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[Erlang]用erlang实现binary_to_term

2015-06-04 14:06 429 查看
erlang提供了两个函数用于erlang数据与二进制的转换,term_to_binary 把erlang数据转成一个二进制数据,binary_to_term 则是把二进制数据转为原始的erlang数据。这两个函数都是c实现的,效率很高,可用于序列化和反序列化数据,可以被直接用来当作网络封包协议。文章主要探讨这种二进制协议数据的组织形式,以及用erlang语言实现binary_to_term

前言

接触erlang可能有这些疑问,或者听别人这样说起:1、erlang数字可以无限长,远远超过了INT64所能表示的范围,怎么表示的?2、原子不能太长,会影响封包大小?3、还有,旧版本erlang浮点数占用太多空间?别再疑惑了,以上这些都可以在文章中找到答案。
下面演示下这两个函数:[plain] view plaincopy1> term_to_binary(a).  
<<131,100,0,1,97>>  
2> term_to_binary(1).  
<<131,97,1>>  
3> term_to_binary({a,b,c}).  
<<131,104,3,100,0,1,97,100,0,1,98,100,0,1,99>>  
4> binary_to_term(v(1)).  
a  
5> binary_to_term(v(2)).  
1  
6> binary_to_term(v(3)).  
{a,b,c}  
可以看出 term_to_binary/1 生成的二进制数据是比较有规律的,第1个字节固定是131,遵循着一定的封包格式,数据才能被解析出来。知道这个二进制数据的组织形式,就可以用任意语言解包Erlang数据。

初识binary数据

现在重点介绍长整形、原子、浮点数、列表的协议规则,其他数据协议参考文档:External Term Format

erlang长整形

现在重点看下erlang长整形(erlang叫法是Bignums):
10.18 SMALL_BIG_EXT
111n
110nSignd(0) ... d(n-1)
Table 10.24:  Bignums are stored in unary form with a Sign byte that is 0 if the binum is positive and 1 if is negative. The digits are stored with the LSB byte stored first. To calculate the integer the following formula can be used:
B = 256
(d0*B^0 + d1*B^1 + d2*B^2 + ... d(N-1)*B^(n-1))
实际上,erlang一个长整形会被“切分”成多个段,每个段数据用8位表示。公式为:(d0*B^0 + d1*B^1 + d2*B^2 + ... d(N-1)*B^(n-1)), 其中,B = 256所以,理论上erlang数字可以无限长。

erlang原子

10.7  ATOM_EXT
12Len
100LenAtomName
Table 10.13:  An atom is stored with a 2 byte unsigned length in big-endian order, followed by Len numbers of 8 bit Latin1 characters that forms theAtomName. Note: The maximum allowed value for Len is 255.
erlang原子会转成字符串,所以,太长会影响二进制封包大小。

erlang浮点数

10.6  FLOAT_EXT
131
99Float String
Table 10.12:  A float is stored in string format. the format used in sprintf to format the float is "%.20e" (there are more bytes allocated than necessary). To unpack the float use sscanf with format "%lf".
以上是旧版本erlang浮点数的表示方式,一个erlang浮点数就使用了31个字节来表示,相当浪费。
10.26  NEW_FLOAT_EXT
18
70IEEE float
Table 10.32:  A float is stored as 8 bytes in big-endian IEEE format.This term is used in minor version 1 of the external format.
以上的新版的erlang浮点数表示,使用了8个字节来表示一个浮点数,精简了很多。[plain] view plaincopy



Eshell V5.9.1 (abort with ^G)  
1> term_to_binary(19.2).  
<<131,99,49,46,57,49,57,57,57,57,57,57,57,57,57,57,57,57,  
  57,57,48,48,48,48,101,43,48,48,49,...>>  
[plain] view plaincopy



