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PHP: 深入pack/unpack
栏目分类:PHP教程    发布日期:2018-12-09    浏览次数:582次     收藏

开发十年,就只剩下这套架构体系了!

PHP作为一门为web而生的服务器端开发语言,被越来越多的公司所采用。其中不乏大公司,如腾迅、盛大、淘米、新浪等。在对性能要求比较高的项目中,PHP也逐渐演变成一门前端语言,用于访问后端接口。或者不同项目之间需要共享数据的时候,通常可以抽取出数据层,通过PHP来访问。

写在前面的话

本文介绍的是通过二进制数据包的方式通信,演示语言为PHP和Golang。PHP提供了pack/unpack函数来进行二进制打包和二进制解包。在具体讲解之前,我们先来了解一些基础知识。

什么是字节序

在不同的计算机体系结构中,对于数据(比特、字节、字)等的存储和传输机制有所不同,因而引发了计算机领域中一个潜在但是又很重要的问题,即通信双方交流的信息单元应该以什么样的顺序进行传送。如果达不成一致的规则,计算机的通信与存储将会无法进行。目前在各种体系的计算机中通常采用的字节存储机制主要有两种:大端(Big-endian)和小端(Little-endian)。这里所说的大端和小端即是字节序。

MSB和LSB

  • MSB是Most Significant Bit/Byte的首字母缩写,通常译为最重要的位或最重要的字节。它通常用来表示在一个bit序列(如一个byte是8个bit组成的一个序列)或一个byte序列(如word是两个byte组成的一个序列)中对整个序列取值影响最大的那个bit/byte。

  • LSB是Least Significant Bit/Byte的首字母缩写,通常译为最不重要的位或最不重要的字节。它通常用来表明在一个bit序列(如一个byte是8个bit组成的一个序列)或一个byte序列(如word是两个byte组成的一个序列)中对整个序列取值影响最小的那个bit/byte。

  • 对于一个十六进制int类型整数0x12345678来说,0x12就是MSB,0x78就是LSB。而对于0x78这个字节而言,它的二进制是01111000,那么最左边的那个0就是MSB,最右边的那个0就是LSB。

大端序

  • 大端序又叫网络字节序。大端序规定高位字节在存储时放在低地址上,在传输时高位字节放在流的开始;低位字节在存储时放在高地址上,在传输时低位字节放在流的末尾。

小端序

  • 小端序规定高位字节在存储时放在高地址上,在传输时高位字节放在流的末尾;低位字节在存储时放在低地址上,在传输时低位字节放在流的开始。

网络字节序

  • 网络字节序是指大端序。TCP/IP都是采用网络字节序的方式,java也是使用大端序方式存储。

主机字节序

  • 主机字节序代表本机的字节序。一般是小端序,但也有一些是大端序。

  • 主机字节序用在协议描述中则是指小端序。

总结

  • 字节序只针对于多字节类型的数据。比如对于int类型整数0x12345678,它占有4个字节的存储空间,存储方式有大端(0x12, 0x34, 0x56, 0x78)和小端(0x78, 0x56, 0x34, 0x12)两种。可以看到,在大端或小端的存储方式中,是以字节为单位的。所以对于单字节类型的数据,不存在字节序这个说法。

pack/unpack详解

PHP pack函数用于将其它进制的数字压缩到位字符串之中。也就是把其它进制数字转化为ASCII码字符串。

格式字符翻译

  • a -- 将字符串空白以 NULL 字符填满

  • A -- 将字符串空白以 SPACE 字符 (空格) 填满

  • h -- 16进制字符串,低位在前以半字节为单位

  • H -- 16进制字符串,高位在前以半字节为单位

  • c -- 有符号字符

  • C -- 无符号字符

  • s -- 有符号短整数 (16位,主机字节序)

  • S -- 无符号短整数 (16位,主机字节序)

  • n -- 无符号短整数 (16位, 大端字节序)

  • v -- 无符号短整数 (16位, 小端字节序)

  • i -- 有符号整数 (依赖机器大小及字节序)

  • I -- 无符号整数 (依赖机器大小及字节序)

  • l -- 有符号长整数 (32位,主机字节序)

  • L -- 无符号长整数 (32位,主机字节序)

  • N -- 无符号长整数 (32位, 大端字节序)

