python bytes和bytearray、编码和解码

str、bytes和bytearray简介

str是字符数据，bytes和bytearray是字节数据。它们都是序列，可以进行迭代遍历。str和bytes是不可变序列，bytearray是可变序列，可以原处修改字节。

bytes和bytearray都能使用str类型的通用函数，比如find()、replace()、islower()等，不能用的是str的格式化操作。所以，如有需要，参考字符串(string)方法整理来获取这些函数的使用方法。

str

str将各个字符组合在一起，以一种不可变序列进行存储。但是在底层它还是一个个的二进制数，是由一个个的字节组成的(也就是byte)，只不过python根据指定的字符集编码"强行"将字节序列显示为字符。

python 3.x中默认str是unicode格式编码的，例如UTF-8字符集。

>>> import sys
>>> sys.getdefaultencoding()
'utf-8'

unicode编码的str，意味着能够直接存储除ascii码外的很多字符，比如中文，比如欧洲的重音符号。还意味着可以将一个unicode字符存储为多个字节，并将连续多个的字节翻译成单个对应的字符。

>>> a = "我"
>>> a
'我'

>>> ord(a)
25105

>>> a.encode()
b'xe6x88x91'

根据指定字符集，底层的字节序列和字符序列间的转换过程完全无需人为的参与，python已经做好了一切。

bytes

bytes是不可变的二进制格式字节数据(注意，是字节不是字符)，以整数方式表示。例如对于ascii范围内的字符"a"，它存储为97。

要构造bytes类型的数据，方法之一是在字符串前面加上b或B前缀。

例如：

>>> B = b"abcd"
>>> [i for i in B]
[97, 98, 99, 100]

>>> B[0] = "A"
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
TypeError: 'bytes' object does not support item assignment

bytes和下面的bytearray都能使用str类型的绝大部分方法。例如find()、replace()等，但用法上可能会有所区别，比如str.replace()的替换参数期待的是字符，而bytes.replace()的替换参数可能是字节。例如：

>>> b'abcd'.replace(b'cd',b'XY')
b'abXY'

bytearray

bytearray是可变的二进制数据(byte)。

要构造bytearray对象，方法之一是将bytes数据作为bytearray()方法的参数，或者将str数据和编码作为参数。

例如：

>>> S = b"abcd"
>>> BA = bytearray(S)

>>> [ i for i in BA ]
[97, 98, 99, 100]

>>> BA[0] = 65
>>> BA
bytearray(b'Abcd')

unicode字符

单字节的字符(8bit位，共256个字符，ascii只用到了7个字节)能表示出来的字符毕竟有限，例如它没法表示出中文字符。

所以，各国设计了各种多字节的字符编码来表达自己国家的文字，底层仍然使用二进制数存储，然后通过设计好的编码表将二进制数转换成各种字符。比如中国有GBK的各种编码，还有全球通用的编码类型unicode、utf-8、utf-16等。

无论什么编码，内部都包含ascii编码(也有例外，比如utf-16)，它只需单个字节。也就是说，ascii编码是任何其它编码表的子集。但有些编码表强制规定每个字符占多少个字节(比如unicode固定为2个字节)，有些编码表动态决定每个字符占多少个字节(比如utf-8是变长的，可能占用1-4个字节空间，存储字母为1个字节，存储中文字符为3个字节)。

关于unicode和utf-X格式的编码关系，粗略地可以认为utf-X是unicode格式的一种特殊类型。实际上在存储utf数据时，内部会自动在Unicode和utf之间进行转换。

要构建Unicode类型，只需加上u或U前缀。

>>> U = u"我爱你"

>>> B = bytes(U,"utf-8")
>>> B
b'xe6x88x91xe7x88xb1xe4xbdxa0'

>>> BA = bytearray(U,"utf-8")
>>> BA
bytearray(b'xe6x88x91xe7x88xb1xe4xbdxa0')

编码和解码

下面一张图搞懂编码、解码、编码表之间的关系。

不难看出，它们是一种根据编码表进行翻译、映射的过程：

编码：str   --> bytes
解码：bytes --> str

实际上，字符串类型只有encode()方法，没有decode()方法，而bytes类型只有decode()方法而没有encode()方法。

>>> set( dir(str) ) - set( dir(bytes) )
{'encode', ... , 'isidentifier', 'format'}

>>> set( dir(bytes) ) - set( dir(str) )
{'decode', 'hex', 'fromhex'}

二进制格式的数据也常称为裸数据(raw data)，所以str数据经过编码后得到raw data，raw data解码后得到的str。

python中的编码、解码

上面说了，编码是将字符数据转换成字节数据(raw data)，解码是将字节数据转换成字符数据。在Python中字符数据也就是字符串，即str类型，字节数据也就是bytes类型或bytearray类型。

