PHP中的pack和unpack函数

PHP有两个重要的冷门函数：pack和unpack。在网络编程，读写图像文件等场景，这两个函数几乎必不可少。鉴于文件读写/网络编程，或者说字节流处理的重要性，掌握这两个函数是迈向高级PHP编程的基础。

本文先介绍字节和字符的区别，说明两个函数存在的必要性和重要性。然后介绍基本用法和使用场景，让读者对其有大体了解，为实际使用中奠定基础。

字节和字符

PHP的优势是简单易用，熟练运用 字符串 和 数组 相关函数就能抗住一般的需求。日常工作中多用到字符串，所以PHP开发对字符都比较熟悉，稍微资深点基本能也能弄清字符编码。但字符的伴生概念：字节，不少PHP开发并不知晓/熟悉。

这不怪他们。PHP世界里极少出现“字节(流)”的概念：没有byte关键字（当然也没有char），官方文档也没提字节；没有原生的数组支持（常用的array其实是hashtable）；当然字符串(string)能表达其他语言中的字节数组(Byte Array, byte[])。

字节和字符有什么联系和区别呢？简单来说字节是计算机存储和操作的最小单位，字符是人们阅读的最小单位；字节是存储（物理）概念，字符是逻辑概念；字节代表数据（内涵和本质），字符代表其含义；字符由字节组成。

举几个例子说明两者区别：“中国”包含2个字符，GBK编码表示需要4个字节，UTF-8编码需要6个字节；数字“1234567890”，包含10个字符，用int32类型表示只需4个字节；下面的图片占用42582个字节，用字符表示是“我老婆”，只占用3个字符：

再举一个常用的例子说明字符和字节的区别。开发中我们常用md5算法获取数据的哈希值，算法返回一个128位(bit)的数据(16个字节)。为方便查看其值，人们约定成俗地用十六进制表示，结果就是我们熟知的32位长度的字符串（不区分大小写）。32长度字符串不是md5算法的必然结果，16字节数据才是其本质。如果你愿意，可以用一个小于2^128的数字表示哈希结果，也可以将16字节base64编码后作为其结果。所以常用的32位哈希值与md5返回的16字节关系为：一个是字符表示，另一个则是其本质(字符数组)（PHP的md5函数第二个参数值为true便可得到16字节数据，或hash函数第三个参数为true）。

相关概念还有字节序、字符编码等，本文不做展开。感兴趣的读者可参考本人之前的博客“文件和字符编码”或相关材料。

引言

PHP中专门处理字符串的函数有几十个，加上正则、时间等函数，字符串处理的函数不下百个。相比之下字节处理门庭冷落，相关函数寥寥无几。除了常用的ord/chr，哈希加密函数返回的原始字节、openssl库的openssl_random_pseudo_bytes等函数真正处理或返回 字节外，最重要的两个字节处理函数是pack和unpack。

本节从问题引出pack函数的使用。

问题

考虑一个简单的问题：宇宙的终极答案42在内存中是如何表示的（或者说怎么获取其字节数组）？

因为42是一个整数，根据硬件不同，其占用字节大小可能为1, 2, 4, 8等。这里我们限定一个整数占用4个字节，于是问题的等价表述为：怎样将一个整数转换成字节数组（本机序，4个字节）？

分析

因为是多字节，所以要考虑字节序的问题。42不超过255，只占用一个字节，故而其他三个字节都是0。据此得到结论：如果是大端序（低位字节存放在地址高位），四个字节分别是：0 0 0 42；如果是小端序，结果则是：42 0 0 0。

那怎么知道机器的字节序呢？PHP没有提供相关功能，也不能像C语言直接取地址访问字节数据。无所不能的PHP该怎么搞定字节序，或者说完成数据向字节的转换？

方案

PHP应用层面，数据向字节(数组)的转换是pack的专场，字节(数组)向数据的转换则是unpack的专场。除这两个函数，字节数组（或二进制数据）向数据的转换几无可能（如果有请不吝指教）。

现在我们用pack函数获取42在内存中的字节数组。相关代码如下：

function intToBytes(int $num) : string {
    return pack("l", $num);
}

function outputBytes(string $bytes) {
    echo "bytes: ";
    for ($i = 0; $i < strlen($bytes); ++ $i) {
        echo ord($bytes[$i]), " ";
    }
    echo PHP_EOL;
}

outputBytes(intToBytes(42));

// 程序输出：
bytes: 42 0 0 0

本人计算机用的英特尔的CPU，x86架构是小端序，所以程序输出符合预期。

延伸一下，怎么判断机器的字节序？有了pack函数，答案非常简单：

function bigEndian() : bool {
    $data = 0x1200;
    $bytes = pack("s", $data);

    return ord($bytes[0]) === 0x12;
}

调用函数便返回本机是否大端序。

上述是pack函数简单的使用场景，接下来分别介绍pack和unpack函数。

pack和unpack

pack函数

pack是“打包/封包”的意思。如其名，pack函数的工作是将数据按照格式打包成字节数组。函数原型为：

形式上与printf系列函数相同：第一个参数是格式字符串，其余参数是要格式化的参数。不同之处在于pack函数的格式中不能出现元字符和量词外的其他字符，所以不需要%符号。