  • V -- 无符号长整数 (32位, 小端字节序)

  • f -- 单精度浮点数 (依计算机的范围)

  • d -- 双精度浮点数 (依计算机的范围)

  • x -- 空字节

  • X -- 倒回一位

  • @ -- 填入 NULL 字符到绝对位置

格式字符详解

  • pack/unpack允许使用修饰符*和数字,紧跟在格式字符之后,用于指定该格式的个数;

  • a和A都是用来打包字符串的,它们的唯一区别就是当小于定长时的填充方式。a以NULL填充,NULL事实上是'\0'的表示,代表空字节,8个位上全是0。A以空格填充,空格也即ASCII码为32的字符。这里有一个关于填充的使用场景的例子:请求登录的数据包规定用户名不超过20个字节,密码经过md5加密后是固定的32个字节。用户名就是变长的,为了便于服务器端读取和处理,通常会填充成定长。当然,这只是使用的方式之一,事实上还可以用变长的方式传递数据包,但这不在本文的探讨范围内。字符串有一点麻烦的是编码问题,尤其是在跟不同的平台通信时更为突出。比如在用pack进行打包字符串时,事实上是将字符内部的编码打包进去。单字节字符就没有问题,因为单字节在所有平台上都是一致的。来看个例子(pack.php):

<?php
$bin = pack("a", "d");
echo "output: " . $bin . "\n";
echo "output: 0x" . bin2hex($bin) . "\n";


$ php -f pack.php
output: d
output: 0x64


$bin是返回的二进制字符,您可以直接输出它,PHP知道如何处理。通过bin2hex方法将$bin转换成十六进制可以知道,十六进制0x64表示的是字符d。对于中文字符(多字节字符)来说,通常有GBK编码、BIG5编码以及UTF8编码等。比如在GBK编码中,一个中文字符采用2个字节来表示;在UTF8编码中,一个中文字符采用3个字节来表示。这通常需要协商采用统一的编码,否则会由于内部的表示不一致导致无法处理。在PHP中只要将文件保存为特定的编码格即可,其它语言可能跟操作系统相关,因此或许需要编码转换。本文的例子一概基于UTF8编码。继续来看个例子:

<?php
$bin = pack("a3", "中");
echo "output: 0x" . bin2hex($bin) . "\n";
echo "output: " . chr(0xe4) . chr(0xb8) . chr(0xad) . "\n";
echo "output: " . $bin{0} . $bin{1} . $bin{2} . "\n";


$ php -f pack.php
output: 0xe4b8ad
output: 中
output: 中


您可能会觉得很奇怪,后面2个输出是一样的。ASCII码表示单字节字符(其中包括英文字母、数字、英文标点符号、不可见字符以及控制字符等等),它总是小于0x80,即小于十进制的128。当在处理字符时,如果字节小于0x80,则把它当作单字节来处理,否则会继续读取下一个字节,这通常跟编码有关,GBK会将2个字节当成一个字符来处理,UTF8则需要3个字节。有时候在PHP中需要做类似的处理,比如计算字符串中字符的个数(字符串可能包含单字节和多字节),strlen方法只能计算字节数,而mb_strlen需要开启扩展。类似这样的需求,其实很容易处理:

<?php
function mbstrlen($str)
{
	$len = strlen($str);
	
	if ($len <= 0)
	{
		return 0;
	}
	
	$count  = 0;
	
	for ($i = 0; $i < $len; $i++)
	{
		$count++;
		if (ord($str{$i}) >= 0x80)
		{
			$i += 2;
		}
	}
	
	return $count;
}

echo "output: " . mbstrlen("中国so强大!") . "\n";


$ php -f pack.php
output: 7


以上代码的实现就是利用单字节字符的ASCII码小于0x80。至于要跳过几个字节,这要看具体是什么编码。接下来通过例子来看看a和A的区别:

$GOPATH/src

----pack_test

--------main.go

main.go的源码(只是用于测试,没有考虑细节):

package main

import (
	"fmt"
	"net"
)

const BUF_SIZE = 20

func handleConnection(conn net.Conn) {
	defer conn.Close()
	buf := make([]byte, BUF_SIZE)
	n, err := conn.Read(buf)
	
	if err != nil {
		fmt.Printf("err: %v\n", err)
		return
	}

	fmt.Printf("\n已接收:%d个字节,数据是:'%s'\n", n, string(buf))
}

func main() {
	ln, err := net.Listen("tcp", ":9872")
	
	if err != nil {
		fmt.Printf("error: %v\n", err)
		return
	}

	for {
		conn, err := ln.Accept()
		if err != nil {
			continue
		}
		go handleConnection(conn)
	}
}


