21、Java字符集解码与自定义字符集实现

Java字符集解码与自定义字符集实现

1. 字符集解码流程

在Java中，字符集解码是将字节序列转换为字符序列的过程。以下是解码的具体步骤：
1. 多次调用 decode() 方法 ：多次调用 decode() 方法，将 endOfInput 设置为 false ，将字节数据输入到解码引擎中。随着解码的进行，字符会被添加到给定的 CharBuffer 中。
2. 最后一次调用 decode() 方法 ：调用一次 decode() 方法，将 endOfInput 设置为 true ，告知解码器所有输入数据已提供。
3. 调用 flush() 方法 ：调用 flush() 方法，确保所有解码后的字符都已输出。

解码过程与编码过程类似， decode() 方法会返回 CoderResult 对象，用于指示操作结果。当出现下溢或上溢指示时，输入和输出缓冲区的管理方式与编码时相同。

以下是处理解码错误的相关API：

package java.nio.charset;

public abstract class CharsetDecoder {
    // 这是部分API列表
    public CodingErrorAction malformedInputAction();
    public final CharsetDecoder onMalformedInput(CodingErrorAction newAction);
    public CodingErrorAction unmappableCharacterAction();
    public final CharsetDecoder onUnmappableCharacter(CodingErrorAction newAction);
    public final String replacement();
    public final CharsetDecoder replaceWith(String newReplacement);
}

处理替换序列的API方法操作的是字符串，而不是字节数组。在解码时，字节序列会转换为字符序列，因此解码操作的替换序列以字符串形式指定，该字符串包含在错误条件下要插入到输出 CharBuffer 中的字符。需要注意的是，没有 isLegalReplacement() 方法来测试替换序列。任何构造的字符串都是合法的替换序列，除非它比 maxCharsPerByte() 返回的值长。如果使用过长的字符串调用 replaceWith() ，将导致 java.lang.IllegalArgumentException 。

以下是一个字符集解码的示例代码：

package com.ronsoft.books.nio.charset;

import java.nio.*;
import java.nio.charset.*;
import java.nio.channels.*;
import java.io.*;

/**
 * 测试字符集解码
 * @author Ron Hitchens (ron@ronsoft.com)
 */
public class CharsetDecode {
    public static void main(String [] argv) throws IOException {
        // 默认字符集是标准ASCII
        String charsetName = "ISO-8859-1";

        // 可以在命令行指定字符集名称
        if (argv.length > 0) {
            charsetName = argv[0];
        }

        // 将Channel包装在stdin上，将Channel包装在stdout上，
        // 找到指定的字符集并将它们传递给decode方法。
        // 如果指定的字符集无效，将抛出UnsupportedCharsetException类型的异常。
        decodeChannel(Channels.newChannel(System.in),
                      new OutputStreamWriter(System.out),
                      Charset.forName(charsetName));
    }

    public static void decodeChannel(ReadableByteChannel source,
                                     Writer writer, Charset charset)
            throws UnsupportedCharsetException, IOException {
        // 从字符集获取解码器实例
        CharsetDecoder decoder = charset.newDecoder();

        // 告诉解码器用默认标记替换坏字符
        decoder.onMalformedInput(CodingErrorAction.REPLACE);
        decoder.onUnmappableCharacter(CodingErrorAction.REPLACE);

        // 为测试目的分配不同大小的输入和输出缓冲区
        ByteBuffer bb = ByteBuffer.allocateDirect(16 * 1024);
        CharBuffer cb = CharBuffer.allocate(57);

        // 缓冲区开始为空；表示需要输入
        CoderResult result = CoderResult.UNDERFLOW;
        boolean eof = false;

        while (!eof) {
            // 输入缓冲区下溢；解码器需要更多输入
            if (result == CoderResult.UNDERFLOW) {
                // 解码器消耗了所有输入，准备重新填充
                bb.clear();

                // 填充输入缓冲区；注意EOF
                eof = (source.read(bb) == -1);

                // 准备缓冲区供解码器读取
                bb.flip();
            }

            // 将输入字节解码为输出字符；传递EOF标志
            result = decoder.decode(bb, cb, eof);

            // 如果输出缓冲区已满，排空输出
            if (result == CoderResult.OVERFLOW) {
                drainCharBuf(cb, writer);
            }
        }

