Java与Mysql的unicode编码

Posted 2023-02-04 YuYunTan

文章目录

• 前言
• Unicode字符编码
• • Java中的char
  • • 码点
    • 码元和代理对
    • 辅助字符是如何分为两个代码单元的？
  • unicode,UTF-8,UTF-16,UTF-32
  • • UTF-8
    • • Java中Unicode和UTF-8之间的转换关系表
    • UTF-16
    • • 大小端序
    • UTF-32
    • java针对UTF-8和UTF-16的额外说明
    • java中码点与char互换的函数（列出部分实用的）
    • • Character类
      • String类
      • StringBuilder,StringBuffer类
  • mysql的UTF-8和utf8mb4
  • • varchar类型改成varbinary类型
    • 限制字段为utf8mb3
• 结语
• 参考文献

前言

  近期工作时候，遇到爆冷知识，主要是因为mysql的utf8默认是utf8mb3，而用4个字节表示的utf8编码，存入数据库，需要mysql的utf8mb4，所以导致数据入库异常。故而记录一波。然后自己要做数据插入数据库前的限制（因为DBA明确表示目前环境不支持utf8mb4）。

  本篇博文会夹杂一点知识盲区的地方，秉着共享的观点分享，内容进行了一定语言的整理。

Unicode字符编码

  要想打开一个文本文件，就必须知道它的编码方式，否则用错误的编码方式解读，就会出现乱码。

  可以想象，如果有一种编码，将世界上所有的符号都纳入其中。每一个符号都给予一个独一无二的编码，那么乱码问题就会消失。这就是 Unicode，就像它的名字都表示的，这是一种所有符号的编码。

  Unicode 当然是一个很大的集合，现在的规模可以容纳100多万个符号。每个符号的编码都不一样，比如，U+0639表示阿拉伯字母Ain，U+0041表示英语的大写字母A。具体的符号对应表，可以查询Unicode网站。

Java中的char

  char原本表示单个字符，在java中是2字节大小（16 bit)。以前的unicode可以用一个char表示，而现在存在一些unicode字符使用两个char表示。

码点

  码点：与一个编码表（例如Unicode编码表）中的某个字符对于的代码值。

Unicode码点的值采用十六进制书写，并加上前缀U+

  类似于下面所示，一般来说Java中的char可以使用UTF-16的编码unicode去指定字符，例如\\u0022，是字符 " 的Unicode编码码点值。

char A = '\\u0022';

String testA = "\\u0022";// 编译会出错,Unicode转义序列会在解析代码前处理，无论你是注释还是非注释

// C:\\user ==> 编译时会爆非法unicode转义序列，因为java认为\\u后跟着的是16进制的unicode编码,当写成C:\\\\user则没有问题了

  Java中的Unoicode的码点最大和最小值分别是 Character.MIN_CODE_POINT 和 Character.MAX_CODE_POINT。这两个值用16进制表示，分别是 0x000000 和 0X10FFFF。十进制则是0和‭1114111‬。

  单一的char字符，是16位长度的原数据类型，也就是能表示的范围只有0到65536,即码点值在0x0000和0XFFFF之间，这之间的字符属于Unicode 的代码级别(平面)的第一基本的多语言级别(BMP,basic multilingual plane)，剩下的16个代码级别在 0x010000 和 0X10FFFF,其中包含了辅助字符(supplementary character)。

  oracle是这么描述的：

The char data type is a single 16-bit Unicode character. It has a minimum value of '\\u0000' (or 0) and a maximum value of '\\uffff' (or 65,535 inclusive).

码元和代理对

  BMP级别中，每个字符可以用16位表示，也就是一个char表示，被称为代码单元（code unit）。而辅助字符则采用一对连续的代码单元(两个char)进行编码，称为代理对(surrogate pair)。这种编码模式就称为UTF-16。

  意思就是说，辅助字符(码点值大于0XFFFF)采用一对代理对（高、低代理）表示。

在Java中除非确实要处理UTF16的代码单元时才采用char，因为java中char是UTF16编码的一个代码单元，它并非代表UTF-8编码。

  代理所处于BMP区域的码点值不会有其他字符，所以如果判断出一个码点单元的码点值属于高代理，那么就说明，下一个码点单元是低代理(否则字符串非法）。

码点值	名字
U+D800-U+DB7F	High Surrogates
U+DB80-U+DBFF	High Private Use Surrogates
U+DC00-U+DFFF	Low Surrogates