Eshell V6.2 (abort with ^G)  
1> term_to_binary(19.2).  
<<131,70,64,51,51,51,51,51,51,51>>  

erlang列表

10.16  LIST_EXT
14
108LengthElementsTail
Table 10.22:  Length is the number of elements that follows in the Elements section. Tail is the final tail of the list; it is NIL_EXT for a proper list, but may be anything type if the list is improper (for instance [a|b]).
列表由三部分组成:长度、元素、nil标志,这里需要注意的是这个nil标志,如果是空列表,就只有nil标志,记NIL_EXT;元祖跟列表类似,少了nil标志。
好了,理论到这里。下面贴个例子,简单识别binary数据:[plain] view plaincopy



-module(test).  
-compile(export_all).  
  
term_to_data(Term) ->  
    Bin = term_to_binary(Term),  
    binary_to_data(Bin).  
      
binary_to_data(<<131, Bin/binary>>) ->  
    binary_to_data1(Bin);  
binary_to_data(_) ->  
    error.  
  
-define(NEW_FLOAT_EXT, 70).  
-define(SMALL_INTEGER_EXT, 97).  
-define(INTEGER_EXT, 98).  
-define(FLOAT_EXT, 99).  
-define(ATOM_EXT, 100).  
-define(SMALL_TUPLE_EXT, 104).  
-define(LARGE_TUPLE_EXT, 105).  
-define(NIL_EXT, 106).  
-define(STRING_EXT, 107).  
-define(LIST_EXT, 108).  
-define(BINARY_EXT, 109).  
-define(SMALL_BIG_EXT, 110).  
-define(LARGE_BIG_EXT, 111).  
-define(SMALL_ATOM_EXT, 115).  
  
binary_to_data1(<<?LARGE_TUPLE_EXT, _ElemtSize:32, Bin/binary>>) ->  
    binary_to_data1(Bin);  
binary_to_data1(<<?SMALL_TUPLE_EXT, _ElemtSize:8, Bin/binary>>) ->  
    binary_to_data1(Bin);  
binary_to_data1(<<?SMALL_INTEGER_EXT, Int:8, Bin/binary>>) ->  
    msg(int, Int),  
    binary_to_data1(Bin);  
binary_to_data1(<<?INTEGER_EXT, Int:32, Bin/binary>>) ->  
    msg(int2, Int),  
    binary_to_data1(Bin);  
binary_to_data1(<<?FLOAT_EXT, Float:31/binary, Bin/binary>>) ->  
    F=erlang:binary_to_float(Float),  
    msg(float, F),  
    binary_to_data1(Bin);  
binary_to_data1(<<?NEW_FLOAT_EXT, Float:64/unsigned-big-float, Bin/binary>>) ->  
    msg(float2, Float),  
    binary_to_data1(Bin);  
binary_to_data1(<<?SMALL_BIG_EXT, N:8, _Sign:8, Bin:N/binary, Rest/binary>>) ->  
    {N, Big} = gen_small_big(Bin),  
    msg(big, Big),  
    binary_to_data1(Rest);  
binary_to_data1(<<?LARGE_BIG_EXT, N:32, _Sign:8, Bin:N/binary, Rest/binary>>) ->  
    {N, Big} = gen_small_big(Bin),  
    msg(big2, Big),  
    binary_to_data1(Rest);  
binary_to_data1(<<?ATOM_EXT, Len:16, Bin:Len/binary, Rest/binary>>) ->  
    msg(atom, erlang:binary_to_atom(Bin, latin1)),  
    binary_to_data1(Rest);  
binary_to_data1(<<?SMALL_ATOM_EXT, Len:8, Bin:Len/binary, Rest/binary>>) ->  
    msg(atom2, erlang:binary_to_atom(Bin, latin1)),  
    binary_to_data1(Rest);  
binary_to_data1(<<?STRING_EXT, Len:16, Bin:Len/binary, Rest/binary>>) ->  
    msg(string, Bin),  
    binary_to_data1(Rest);  
binary_to_data1(<<?BINARY_EXT, Len:32, Bin:Len/binary, Rest/binary>>) ->  
    msg(binary, Bin),  
    binary_to_data1(Rest);  
binary_to_data1(<<?LIST_EXT, _ElemtSize:32, Bin/binary>>) ->  
    %%msg(list, Bin),  
    binary_to_data1(Bin);  
binary_to_data1(<<?NIL_EXT, Rest/binary>>) ->  
    %%msg(list_nil, []),  
    binary_to_data1(Rest);  
binary_to_data1(<<>>) ->  
    ok;  
binary_to_data1(Bin) ->  
    msg(unknown, Bin).  
   