        // 刷新解码器中的任何剩余状态，注意检测输出缓冲区溢出
        while (decoder.flush(cb) == CoderResult.OVERFLOW) {
            drainCharBuf(cb, writer);
        }

        // 排空输出缓冲区中剩余的任何字符
        drainCharBuf(cb, writer);

        // 关闭通道；将任何缓冲数据输出到stdout
        source.close();
        writer.flush();
    }

    static void drainCharBuf(CharBuffer cb, Writer writer) throws IOException {
        cb.flip();        // 准备排空缓冲区

        // 写入CharBuffer中包含的字符，但实际上不修改缓冲区的状态
        // 如果通过调用get()排空字符缓冲区，这里可能需要一个循环
        if (cb.hasRemaining()) {
            writer.write(cb.toString());
        }

        cb.clear();        // 准备再次填充缓冲区
    }
}

2. 字符集命名规则

字符集由IANA正式定义，标准化的字符集会在IANA注册。Java 1.4及以后的字符集处理基于IANA颁布的约定和标准。IANA不仅注册名称，还对名称的结构和内容有规则（RFC 2278）。如果创建新的字符集实现，应遵循字符集名称的约定。 Charset 类也强制执行相同的规则。例如，字符集的名称必须由以下字符集组成，且第一个字符必须是字母或数字：

字符	Unicode值	RFC 2278名称
A - Z	\u0041 - \u005a
a - z	\u0061 - \u007a
0 - 9	\u0030 - \u0039
- (破折号)	\u002d	HYPHEN - MINUS
. (句点)	\u002e	FULLSTOP
: (冒号)	\u003a	COLON
_ (下划线)	\u005f	LOWLINE

3. 自定义字符集的实现

要在运行的JVM中实现自定义字符集，需要完成以下步骤：

3.1 创建 Charset 对象

需要创建 java.nio.charset.Charset 的子类，并提供三个抽象方法和一个构造函数的具体实现。 Charset 类没有默认的无参构造函数，因此自定义字符集类必须有一个构造函数，即使它不接受参数。在构造函数开始时调用 super() ，为 Charset 的构造函数提供字符集的规范名称和别名。

以下是 Charset 类的API，包含构造函数和抽象方法：

package java.nio.charset;

public abstract class Charset implements Comparable {
    protected Charset(String canonicalName, String [] aliases);

    public static SortedMap availableCharsets();
    public static boolean isSupported(String charsetName);
    public static Charset forName(String charsetName);
    public final String name();
    public final Set aliases();
    public String displayName();
    public String displayName(Locale locale);
    public final boolean isRegistered();
    public boolean canEncode();
    public abstract CharsetEncoder newEncoder();
    public final ByteBuffer encode(CharBuffer cb);
    public final ByteBuffer encode(String str);
    public abstract CharsetDecoder newDecoder();
    public final CharBuffer decode(ByteBuffer bb);
    public abstract boolean contains(Charset cs);
    public final boolean equals(Object ob);
    public final int compareTo(Object ob);
    public final int hashCode();
    public final String toString();
}

3.2 创建 CharsetEncoder 和 CharsetDecoder 的具体实现

还需要提供 CharsetEncoder 和 CharsetDecoder 的具体实现。以下是 CharsetEncoder 类的API，包含构造函数和抽象方法：

package java.nio.charset;

public abstract class CharsetEncoder {
    protected CharsetEncoder(Charset cs, float averageBytesPerChar, float maxBytesPerChar);
    protected CharsetEncoder(Charset cs, float averageBytesPerChar, float maxBytesPerChar, byte [] replacement);
    public final Charset charset();
    public final float averageBytesPerChar();
    public final float maxBytesPerChar();
    public final CharsetEncoder reset();
    protected void implReset();
    public final ByteBuffer encode(CharBuffer in) throws CharacterCodingException;
    public final CoderResult encode(CharBuffer in, ByteBuffer out, boolean endOfInput);
    public final CoderResult flush(ByteBuffer out);
    protected CoderResult implFlush(ByteBuffer out);
    public boolean canEncode(char c);
    public boolean canEncode(CharSequence cs);
    public CodingErrorAction malformedInputAction();
    public final CharsetEncoder onMalformedInput(CodingErrorAction newAction);
    protected void implOnMalformedInput(CodingErrorAction newAction);
    public CodingErrorAction unmappableCharacterAction();
    public final CharsetEncoder onUnmappableCharacter(CodingErrorAction newAction);
    protected void implOnUnmappableCharacter(CodingErrorAction newAction);
    public final byte [] replacement();
    public boolean isLegalReplacement(byte[] repl);
    public final CharsetEncoder replaceWith(byte[] newReplacement);
    protected void implReplaceWith(byte[] newReplacement);
    protected abstract CoderResult encodeLoop(CharBuffer in, ByteBuffer out);
}