现在的问题来了。

辅助字符是如何分为两个代码单元的？

  假设有一个码点a，(范围在U+10000-U+10FFFF)之间。

• 计算高代理步骤：

  (1) 码点值减去0x10000，得到的值的范围为20比特长的 0...0xFFFFF。

  辅助平面中的码位从U+10000到U+10FFFF，共计FFFFF个，即$2^{20}=1,048,576$个，需要20位bit来表示。

  (2) 高位的10比特的值（值的范围为 0...0x3FF）被加上 0xD800 得到第一个码点值称为高代理，值的范围是 0xD800...0xDBFF。

  10 个1组成1111111111，换算16进制就是3FF。

• 计算低代理步骤

  （3）低位的10比特的值（值的范围也是 0...0x3FF）被加上 0xDC00，就能得到低位代理。

  java底层很巧妙的这么计算：

public static final char MIN_HIGH_SURROGATE = '\\uD800'
public static final char MIN_LOW_SURROGATE  = '\\uDC00';
public static final int MIN_SUPPLEMENTARY_CODE_POINT = 0x010000;    
public static char highSurrogate(int codePoint) 
     return (char) ((codePoint >>> 10)
         + (MIN_HIGH_SURROGATE - (MIN_SUPPLEMENTARY_CODE_POINT >>> 10)));

public static char lowSurrogate(int codePoint) 
    return (char) ((codePoint & 0x3ff) + MIN_LOW_SURROGATE);

高位主要是因为码点是20比特长度，所以高位往左移10位，留下的便是高代理所需要的10位比特，同时需要减掉的0x10000也进行左移10位。

  个人认为高位处理可以是下面所示，意思比较明确

(char) (((codePoint-MIN_SUPPLEMENTARY_CODE_POINT) >>> 10) + MIN_HIGH_SURROGATE)

低位和0x3FF进行与操作后，高位的前10位全为0,然后再加上低代理的最低位，即可。

unicode,UTF-8,UTF-16,UTF-32

  Unicode和UTF-8和UTF-16以及UTF-32，可能容易比较混淆。

  Unicode表示是字符集，和美国的ASCII,西欧的ISO 8859-1，俄罗斯的KOI-8,中国的GB 18030等一样，表示的是一个编码字符集，是一组编号的有序字符集或一组字符表，每个字符集都有唯一的编号。 完成字符和码点值之间映射而用。

  UTF-8和UTF-16以及UTF-32都是unicode字符集的字符编码方案，是计算机将码点表示为八位字节（octets）序列的方式，例如UTF-16。UTF8、UTF16、UTF32是出于要在内存中存储字符的目的而对unicode字符编号进行编码。

UTF-8

  UTF-8的设计有以下的多字符组序列的特质：

• 单字节字符的最高有效byte永远为0。
• 多字节序列中的首个字符组的几个最高有效byte决定了字节的大小。最高有效位为110的是2字节，而1110的是三字节，如此类推。
• UTF-8以字节为编码单元，它的字节顺序在所有系统中都是一样的，没有字节序的问题，也因此它实际上并不需要字节顺序标记。(byte-order mark,BOM)。
• 但存储文件时，在UTF-8+BOM格式文件的开首，很多时都放置一个U+FEFF字符（UTF-8以EF,BB,BF代表），以显示这个文本文件是以UTF-8编码的文件。
• 兼容ASCII，由于互联网兴起而制定

Java中Unicode和UTF-8之间的转换关系表

UTF-16

  把Unicode字符集的抽象码点映射为采用固定长为16位码元(char)的整数的序列，用于数据存储或传递。Unicode字符的码点值，需要1个或者2个16位长的码元来表示，因此这是一个变长表示。

在java中，UTF-8变长表示是1-4字节。而UTF16则是1-2个码元(char)。

  UTF-16中，无论是进行编码成字节序存储文件时还是将字符串按照UTF16编码成字节数组，都需要指定字节顺序，这个字节顺序分两类，称为大端序(Big endian )和小端序( Little endian )。默认情况下，java的UTF-16是大端序编码。

java中，StandardCharsets类的静态变量。UTF_16是默认的大端序，和UTF_16BE是一样。UTF_16LE则是小端序。

大小端序

  一个多位的整数，按照存储地址从低到高排序的字节中，如果该整数的最低有效字节（类似于最低有效位）在最高有效字节的前面，则称小端序；反之则称大端序。

在网络应用中，字节序是一个必须被考虑的因素，因为不同机器类型可能采用不同标准的字节序，所以均按照网络标准转化。

  以汉字严为例，Unicode 码是4E25，需要用两个字节存储，一个字节是4E，另一个字节是25。存储的时候，4E在前，25在后，这就是大端序 方式；25在前，4E在后，这是小端序方式。

