返回的string -> 前端调用Javascript API将Encoded string做decode，得到decoded string -> 调用Javascript API将string写入文件 - > 最后前端页面出现下载提示，用户选择下载。

后台代码的基本逻辑如下：

String a = "a";
Base64.getEncoder().encodeToString(a.getBytes())

最开始用这个逻辑实现文本文件（xml）的下载，没有问题，下载下来的文件能够正常打开并且显示正确。之后用同样的逻辑实现二进制文件（pdf）的下载，结果下载下来的文件不能打开。这是什么原因呢？

此外，在研究这个问题的过程中发现另外一个编码问题：之前的文本文件全都是英文字符，当我加入中文字符以后，这些中文字符在下载下来的文件中也是乱码，如下图。这又是什么原因呢？

编码相关

以解释上面两个问题为出发点，我查阅了相关资料文档，以下是我对常见术语的理解。

二进制文件：计算机系统里面所有文件都是二进制文件，即一个字节一个字节排列而成，文本文件也是二进制文件。

文本文件：采用特定编码表示常见文字符号的文件，这种文件会将文字符号转换成指定编码对应的code，然后以二进制的方式存储。

编码：编码是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程。

ASCII： 第一代的编码标准，美国人提出，英文全称是American Standard Code for Information Interchange，中文翻译是“美国信息互换标准代码”，等同于国际标准ISO/IEC 646。 简单讲，计算机一个字节的八位可以组合出256中不同的状态，将前128种状态分别代表128个英文字符（其中包括大小写字母、数字、空格、标点符号以及一些特殊的控制字符）。这就是计算机专业同学刚上大学要了解的ASCII码表，比如小写的a是97，大写A是65，等等。

由于这种编码只定义了所有的英语字符，所以如果世界上所有电脑都采用英语系统，也就没有下面编码什么事了。但是现实是残酷的，世界上各个国家，甚至民族都有自己的语言符号，将这些语言文字符号在计算机系统中显示存储，随着计算机的普及，是一件水到渠成的必须要解决的问题，于是就有了以下各种编码方式的出现。

ISO-8859-1：ASCII码只用到一个字节的前128个状态，这个标准扩展了ASCII，将后面128个状态（128-255）利用了起来，增加了对一些西欧拉丁系语言特殊字符的支持。比如，德语的元音字符ü对应252。

以上两种标准都是单字节编码。单字节编码能够最多支持256个字符，计算机要世界上如此多的语言，显然是不够的，于是应运而生，就出现了多字节编码。最开始各个主流语言都出现了自己的编码规则，比如简体中文的GB2312，繁体中文的BIG5，日语的JIS等。

ANSI: 默认的编码方式，对于英文系统是ASCII编码，对于简体中文系统是GB2312编码，对于繁体中文系统是Big5码。

GB2312: 用两个字节代表一个汉字字符。这种编码包含了六千多个常用汉字。比如中文的“严”字用D1CF代表。

GBK: GB2312编码基本上能够满足常用需求，但是对于古文里偏僻的汉字，少数民族的文字等是没有对应的编码的，于是就出现了GBK。这种编码扩展了GB2312，增加了偏僻汉字，少数民族文字的支持。

这里GB是国标的意思，K是扩展的意思。

JIS: 日语文字的编码标准。

以上标准都是双字节标准，即都是用计算机两个字节代表一个字符。

UNICODE： 上面的编码标准是互不兼容的，ISO为了这种各自为政的局面，决定制定一套统一的标准能够代表世界上所有的文字，这个标准就叫做UNICODE。 UNICODE又叫做UCS，是Universal Multiple-Octet Coded Character Set的缩写。

UTF-8： UTF是UCS Transfer Format的缩写。可变长的UNICODE标准的实现，举个例子，UTF-8表示英文字符用一个字节表示（与ASCII兼容），表示汉字通常是三个字节，比如e6b189代表中文的“汉”字，e5ad97代表中文的“字”字。

UTF-16/32：通常不用。

对于问题的解释

回过头来解释上面遇到的两个问题。

第一个问题，为什么xml文件的下载没有问题，而pdf文件的下载却是打开乱码呢？

首先，前端调用Javascript API将Encoded string做decode，得到decoded string的代码如下：

var decodedStr = atob(data);

atob这个方法输入一个encoded的string，输出一个decoded的string。其实现逻辑主要分三步： 第一步将encoded的string采用默认的编码转换成byte array，第二步将对byte array做base64 decode转换，得到转换后的byte array，第三步，将byte array采用默认的编码转换成string。这里默认的编码是ISO-8859-1。

然后，调用如下代码实现文件的save功能：

var blob = new Blob([atob(decodedStr)], {type: "application/pdf"});
var link=document.createElement('a');
link.href=window.URL.createObjectURL(blob);
link.download="downloadedFile.pdf";
link.click();

Javascript的Blob实现下载功能会默认采用utf-8编码。由于utf-8跟ASCII兼容，但是不跟ISO-8859-1兼容，ISO-8859-1编码里面的后127个字符在utf-8里面会有另外一个code对应。举个例子：decodedStr中的一个字符"?"在ISO-8859-1编码里面code是e2，当存储成文件的时候应用utf-8的编码，其对应的code是c3a2，所有对应于ISO-8859-1编码后127位的字节都会转成utf-8码，通常都变成了两个字节。如下图所示（注：上半部分是正常可打开的pdf的十六进制视图，下半部分是打不开的pdf的十六进制视图）：

 

但是由于这个文件是二进制文件，不应该有此转换，所以就出现了这个问题。

有两个解决方案：第一种方案，存储文件的时候指定编码，我做了以下尝试，但是不生效，暂时还没找到如何指定编码。

var blob = new Blob([atob(decodedStr)], {type: "application/pdf"; charset: "iso-8859-1"});

第二种方案，先将decodedStr手动转成byte array，然后再构造Blob，这种情况下Blob就不会再做转换，下载下来的文件就

能够正确打开。

var decodedStr = atob(data);
var bytes = new Uint8Array( decodedStr.length );
for(var i=0; i<decodedStr.length; i++){
	 bytes[i] = decodedStr.charCodeAt(i);
}
 var blob = new Blob([bytes.buffer], { type: 'application/pdf' });

有同学可能会问，为什么xml文件下载下来就可以正常打开？这是因为xml文件里面全都是英文字符和符号，都是ASCII码可以表示的（ISO-8859-1前128个，ISO-8859-1兼容ASCII），所以在上面提到的下载过程中转码成utf-8没有问题。

第二个问题，当我在xml文件里加入中文字符以后，这些中文字符在下载下来的文件中也是乱码。这又是什么原因呢？

同样的，我们先看正常显示和乱码显示文件的十六进制视图对比（注：下图是正常显示文件，上图是乱码显示文件）：

 从图上可以看出，字节e6被转成了utf-8对应的码c3a6。其实，下图本来已经是utf-8编码（e6b189代表中文的“汉”字，e5ad97代表中文的“字”字），所以再经过一次转换就会出现乱码。

解决方案同上，直接写入byte array。

最后的话：在对字符串、文本、文件做处理的时候一定要注意编码方式，不然很可能就会出现意想不到的乱码问题。

Rerefences:

• https://en.wikipedia.org/wiki/ASCII

• https://en.wikipedia.org/wiki/ISO/IEC_8859-1

• https://en.wikipedia.org/wiki/UTF-8

• http://www.fileformat.info/info/unicode/char/00E6/index.htm

• https://en.wikipedia.org/wiki/Base64

本文分享自微信公众号 - 天马行空布鲁斯（gh_2feda5c053bd）。
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