要提供自己的 CharsetEncoder 实现，至少需要提供一个具体的 encodeLoop() 方法。对于简单的编码算法，其他方法的默认实现应该可以正常工作。 encodeLoop() 方法的参数与 encode() 方法类似，但不包含布尔标志。 encode() 方法将实际编码委托给 encodeLoop() ， encodeLoop() 只需要处理从 CharBuffer 参数中消耗字符，并将编码后的字节输出到提供的 ByteBuffer 中。

以下是 CharsetDecoder 类的API：

package java.nio.charset;

public abstract class CharsetDecoder {
    protected CharsetDecoder(Charset cs, float averageCharsPerByte, float maxCharsPerByte);
    public final Charset charset();
    public final float averageCharsPerByte();
    public final float maxCharsPerByte();
    public boolean isAutoDetecting();
    public boolean isCharsetDetected();
    public Charset detectedCharset();
    public final CharsetDecoder reset();
    protected void implReset();
    public final CharBuffer decode(ByteBuffer in) throws CharacterCodingException;
    public final CoderResult decode(ByteBuffer in, CharBuffer out, boolean endOfInput);
    public final CoderResult flush(CharBuffer out);
    protected CoderResult implFlush(CharBuffer out);
    public CodingErrorAction malformedInputAction();
    public final CharsetDecoder onMalformedInput(CodingErrorAction newAction);
    protected void implOnMalformedInput(CodingErrorAction newAction);
    public CodingErrorAction unmappableCharacterAction();
    public final CharsetDecoder onUnmappableCharacter(CodingErrorAction newAction);
    protected void implOnUnmappableCharacter(CodingErrorAction newAction);
    public final String replacement();
    public final CharsetDecoder replaceWith(String newReplacement);
    protected void implReplaceWith(String newReplacement);
    protected abstract CoderResult decodeLoop(ByteBuffer in, CharBuffer out);
}

4. 将自定义字符集集成到JVM中

要将自定义字符集提供给JVM运行时环境，需要创建 java.nio.charsets.spi 包中 CharsetProvider 类的具体子类，该子类必须有一个无参构造函数。

配置文件 java.nio.charset.spi.CharsetProvider 用于定位字符集提供程序，它位于JVM类路径的资源目录 META - INF/services 中。每个文件的内容是一个完全限定类名的列表，这些类是该服务提供程序类的具体实现。

以下是 CharsetProvider 类的API：

package java.nio.charset.spi;

public abstract class CharsetProvider {
    protected CharsetProvider() throws SecurityException;
    public abstract Iterator charsets();
    public abstract Charset charsetForName(String charsetName);
}

charsets() 方法用于获取提供程序类提供的 Charset 类列表，应返回一个 java.util.Iterator ，枚举提供的 Charset 实例的引用。 charsetForName() 方法用于将字符集名称（规范名称或别名）映射到 Charset 对象。如果提供程序不提供请求名称的字符集，该方法应返回 null 。

字符集提供程序对象的实例化由安全管理器检查（如果安装了安全管理器）。安全管理器必须允许 java.lang.RuntimePermission("charset - Provider") ，否则无法安装新的字符集提供程序。

通过以上步骤，你可以创建自己的自定义字符集及其相关的编码器和解码器，并将它们集成到运行的JVM中。

以下是自定义字符集实现与集成的流程图：

graph TD;
    A[创建Charset子类] --> B[实现抽象方法和构造函数];
    B --> C[创建CharsetEncoder和CharsetDecoder实现];
    C --> D[创建CharsetProvider子类];
    D --> E[编写配置文件];
    E --> F[将JAR文件放入类路径];
    F --> G[JVM加载自定义字符集];