gen_small_big(<<Bin/binary>>) ->  
    gen_small_big(Bin, 0, 0).  
gen_small_big(<<>>, Number, Index) ->  
    {Index, Number};  
gen_small_big(<<Num:8, Rest/binary>>, Number, Index) ->  
    gen_small_big(Rest, Number + Num * (1 bsl (Index * 8)), Index+1).  
msg(Type, Data) ->  
    io:format("~w ~w~n", [Type,Data]),  
    ok.  
保存为test.erl,运行结果如下:[plain] view plaincopy



7> c(test).  
{ok,test}  
8> test:term_to_data({a,1,"abc"}).  
atom a  
int 1  
string <<97,98,99>>  
ok  
9> term_to_binary(11111111111111).  
<<131,110,6,0,199,177,212,1,27,10>>  
10> test:binary_to_data(term_to_binary(11111111111111)).  
big 11111111111111  
ok  

实现binary_to_term

下面改写上面的例子,用erlang语言实现binary_to_term,这里除了要识别二进制数据,还要将这些数据转成原始的 erlang 数据。[plain] view plaincopy



-module(test).  
-compile(export_all).  
  
term_to_data(Term) ->  
    Bin = term_to_binary(Term),  
    binary_to_data(Bin).  
      
binary_to_data(<<131, Bin/binary>>) ->  
    binary_to_data1(Bin, [], []);  
binary_to_data(_) ->  
    error.  
  
-define(NEW_FLOAT_EXT, 70).  
-define(SMALL_INTEGER_EXT, 97).  
-define(INTEGER_EXT, 98).  
-define(FLOAT_EXT, 99).  
-define(ATOM_EXT, 100).  
-define(SMALL_TUPLE_EXT, 104).  
-define(LARGE_TUPLE_EXT, 105).  
-define(NIL_EXT, 106).  
-define(STRING_EXT, 107).  
-define(LIST_EXT, 108).  
-define(BINARY_EXT, 109).  
-define(SMALL_BIG_EXT, 110).  
-define(LARGE_BIG_EXT, 111).  
-define(SMALL_ATOM_EXT, 115).  
  
binary_to_data2( DataList, SizeList, Data) ->  
    DataList1 = case Data of  
        undefined -> DataList;  
        _ -> [Data|DataList]  
    end,  
    case SizeList of  
        [{Type, Size, Index}|R] ->  
            Index1 = Index +1,  
            case Size=:=Index1 of  
                true ->  
                    {List, DataList2} = split_list(Type, DataList1, Size, []),  
                    DataList3 = gen_data_block(Type, List, DataList2),  
                    case R of  
                        [_|_] ->  
                            binary_to_data2( DataList3, R, undefined);  
                        _ ->  
                            {DataList3, R}  
                    end;  
                _ ->  
                    {DataList1, [{Type, Size, Index1}|R]}  
            end;  
        _ ->  
            {DataList1, SizeList}  
    end.  
  
split_list(list, [[]|TailList], Size, List) ->  
    split_list(list, TailList, Size-1, List);  
split_list(_Type, [], _Size, List) ->  
    {List,[]};  
split_list(_Type, TailList, 0, List) ->  
    {List, TailList};  
split_list(Type, [Data|TailList], Size, List) ->  
    split_list(Type, TailList, Size-1, [Data|List]).  
  
  
gen_data_block(tuple, List, DataList) ->  
    [list_to_tuple(List)|DataList];  
gen_data_block(list, List, DataList) ->  
    [List|DataList].  
      
