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Java字符串编码介绍

1. 常见字符串编码

常见的字符串编码有：

LATIN1
- 只能保存ASCII字符，又称ISO-8859-1。
UTF-8
- 变长字符编码，一个字符需要使用1个、2个或者3个byte表示。由于中文通常需要3个字节表示，中文场景UTF-8编码通常需要更多的空间，替代的方案是GBK/GB2312/GB18030。
UTF-16
- 2个字符，一个字符需要使用2个byte表示，又称UCS-2 (2-byte Universal Character Set)。根据大小端的区分，UTF-16有两种形式，UTF-16BE和UTF-16LE，缺省UTF-16指UTF-16BE。Java语言中的char是UTF-16LE编码。
GB18030
- 变长字符编码，一个字符需要使用1个、2个或者3个byte表示。类似UTF8，但中文只需要2个字符，在国际不通用。

编码	LATIN1	UTF8	UTF16	GB18030
长度	定长为1	变长1/2/3	定长2	变长1/2/3
计算速度	快	慢	快	慢
英文存储空间	小	小	大
中文存储空间		大	小	小
典型场景		存储常用编码	计算常用编码	中文存储

为了计算方便，内存中字符串通常使用等宽字符，Java语言中char和.NET中的char都是使用UTF-16。早期Windows-NT只支持UTF-16。

2. 编码转换性能

UTF-16和UTF-8之间转换比较复杂，通常性能较差。

Java字符串编码介绍

如下是一个将UTF-16转换为UTF-8编码的实现，可以看出算法比较复杂，所以性能较差

static int encodeUTF8(char[] utf16, int off, int len, byte[] dest, int dp) {
    int sl = off + len, last_offset = sl - 1;

    while (off < sl) {
        char c = utf16[off++];
        if (c < 0x80) {
            // Have at most seven bits
            dest[dp++] = (byte) c;
        } else if (c < 0x800) {
            // 2 dest, 11 bits
            dest[dp++] = (byte) (0xc0 | (c >> 6));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f));
        } else if (c >= '/uD800' && c < '/uE000') {
            int uc;
            if (c < '/uDC00') {
                if (off > last_offset) {
                    dest[dp++] = (byte) '?';
                    return dp;
                }

                char d = utf16[off];
                if (d >= '/uDC00' && d < '/uE000') {
                    uc = (c << 10) + d + 0xfca02400;
                } else {
                    throw new RuntimeException("encodeUTF8 error", new MalformedInputException(1));
                }
            } else {
                uc = c;
            }
            dest[dp++] = (byte) (0xf0 | ((uc >> 18)));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 12) & 0x3f));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((uc >> 6) & 0x3f));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | (uc & 0x3f));
            off++; // 2 utf16
        } else {
            // 3 dest, 16 bits
            dest[dp++] = (byte) (0xe0 | ((c >> 12)));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | ((c >> 6) & 0x3f));
            dest[dp++] = (byte) (0x80 | (c & 0x3f));
        }
    }
    return dp;
}

复制代码

由于Java中char是UTF-16LE编码，如果需要将char[]转换为UTF-16LE编码的byte[]时，可以使用sun.misc.Unsafe#copyMemory方法快速拷贝。比如：

static int writeUtf16LE(char[] chars, int off, int len, byte[] dest, final int dp) {
    UNSAFE.copyMemory(chars
            , CHAR_ARRAY_BASE_OFFSET + off * 2
            , dest
            , BYTE_ARRAY_BASE_OFFSET + dp
            , len * 2
    );
    dp += len * 2;
    return dp;
}
复制代码

3. Java String的编码

不同版本的JDK String的实现不一样，从而导致有不同的性能表现。char是UTF-16编码，但String在JDK 9之后内部可以有LATIN1编码。

3.1. JDK 6之前的String实现

class String {
    char[] value;
    int offset;
    int count;
}
复制代码

在Java 6之前，String.subString方法产生的String对象和原来String对象公用一个char[]，这会导致引用subString会导致一个较大的char[]被引用而无法被GC回收。于是使得很多库都会针对JDK 6及以下版本避免使用subString方法。

3.2. JDK 7/8的String实现

class String {
    char[] value;
}
复制代码

JDK 7之后，字符串去掉了offset和count字段，value.length就是原来的count。这避免了subString引用大char[]的问题，优化也更容易，从而JDK7/8中的String操作性能比Java 6有较大提升。

3.3. JDK 9/10/11的实现

class String {
    byte code;
    byte[] value;

    static final byte LATIN1 = 0;
    static final byte UTF16  = 1;
}
复制代码

JDK 9之后，value类型从char[]变成byte[]，增加了一个字段code，如果字符全部是ASCII字符，使用value使用LATIN编码；如果存在任何一个非ASCII字符，则用UTF16编码。这种混合编码的方式，使得英文场景占更少的内存。缺点是导致Java 9的String API性能可能不如JDK 8，有些场景下降10%。

原文 https://juejin.im/post/5c4d5c43e51d457cba6cd8d2

正文到此结束

所属分类：编程技术 Java

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