上文的例子中使用了”l”和”s”两个格式化元字符，pack函数的元字符主要分为三类：

1. 字符串：a、A等；将数据转成字符串，功能上与sprintf类似，例如整数32转换成字符串”32″；
2. 字节：h和H；对字节进行16进制编码，区别在于低位还是高位在前，功能上与dechex等函数类似；
3. char/short/int/long/float/double六种基本类型：c/s/i/l等；将数据转换成对应类型的字节数组，除char类型外（暂）没有其他函数可替代；

注意：char和a/A等的区别是a/A等输入为字符(串)，而’s/S’的输入要求是小于256的整数，输入字符会得到0。

量词比较简单：数字和”“两种。例如”i2″表示将两个参数按照整数转换，”c“表示后续都按照char类型转换。

unpack

unpack是pack的反向操作：将字节数组解析成有意义的数据。其函数原型为：

unpack ( string $format , string $data [, int $offset = 0 ] ) : array

unpack函数需要注意的是第一个参数和返回值。返回值好理解，pack函数相当于将除格式化参数外的参数数组(想象成call_user_func_array的参数)变成一个字节数组；unpack做相反的事情：释放数据，得到输入时的参数数组。

返回一个数组，其键分别是什么呢？这便是格式化参数($format)在pack和unpack的不同之处：unpack应该对释放出来的数据命名，用”/”分隔各组数据。由于格式化参数允许有非元字符和量词外的字符，为了区分数据，不同数据间的”/”分隔符必不可少。

一个例子：

$bytes = pack("iaa*", 42, ":", "The answer to life, the universe and everything");

outputBytes($bytes);


$result = unpack("inumber/acolon/a*word", $bytes);
print_r($result);

// 程序输出：
bytes: 42 0 0 0 58 84 104 101 32 97 110 115 119 101 114 32 116 111 32 108 105 102 101 44 32 116 104 101 32 117 110 105 118 101 114 115 101 32 97 110 100 32 101 118 101 114 121 116 104 105 110 103
Array
(
    [num] => 42
    [colon] => :
    [word] => The answer to life, the universe and everything
)

如果不对释放出来的数据命名会怎么样？例如上例中unpack的格式化参数为：“i/a/a*”，结果是什么呢？其结果为：

Array
(
    [1] => The answer to life, the universe and everything
)

为何？官方文档上如是说：

Caution If you do not name an element, numeric indices starting from 1 are used. Be aware that if you have more than one unnamed element, some data is overwritten because the numbering restarts from 1 for each element.

翻译过来就是：如果你不对数据命名，默认的1, 2, 3…就用来当作键值。如果有多组数据，每组都用同样的下标，会导致数据覆盖。

所以能理解 “i/a/a*” 为何只剩最后一组数据了吧？

应用场景

读取图像、word/excel文件，解析binlog、二进制ip数据库文件等场合，pack和unpack几乎必不可少。本文举例说一下pack和unpack在网络编程时协议解析的用途。

假设我们的tcp包格式为：前四个字节表示包大小，其余字节为数据内容。于是客户(发送)端的send函数可以长这样：

public function send($data) {
  // 这里假设$data已经做了序列化、加密等操作，是字节数组
  // 计算报文长度，封装报文
  $len = strlen($data);
  $header = pack("L", $len);
  // 转换成网络(大端)序
  $header = xxx
  // 封包
  $binary = $header . $data;
  // 调用fwrite/socket_send等将数据写入内核缓冲区
  ...
}

服务(接收)端根据协议解析接收到的数据流：

public function decodable($session, $buffer) {
  $dataLen = strlen($buffer);
  // 非法数据包
  if ($dataLen < 4) {
    // 关闭连接、记录ip等
    ....
    return NOT_OK;
  }
  // 获取前四个字节
  $header = substr($buffer, 0, 4);
  // 转换成主机序
  $header = xxx
  // 解析数据长度
  $len = unpack("L", $header);
  // 单个报文不能超过8M，例如限制上传的图像大小
  if ($len > 8 * 1024 * 1024) {
    // 关闭连接等
    return NOT_OK;
  }

  // 检查数据包是否满足协议要求
  if ($dataLen - 4 >= $len) {
    return OK;
  }
  // 数据未全部到达，继续等待
  return NEED_DATA;
}

通过pack和unpack，我们顺利的处理报文协议和二进制字节流的发送和解析。

如果你用\n作为报文分隔符，pack和unpack也许用不到。但在网络通讯中直接传递字符毕竟少数（相当于明文传送），大多数情况下的二进制数据流的解析还是要靠pack和unpack。

总结

除分配内存，最重要的系统调用莫过于文件读写和网络连接，而两者的本质操作对象都是字节流。pack和unpack为PHP提供了底层字节操作的能力，在二进制数据处理中十分有用。有志于跳出web编程的PHP开发应该都要掌握这两个函数。

参考

1. 文件和字符编码
2. PHP Manual: pack
3. PHP Manual: unpack
4. Handling binary data in PHP with pack() and unpack()
5. PHP: 深入pack/unpack

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