  Unicode 规范定义，每一个文件的最前面分别加入一个表示编码顺序的字符，这个字符的名字叫做"零宽度非换行空格"（zero width no-break space），用FEFF表示。这正好是两个字节，而且FF比FE大1。

  如果一个文本文件的头两个字节是FE FF，就表示该文件采用大端序方式；如果头两个字节是FF FE，就表示该文件采用小端序方式。

UTF-32

  UTF-32编码长度是固定的，UTF-32中的每个32位值代表一个Unicode码位，并且与该码位的数值完全一致。

  UTF-32的主要优点是可以直接由Unicode码位来索引。在编码序列中查找第N个编码是一个常数时间操作。编码序列中的字符位置可以用一个整数来表示，整数加一即可得到下一个字符的位置，就和ASCII字符串一样简单。

  每个码位使用四个字节，空间浪费较多。

比如ASCII字符a ，用UTF8编码是1个字节，用UTF-16编码是2个字节，而用UTF32编码，却是4个字节。

  UTF32也有大端序和小端序。

大端序：00 00 FE FF

小端序: FF FE 00 00

java针对UTF-8和UTF-16的额外说明

  考虑下面的字符，ASCII的字符 a，构成的字符串。

String test = "a";// 字符a的Unicode码\\u0041
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_8).length);// 1
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_16).length);// 4
test = "aa";
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_8).length);// 2
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_16).length);// 6
test = "aaa";
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_8).length);// 3
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_16).length);// 8


test = new StringBuilder().appendCodePoint(0x07FF).toString();
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_8).length);//2
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_16).length);//4
test = new StringBuilder().appendCodePoint(0x07FF).appendCodePoint(0x07FF).toString();
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_8).length);//4
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_16).length);//6

test = new StringBuilder().appendCodePoint(0X10FFFF).appendCodePoint(0X10FFFF).toString();
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_8).length);// 8
System.out.println(test.getBytes(StandardCharsets.UTF_16).length);// 10

  理解2个点：

• UTF-8是可变长编码，在U+0000..U+007F之间只需要编码成1个字节，以此类推(按照前面的表格对应)。
• UTF-16编码，需要额外加入编码的字节数组前加BOM，占据2个字节。另外的字符再按照字符对应的码点值进行UTF-16编码，每个字符占据2个字节或4个字节(如果码点值大于0XFFFF）。

  常见的中文，比如“谭”字构成的字符串，UTF-8编码属于3字节，UTF16则是4字节。原因是，“谭”字属于BMP平面内，可以用一个char表示，所以转换成字符串长度则是1。

java中码点与char互换的函数（列出部分实用的）

Character类

• public static boolean isValidCodePoint(int codePoint)

判断码点是否是有效码点

• public static boolean isBmpCodePoint(int codePoint)

判断码点是否属于BMP平面字符

• public static boolean isSupplementaryCodePoint(int codePoint)

判断码点是否属于补充字符

• public static boolean isHighSurrogate(char ch)

判断char是否属于高代理区间的字符

• public static boolean isLowSurrogate(char ch)

判断char是否属于低代理区间的字符

• public static boolean isSurrogate(char ch)

判断char是否属于代理区间的字符（可能是高代理，可能是低代理）

• public static boolean isSurrogatePair(char high, char low)

判断两个char是否属于一对代理对

• public static int charCount(int codePoint)

判断码点需要几个char表示

• public static int toCodePoint(char high, char low)

将高低代理字符转换成码点

• public static int codePointAt(CharSequence seq, int index)

给定字符序列及下标，得到对应字符的码点

• public static int codePointAt(char[] a, int index)

给定字符数组及下标，得到对应字符的码点

• public static int codePointAt(char[] a, int index)

给定字符数组及下标，得到对应字符的码点

• public static char highSurrogate(int codePoint)