编码时，可以使用字节类型的构造方法bytes()、bytearray()来构造字节，也可以使用str类型的encode()方法来转换。

解码时，可以使用str类型的构造方法str()来构造字符串，也可以使用bytes、bytearray()类型的decode()方法。

另外需要注意的是，编码和解码的过程中都需要指定编码表(字符集)，默认采用的是utf-8字符集。

编码过程

例如，使用encode()的方式将str编码为bytes数据。

>>> str1 = "abcd"
>>> str2 = "我爱你"

# 默认编码
>>> str1.encode()
b'abcd'
>>> str2.encode()
b'xe6x88x91xe7x88xb1xe4xbdxa0'

# 显式指定使用utf-8进行编码
>>> str1.encode("utf-8")
b'abcd'
>>> str2.encode("utf-8")
b'xe6x88x91xe7x88xb1xe4xbdxa0'

# 使用utf-16编码
>>> str1.encode("utf-16")
b'xffxfeax00bx00cx00dx00'
>>> str2.encode("utf-16")
b'xffxfex11b1r`O'

# 使用gb2312编码
>>> str1.encode("gb2312")
b'abcd'
>>> str2.encode("gb2312")
b'xcexd2xb0xaexc4xe3'

# 使用gbk编码
>>> str1.encode("gbk")
b'abcd'
>>> str2.encode("gbk")
b'xcexd2xb0xaexc4xe3'

使用bytes()和bytearray()将str构造成bytes或bytearray数据，这两个方法都要求str->byte的过程中给定编码。

>>> bytes(str1,encoding="utf-8")
b'abcd'
>>> bytes(str1,encoding="utf-16")
b'xffxfeax00bx00cx00dx00'

>>> bytearray(str1,encoding="utf-8")
bytearray(b'abcd')
>>> bytearray(str2,encoding="utf-8")
bytearray(b'xe6x88x91xe7x88xb1xe4xbdxa0')

实际上，bytes()、bytearray()这两个方法构造字节数据的时候还有点复杂，因为可以从多个数据源来构造，比如字符串、整数值、buffer。如何使用这两个方法构造字节数据，详细内容参考help(bytes)和help(bytearray)给出的说明，这里给几个简单示例。

构造bytes的方式：

# 构造空bytes对象
>>> bytes()
b''

# 使用str构造bytes序列，需要指定编码
>>> bytes("abcd",encoding="utf-8")
b'abcd'

# 使用int初始化5个字节的bytes序列
>>> bytes(5)
b'x00x00x00x00x00'

# 使用可迭代的int序列构造字节序列
# int值必须为0-256以内的数
>>> bytes([65,66,67])
b'ABC'

# 使用bytes或buffer来构造bytes对象
>>> bytes(b'abcd')
b'abcd'

构造bytearray的方式：

# 构造空bytearray对象
>>> bytearray()
bytearray(b'')

# 使用bytes或buffer构造bytearray序列
>>> bytearray(b"abcd")
bytearray(b'abcd')

# 使用str构造bytearray序列，需要指定编码
>>> bytearray("abcd",encoding="utf-8")
bytearray(b'abcd')

# 使用int初始化5个字节的bytearray序列
>>> bytearray(5)
bytearray(b'x00x00x00x00x00')

# 使用可迭代的int序列构造bytearray序列
# int值必须为0-256以内的数
>>> bytearray([65,66,67])
bytearray(b'ABC')

解码过程

解码是字节序列到str类型的转换。

例如，使用decode()方法进行解码"我"字，它的utf-8的编码对应为"xe6x88x91"：

>>> b = b'xe6x88x91'

# 采用默认字符集utf-8
>>> b.decode()
'我'

# 显式指定编码表
>>> b.decode("utf-8")
'我'

使用str()进行转换。

>>> str(b,"utf-8")
'我'

关于乱码

当编码、解码的过程使用了不同的(不兼容的)编码表时，就会出现乱码。所以，解决乱码的唯一方式是指定对应的编码表进行编码、解码。

例如，使用utf-8编码"我"字，得到一个bytes序列，然后使用gbk解码这个bytes序列。

>>> "我".encode().decode("gbk")
Traceback (most recent call last):
  File "<stdin>", line 1, in <module>
UnicodeDecodeError: 'gbk' codec can't decode byte 0x91 in position 2: incomplete multibyte sequence

这里报错了，因为utf-8的字节序列里有gbk无法解码的字节。如果使用文本编辑器一样的工具去显化这个过程，得到的将是乱码字符。