可变长度整数的编码

可变长度整数(以下简称为varint)压缩算法是将整数压缩成比通常需要的更小空间的一种方法。一个varint算法以用一个字节表示10,而用4个字节来表示8亿。

比如,在应用中,大多数的值都在0到100之间,而有些值可能会超过16384,如果使用固定长度的空间来表示这些值的话,就需要一个完整的32位整数,即使大多数值用单个字节来表示就够了。

正是因为在中大多数数字的分布并不均匀,varint算法才有了用武之地。通常情况下,较小的数字出现的概率大于较大的数字。varint算法作出的权衡是,用较小的空间存储小数字,而用较大的空间存储大数字。因此,采用这种算法来对整数进行编码是有意义的,它可以节省存储数据需要的空间或者传输数据时所需的带宽。

两种varint编码的常见方式是使用前缀长度和使用连续位标识。

连续位标识

Protobuf用的是连续位标识技术,使用每个字节的第一位来标识是否需要继续向后读。每个字节低7位用于实际的编码。

比如对于数字25,8位二进制为0001 1001。注意最左边一位是0,在Protobuf中,这意味着不需要继续向后读了。采用这样的技术,0到127之间的数字都可以用一个字节表示。

对于大于127的数,比如225,二进制为1110 0001,如果用7个bit进行编码,则得到两个分组000 0001110 0001。对Protobuf来说,最不重要的分组首先出现,这意味着应该向低阶组添加一个连续位0 000 00011 110 0001。逆置分组后,得到1110 00010000 0001。这样就使用两个字节对225进行了编码。

解码的过程如下,先读一个字节,如果该字节的高位第一个bit为1,则继续读;如果为0,则停止。移除每个字节的第一个bit,逆置剩余的bit分组,重新组合后得到原始的数据。

还是以225为例。

  1. 读取到的字节为1110000100000001
  2. 移除首bit后得到110000010000001
  3. 逆置后得到00000011100001
  4. 得到11100001,即为225。

这个技术非常强大,它可以编码任意大小的数字。

前缀长度

UTF8编码采用了前缀来标识编码的长度。对于小于等于127(十六进制0x7F)的任何字符,UTF8采用一个字节表示。该字节的高一位bit为0,低7位为编码的值,这个值和ASCII码值一样。具体规则如下表

第一个字节 第二个字节 第三个字节 第四个字节 用于实际编码的bit数量 能表示的最大unicode值
0xxxxxxx 7 127
110xxxxx 10xxxxxx 11 2047
1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 16 65535
11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 21 1114111
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