binary_to_data1(<<?LARGE_TUPLE_EXT, ElemtSize:32, Bin/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    binary_to_data1(Bin, DataList, [{tuple, ElemtSize, 0}|SizeList]);  
binary_to_data1(<<?SMALL_TUPLE_EXT, ElemtSize:8, Bin/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    binary_to_data1(Bin, DataList, [{tuple, ElemtSize, 0}|SizeList]);  
binary_to_data1(<<?SMALL_INTEGER_EXT, Int:8, Bin/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    %%msg(int, Int),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, Int),  
    binary_to_data1(Bin, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<?INTEGER_EXT, Int:32, Bin/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    %%msg(int2, Int),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, Int),  
    binary_to_data1(Bin, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<?FLOAT_EXT, F:31/binary, Bin/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    Float = erlang:binary_to_float(F),  
    %%msg(float, Float),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, Float),  
    binary_to_data1(Bin, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<?NEW_FLOAT_EXT, Float:64/unsigned-big-float, Bin/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    %%msg(float2, Float),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, Float),  
    binary_to_data1(Bin, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<?SMALL_BIG_EXT, N:8, _Sign:8, Bin:N/binary, Rest/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    {N, Big} = gen_small_big(Bin),  
    %%msg(big, Big),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, Big),  
    binary_to_data1(Rest, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<?LARGE_BIG_EXT, N:32, _Sign:8, Bin:N/binary, Rest/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    {N, Big} = gen_small_big(Bin),  
    %%msg(big2, Big),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, Big),  
    binary_to_data1(Rest, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<?ATOM_EXT, Len:16, Bin:Len/binary, Rest/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    Atom = erlang:binary_to_atom(Bin, latin1),  
    %%msg(atom, Atom),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, Atom),  
    binary_to_data1(Rest, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<?SMALL_ATOM_EXT, Len:8, Bin:Len/binary, Rest/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    Atom = erlang:binary_to_atom(Bin, latin1),  
    %%msg(atom2, Atom),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, Atom),  
    binary_to_data1(Rest, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<?STRING_EXT, Len:16, Bin:Len/binary, Rest/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    String = binary_to_list(Bin),  
    %%msg(string, String),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, String),  
    binary_to_data1(Rest, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<?BINARY_EXT, Len:32, Bin:Len/binary, Rest/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    %%msg(binary, Bin),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, Bin),  
    binary_to_data1(Rest, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<?LIST_EXT, ElemtSize:32, Bin/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    %%msg(list, Bin),  
    binary_to_data1(Bin, DataList, [{list, ElemtSize+1, 0}|SizeList]);  
binary_to_data1(<<?NIL_EXT, Rest/binary>>, DataList, SizeList) ->  
    %%msg(list_nil, []),  
    {DataList1, SizeList1} = binary_to_data2( DataList, SizeList, []),  
    binary_to_data1(Rest, DataList1, SizeList1);  
binary_to_data1(<<>>, DataList, _SizeList) ->  
    %%msg(final, DataList),  
    case lists:reverse(DataList) of  
        [Data] -> next;  
        [] -> Data=error;  
        Data -> next  
    end,  
    Data;  
binary_to_data1(Bin, _DataList, _SizeList) ->  
    msg(unknown, Bin),  
    error.  
   
gen_small_big(<<Bin/binary>>) ->  
    gen_small_big(Bin, 0, 0).  
gen_small_big(<<>>, Number, Index) ->  
    {Index, Number};  
gen_small_big(<<Num:8, Rest/binary>>, Number, Index) ->  
    gen_small_big(Rest, Number + Num * (1 bsl (Index * 8)), Index+1).  
  
msg(Type, Data) ->  
    io:format("~w ~w~n", [Type,Data]),  
    ok.  
保存为test.erl,运行结果如下:[plain] view plaincopy



16> c(test).  
{ok,test}  
17> test:term_to_data({a,b,c}).  
{a,b,c}  
18> test:term_to_data([]).  
[]  
19> test:term_to_data({a,b,{c,{d,{e,"TTT"}},f,[g,h,i],[j]}}).  
{a,b,{c,{d,{e,"TTT"}},f,[g,h,i],[j]}}  
以上的例子有一个小问题,erlang R15以下版本不支持 binary_to_float 函数,所以在这些erlang版本测试float使用会有问题。有兴趣的小伙伴还可以自己动手试试实现 binary_to_float
代码比较长,这里也贴了例子下载地址:http://download.csdn.net/detail/cwqcwk1/8342895,欢迎下载
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