深入理解 Node.js Buffer 的 encoding
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2021-08-31 09:38
计算机最小的单位是一个位，也就是 0 和 1，在硬件上通过高低电平来对应。但是只有一位表示的信息太少了，所以又规定了 8 个位为一个字节，之后数字、字符串等各种信息都是基于字节来存储的。
字符怎么存储呢？就是靠编码，不同的字符对应不同的编码，然后在需要渲染的时候根据对应编码去查字体库，然后渲染对应字符的图形。
字符集
字符集（charset）最早是 ASCII 码，也就是 abc ABC 123 等 128 个字符，因为计算机最早就是美国发明的。后来欧洲也制定了一套字符集标准，叫做 ISO，后来中国也搞了一套，叫做 GBK。
国际标准化组织觉得不能这样各自搞一套，不然同一个编码在不同字符集里面就不同的意思，于是就提出了 unicode 编码，把全世界大部分编码收录，这样每个字符只有唯一的编码。
但是 ASCII 码只需要 1 个字节就可以存储，而 GBK 需要 2 个字节，还有的字符集需要 3 个字节等。有的只要一个字节存储却存了 2 个字节，比较浪费空间。所以就出现了 utf-8、utf-16、utf-24 等不同编码方案。
utf-8、utf-16、utf-24 都是 unicode 编码，但是具体实现方案不同。
UTF-8 为了节省空间，设计了从 1 到 6 个字节的变长存储方案。而 UTF-16 是固定 2 个字节，UTF-24 是固定 4 个字节。
最后，UTF-8 因为占用空间最少，所以被广泛应用。
Node.js 的 Buffer 的 encoding
每种语言都支持字符集的编码解码，Node.js 也同样。
Node.js 里面可以通过 Buffer 来存储二进制的数据，而二进制的数据转为字符串的时候就需要指定字符集，Buffer 的 from、byteLength、lastIndexOf 等方法都支持指定 encoding：
具体支持的 encoding 有这些：
utf8、ucs2、utf16le、latin1、ascii、base64、hex
可能有的同学会发现：base64、hex 不是字符集啊，怎么也出现在这里？
是的，字节到字符的编码方案除了字符集之外，也有用于转为明文字符的 base64、以及转为 16 进制的 hex。
这也是为什么 Node.js 把它叫做 encoding 而不是 charset，因为支持的编解码方案不只是字符集。
如果不指定 encoding，默认是 utf8。
const buf = Buffer.alloc(11, 'aGVsbG8gd29ybGQ=', 'base64');
console.log(buf.toString());// hello world
encoding 的 源码
我去翻了下 Node.js 关于 encoding 的源码：
这一段是实现 encoding 的：
https://github.com/nodejs/node/blob/master/lib/buffer.js#L587-L726
可以看到每个 encoding 都实现了 encoding、encodingVal、byteLength、write、slice、indexOf 这几个 api，因为这些 api 用不同 encoding 方案，会有不同的结果，Node.js 会根据传入的 encoding 来返回不同的对象，这是一种多态的思想。
const encodingOps = {
utf8: {
encoding: 'utf8',
encodingVal: encodingsMap.utf8,
byteLength: byteLengthUtf8,
write: (buf, string, offset, len) => buf.utf8Write(string, offset, len),
slice: (buf, start, end) => buf.utf8Slice(start, end),
indexOf: (buf, val, byteOffset, dir) =>
indexOfString(buf, val, byteOffset, encodingsMap.utf8, dir)
},
ucs2: {
encoding: 'ucs2',
encodingVal: encodingsMap.utf16le,
byteLength: (string) => string.length * 2,
write: (buf, string, offset, len) => buf.ucs2Write(string, offset, len),
slice: (buf, start, end) => buf.ucs2Slice(start, end),
indexOf: (buf, val, byteOffset, dir) =>
indexOfString(buf, val, byteOffset, encodingsMap.utf16le, dir)
},
utf16le: {
encoding: 'utf16le',
encodingVal: encodingsMap.utf16le,
byteLength: (string) => string.length * 2,
write: (buf, string, offset, len) => buf.ucs2Write(string, offset, len),
slice: (buf, start, end) => buf.ucs2Slice(start, end),
indexOf: (buf, val, byteOffset, dir) =>
indexOfString(buf, val, byteOffset, encodingsMap.utf16le, dir)
},
latin1: {
encoding: 'latin1',
encodingVal: encodingsMap.latin1,
byteLength: (string) => string.length,
write: (buf, string, offset, len) => buf.latin1Write(string, offset, len),
slice: (buf, start, end) => buf.latin1Slice(start, end),
indexOf: (buf, val, byteOffset, dir) =>
indexOfString(buf, val, byteOffset, encodingsMap.latin1, dir)
},
ascii: {
encoding: 'ascii',
encodingVal: encodingsMap.ascii,