给定码点，得到对应的高代理字符

• public static char lowSurrogate(int codePoint)

给定码点，得到对应的低代理字符

• public static char[] toChars(int codePoint)

给定码点，得到对应的UTF-16字符表示

String类

• public int codePointAt(int index)

得到对应下标的UTF-16字符所对应的码点

• codePoints()

得到字符串对应的码点流

• public int codePointCount(int beginIndex, int endIndex)

返回beginIndex到endIndex-1之间的码点数量。

StringBuilder,StringBuffer类

• appendCodePoint(int codePoint)

通过码点追加字符

mysql的UTF-8和utf8mb4

  近期由测试人员，使用apache的commons-lang3包。maven引入如下所示。

<dependency>
   <groupId>org.apache.commons</groupId>
   <artifactId>commons-lang3</artifactId>
   <version>3.9</version>
</dependency>

  RandomStringUtils生成的字符串构建的字符串，生成后插入mysql的数据库时，由于Mysql采用的是utf8编码，当遇到码点值不在BMP内的字符时，无法插入数据库，就会抛出异常，报错信息类似于。

 Cause: java.sql.SQLException: Incorrect string value: '\\xF0\\xA9\\xB8\\x80' for column 'columnName' at row 1

UTF-8编码，第一个字符\\F0标明，该字符采用的是UTF8的4字节编码。

  主要是该列采用的是varchar类型，而且插入的mysql数据库，默认的数据集是utf8，默认的排序规则是utf8_general_ci，mysql的驱动版本是5.1.25，版本还在5.7的时候，而mysql该版本的utf8默认是utf8mb3，限制是在1-3字节的unicode字符，即BMP字符。

字符集和排序规则不再赘述，相关含义参见MYSQL官方给的解释。

  后面给出的解决方案大概分两个类型，一个是mysql底层数据库改成utf8mb4的字符集，以及对应的排序规则。另一个是不改变底层数据库字符集的情况下，兼容改造或者限制。

  由于DBA明确表示，不支持utf-8的编码字符集。所以只能采取第二种方式。最后敲定是进行限制。

  解决一共就有两种方向：

• 将varchar类型改成varbinary类型
• 限制插入的数据属于utf8mb3的字符

varchar类型改成varbinary类型

• 将出错字段改成byte[]数组而非String类型，所要插入的数据用UTF8模式进行编码，然后mybatis读取回来后的byte[]数组用UTF-8进行解码成String
• 出错字段依旧保持是String类型，将mysql驱动升级为5.1.48，数据库连接参数上加上字符集是characterEncoding=UTF-8的配置

在5.1.25的驱动时，因为底层jdbc的驱动中，ResultSetImpl的getString，将得到的byte[]数据以US-ASCII进行编码。

  区别在于下面是5.1.48时，判断元数据的列的类型是binary的类型时，采用连接时的参数编码。

String encoding = metadata.getCollationIndex() == CharsetMapping.MYSQL_COLLATION_INDEX_binary ? this.connection.getEncoding()
                    : metadata.getEncoding();

  字段依旧是String的情况下，采用varbinary，能够解决mysql仅采用utf8编码但可以保存4字节UTF8的问题。

限制字段为utf8mb3

  处于utf8mb4的字符属于十分不常见，很少用的字符。所以最后是对其作出限制。如何限制成为一个问题，即给定一个字符串，如果判断不是utf8mb4格式的？或者说如何判断该字符串是utf8mb3格式的？

  实际上是对字符串所用的码点进行判断，是否每个码点都是BMP字符，存在一个不是，就说明不符合要求。

public static boolean isMysqlSupportString(String content) 
        return StringUtils.isBlank(content) || content.codePoints().allMatch(Character::isBmpCodePoint);

  然后后面又想到一个优化，大概是这样也可以进行判断。

public static boolean isMysqlSupportString2(String content) 
        return StringUtils.isBlank(content) || content.codePoints().toArray().length == content.length();
    

  等同于下面的判断：

    public static boolean isMysqlSupportString2(String content) 
        return StringUtils.isBlank(content) || content.codePointCount(0,content.length()) == content.length();
    

结语

  本次算是涨了一波知识，主要是对于字符编码，即Java的码点部分有了清晰的认知。希望该博文对看者有用。

参考文献

1. java官方文档-原数据类型
2. UTF-8
3. UTF-16
4. utf-32
5. 字符编码-阮一峰