代码很简单,收到数据,然后输出。

pack.php

<?php
$host = "127.0.0.1";
$port = "9872";

$socket = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP)
  or die("Unable to create socket\n");

@socket_connect($socket, $host, $port) or die("Connect error.\n");

if ($err = socket_last_error($socket))
{

  socket_close($socket);
  die(socket_strerror($err) . "\n");
}

$binarydata = pack("a20", "中国强大");
$len = socket_write ($socket , $binarydata, strlen($binarydata));
socket_close($socket);


$ cd $GOPATH/src/pack_test
$ go build
$ ./pack_test


$ php -f pack.php


当执行php后,可以看到服务器端在控制台输出:

已接收:20个字节,数据是:'中国强大'


以上的输出中,单引号不是数据的一部分,只是为了便于观察。很明显,我们打包的字符串只占12字节,a20表示20个a,您当然可以连续写20个a,但我想您不会这么傻。如果是a*的话,则表示任意多个a。通过服务器端的输出来看,PHP发送了20个字节过去,服务器端也接收了20个字节,但因为填充的\0是空字符,所以您不会看到有什么不一样的地方。现在我们将a20换成A20,代码如下:

<?php
$host = "127.0.0.1";
$port = "9872";

$socket = socket_create(AF_INET, SOCK_STREAM, SOL_TCP)
  or die("Unable to create socket\n");

@socket_connect($socket, $host, $port) or die("Connect error.\n");

if ($err = socket_last_error($socket))
{

  socket_close($socket);
  die(socket_strerror($err) . "\n");
}

$binarydata = pack("A20", "中国强大");
$len = socket_write ($socket , $binarydata, strlen($binarydata));
socket_close($socket);


$ php -f pack.php


您会发现服务器端的输出不一样了:

已接收:20个字节,数据是:'中国强大        '


是的,空格存在于数据中。这就是a和A的区别。

  • h和H的描述看起来有些奇怪。它们都是读取十进制,以十六进制方式读取,以半字节(4位)为单位。这听起来有些拗口,还是以实例来说明:

<?php
echo "output: " . pack("H", 0x5) . "\n";


$ php -f pack.php
output: P


首先是读取十进制,所以0x5会转成十进制的5,然后以半字节为单位并且以十六进制方式读取,为了补足8位,所以需要在5后面补0,变成0x50。别忘了十六进制的一位相当于二进制的四位。0x50正好是字符P的ASCII码。

<?php
echo "output: " . chr(0x50) . "\n";


$ php -f pack.php
output: P


h和H的差别在于h是低位在前,H是高位在前,拿前面的例子来看看h的行为:

<?php
$bin = pack("h", 0x5);
echo "output: " . $bin . "\n";
echo "output: " . ord($bin) . "\n";


$ php -f pack.php
output: 
output: 5


读取十进制的5,后面补0,变成十六进制的0x50,因为H是高位在前,所以没有变化,而h就需要将0x50变成0x05。由于0x05是不可见字符,所以上面的字符输出是空的。

h和H是以半字节为单位,h2和H2则表示一次读取8位,同理h3和H3可以推导出来,但是别忘了补足8位哦!

<?php
echo "output: " . pack("H", 0x47) . "\n";


$ php -f pack.php
output: p


以上的代码中,0x47为十进制的71,因为读取半个字节,所以变成0x7,后面补0变成0x70,则刚好是字符p的ASCII码。如果换成是h格式化,则最终的结果是0x07,因为低位在前。

对于一次读取多个字节,也以同样的规则:

<?php
echo "output: " . pack("H2h2", 0x47, 0x56) . "\n";


$ php -f pack.php
output: qh


0x47是十进制的71,由于使用H2格式化,所以一次读取8位,最后变成十六进制的0x71,即字符q的ASCII码。0x56是十进制的86,由于使用h2格式化,所以一次读取8位,最后变成十六进制的0x86,但是由于h表示低位在前,因此0x86变成0x68,即字符h的ASCII码。