byteLength: (string) => string.length,
write: (buf, string, offset, len) => buf.asciiWrite(string, offset, len),
slice: (buf, start, end) => buf.asciiSlice(start, end),
indexOf: (buf, val, byteOffset, dir) =>
indexOfBuffer(buf,
fromStringFast(val, encodingOps.ascii),
byteOffset,
encodingsMap.ascii,
dir)
},
base64: {
encoding: 'base64',
encodingVal: encodingsMap.base64,
byteLength: (string) => base64ByteLength(string, string.length),
write: (buf, string, offset, len) => buf.base64Write(string, offset, len),
slice: (buf, start, end) => buf.base64Slice(start, end),
indexOf: (buf, val, byteOffset, dir) =>
indexOfBuffer(buf,
fromStringFast(val, encodingOps.base64),
byteOffset,
encodingsMap.base64,
dir)
},
hex: {
encoding: 'hex',
encodingVal: encodingsMap.hex,
byteLength: (string) => string.length >>> 1,
write: (buf, string, offset, len) => buf.hexWrite(string, offset, len),
slice: (buf, start, end) => buf.hexSlice(start, end),
indexOf: (buf, val, byteOffset, dir) =>
indexOfBuffer(buf,
fromStringFast(val, encodingOps.hex),
byteOffset,
encodingsMap.hex,
dir)
}
};
function getEncodingOps(encoding) {
encoding += '';
switch (encoding.length) {
case 4:
if (encoding === 'utf8') return encodingOps.utf8;
if (encoding === 'ucs2') return encodingOps.ucs2;
encoding = StringPrototypeToLowerCase(encoding);
if (encoding === 'utf8') return encodingOps.utf8;
if (encoding === 'ucs2') return encodingOps.ucs2;
break;
case 5:
if (encoding === 'utf-8') return encodingOps.utf8;
if (encoding === 'ascii') return encodingOps.ascii;
if (encoding === 'ucs-2') return encodingOps.ucs2;
encoding = StringPrototypeToLowerCase(encoding);
if (encoding === 'utf-8') return encodingOps.utf8;
if (encoding === 'ascii') return encodingOps.ascii;
if (encoding === 'ucs-2') return encodingOps.ucs2;
break;
case 7:
if (encoding === 'utf16le' ||
StringPrototypeToLowerCase(encoding) === 'utf16le')
return encodingOps.utf16le;
break;
case 8:
if (encoding === 'utf-16le' ||
StringPrototypeToLowerCase(encoding) === 'utf-16le')
return encodingOps.utf16le;
break;
case 6:
if (encoding === 'latin1' || encoding === 'binary')
return encodingOps.latin1;
if (encoding === 'base64') return encodingOps.base64;
encoding = StringPrototypeToLowerCase(encoding);
if (encoding === 'latin1' || encoding === 'binary')
return encodingOps.latin1;
if (encoding === 'base64') return encodingOps.base64;
break;
case 3:
if (encoding === 'hex' || StringPrototypeToLowerCase(encoding) === 'hex')
return encodingOps.hex;
break;
}
}
总结
计算机中存储数据的最小单位是位，但是存储信息最小的单位是字节，基于编码和字符的映射关系又实现了各种字符集，包括 ascii、iso、gbk 等，而国际标准化组织提出了 unicode 来包含所有字符，unicode 实现方案有若干种：utf-8、utf-16、utf-32，他们分别用不同的字节数来存储字符。其中 utf-8 是变长的，存储体积最小，所以被广泛应用。
Node.js 通过 Buffer 存储二进制数据，而转为字符串时需要指定编码方案，这个编码方案不只是包含字符集（charset），也支持 hex、base64 的方案，包括：
utf8、ucs2、utf16le、latin1、ascii、base64、hex
我们看了下 encoding 的 Node.js 源码，发现每种编码方案都会用实现一系列 api，这是一种多态的思想。
encoding 是学习 Node.js 频繁遇到的一个概念，而且 Node.js 的 encoding 不只是包含 charset，希望这篇文章能够帮大家了解编码和字符集。