综上所述，Java提供了强大而灵活的机制来处理字符集解码和自定义字符集的实现。通过遵循上述步骤和规则，开发者可以轻松地完成字符集相关的开发任务。

Java字符集解码与自定义字符集实现

5. 字符集解码和自定义字符集的应用场景

字符集解码和自定义字符集在实际开发中有广泛的应用场景，以下是一些常见的例子：

5.1 数据传输与存储

在网络通信中，数据通常以字节流的形式传输。接收方需要将接收到的字节流解码为字符序列，以便正确处理和显示数据。例如，在HTTP请求和响应中，服务器和客户端需要根据指定的字符集对数据进行编码和解码。

在数据存储方面，不同的文件系统和数据库可能使用不同的字符集。当读取和写入数据时，需要确保使用正确的字符集进行编码和解码，以避免数据丢失或乱码。

5.2 多语言支持

在开发国际化应用程序时，需要支持多种语言。自定义字符集可以用于处理特定语言或字符集的编码和解码，确保应用程序能够正确显示和处理各种语言的文本。

例如，在开发一个支持多种语言的网站时，需要根据用户的语言偏好选择合适的字符集进行编码和解码，以提供良好的用户体验。

5.3 数据处理与转换

在数据处理和转换过程中，可能需要对不同字符集的数据进行转换。例如，将一个使用GBK字符集编码的文件转换为UTF - 8字符集编码的文件。通过自定义字符集和相关的编码器和解码器，可以实现高效的数据转换。

6. 注意事项与最佳实践

在进行字符集解码和自定义字符集实现时，需要注意以下几点：

6.1 字符集的选择

在选择字符集时，应根据具体的应用场景和需求进行选择。UTF - 8是一种广泛使用的字符集，支持全球大部分语言，建议在大多数情况下使用。如果需要处理特定语言或历史数据，可能需要选择其他字符集。

6.2 错误处理

在解码过程中，可能会遇到非法字符序列或无法映射的字符。应根据实际情况选择合适的错误处理策略，如替换、报告错误或忽略错误。

6.3 性能优化

在处理大量数据时，字符集编码和解码可能会成为性能瓶颈。可以通过优化缓冲区大小、使用直接缓冲区等方式提高性能。

以下是一些最佳实践的总结：
| 最佳实践 | 说明 |
| ---- | ---- |
| 明确指定字符集 | 在进行编码和解码操作时，明确指定使用的字符集，避免使用默认字符集导致的问题。 |
| 处理异常情况 | 在代码中捕获和处理可能出现的字符编码异常，如 CharacterCodingException 。 |
| 测试与验证 | 在开发过程中，对不同字符集的数据进行充分的测试和验证，确保程序的正确性。 |

7. 总结

本文详细介绍了Java中字符集解码的流程、自定义字符集的实现方法以及如何将自定义字符集集成到JVM中。通过以下步骤，开发者可以完成字符集相关的开发任务：
1. 按照特定步骤进行字符集解码，包括多次调用 decode() 方法、最后一次调用并设置 endOfInput 为 true 以及调用 flush() 方法。
2. 遵循字符集命名规则，创建自定义字符集时使用合法的字符集名称。
3. 创建 Charset 、 CharsetEncoder 和 CharsetDecoder 的具体实现，提供必要的抽象方法和构造函数。
4. 创建 CharsetProvider 子类，并通过配置文件将自定义字符集集成到JVM中。

同时，还介绍了字符集解码和自定义字符集的应用场景、注意事项和最佳实践。希望本文能够帮助开发者更好地理解和应用Java中的字符集相关知识，提高开发效率和程序的质量。

以下是字符集相关操作的整体流程总结：

graph LR;
    A[数据输入（字节流）] --> B[字符集解码];
    B --> C[数据处理];
    C --> D[字符集编码];
    D --> E[数据输出（字节流）];
    F[自定义字符集实现] --> G[创建Charset子类];
    G --> H[创建编码器和解码器];
    H --> I[创建CharsetProvider子类];
    I --> J[配置文件设置];
    J --> K[集成到JVM];
    K --> B;
    K --> D;

总之，掌握Java字符集解码和自定义字符集的实现方法，对于开发高质量的Java应用程序至关重要。开发者可以根据实际需求灵活运用这些知识，解决各种字符集相关的问题。