  • c和C都表示字符,前者表示有符号字符,后者表示无符号字符。

<?php
echo "output: " . pack("c", 65) . "\n";
echo "output: " . pack("C", 65) . "\n";


$ php -f pack.php
output: A
output: A


  • s为有符号短整数;S为无符号短整数。它们都为主机字节序,并且为16位。通常为主机字节序的格式化字符,一般只用于单机的操作,因为您无法确定主机字节序究竟是大端还是小端。当然,您一定要这么干的话,也是有办法来获取本机字节序是属于大端或小端,但那样是没有必要的。稍后就会给出一个通过PHP来判断字节序的例子。

<?php
$bin1 = pack("s", 345);
$bin2 = pack("S", 452);
print_r(unpack("sshort1", $bin1));
print_r(unpack("sshort2", $bin2));


$ php -f pack.php
Array
(
    [short1] => 345
)
Array
(
    [short2] => 452
)


  • n和v除了明确指定了字节序,其它行为跟s和S是一样的。

  • i和I依赖于机器大小及字节序,很少用它们。

  • l、L、N、V跟s、S、n、v类似,除了表示的大小不同,前者都为32位,后者都为16位。

  • f、d是因为float和double与CPU无关。一般来说,编译器是按照IEEE标准解释的,即把float/double看作4/8个字符的数组进行解释。因此,只要编译器是支持IEEE浮点标准的,就不需要考虑字节顺序。

  • 剩下的x、X和@用得比较少,对此不作深究。

unpack的用法

  • unpack是用来解包经过pack打包的数据包,如果成功,则返回数组。其中格式化字符和执行pack时一一对应,但是需要额外的指定一个key,用作返回数组的key。多个字段用/分隔。例如:

<?php
$bin = @pack("a9SS", "陈一回", 20, 1);
$data = @unpack("a9name/sage/Sgender", $bin);

if (is_array($data))
{
	print_r($data);
}


$ php  -f pack.php
Array
(
    [name] => 陈一回
    [age] => 20
    [gender] => 1
)


一些例子

  • 判断大小端

<?php
function IsBigEndian()
{
	$bin = pack("L", 0x12345678);
	$hex = bin2hex($bin);
	if (ord(pack("H2", $hex)) === 0x78)
	{
		return FALSE;
	}

	return TRUE;
}

if (IsBigEndian())
{
	echo "大端序";
}
else
{
	echo "小端序";
}

echo "\n";


$ php -f pack.php
小端序


  • 网络通信

    比如现在要通过PHP发送数据包到服务器来登录。在仅需要提供用户名(最多30个字节)和密码(md5之后固定为32字节)的情况下,可以构造如下数据包(当然这事先需要跟服务器协商好数据包的规范,本例以网络字节序通信):

    包结构:

字段 字节数 说明
包头 定长 每一个通信消息必须包含的内容
包体 不定长 根据每个通信消息的不同产生变化

其中包头详细内容如下:

字段
字节数 类型
说明
pkg_len 2
ushort 整个包的长度,不超过4K
version 1 uchar 通讯协议版本号
command_id 2 ushort 消息命令ID
result 2 short 请求时不起作用;请求返回时使用

当然实际中可能会涉及到各种校验。本文为了简单,只是列举一下通常的工作流程及处理的方式。

登录(执行命储1001)

字段 字节数 类型 说明
用户名 30 uchar[30] 登录用户名
密码 32 uchar[32] 登录密码

包头是定长的,通过计算可知包头占7个字节,并且包头在包体之前。比如用户陈一回需要登录,密码是123456,则代码如下:

<?php
$version    = 1;
$result     = 0;
$command_id = 1001;
$username   = "陈一回";
$password   = md5("123456");
// 构造包体
$bin_body   = pack("a30a32", $username, $password);
// 包体长度
$body_len   = strlen($bin_body);
$bin_head   = pack("nCns", $body_len, $version, $command_id, $result);
$bin_data   = $bin_head . $bin_body;
// 发送数据
// socket_write($socket, $bin_data, strlen($bin_data));
// socket_close($socket);


服务器端通过读取定长包头,拿到包体长度,再读取并解析包体。大致的过程就是这样。当然服务器端也会返回响应包,客户端做相应的读取处理。


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