MySQL字符编码的讨论：如何处理emoji等4字节的Unicode字符-utf8mb4vs.utf8Collation_MySQL
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2022-05-11 16:25:59
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1. Unicode是什么
Unicode（中文：万国码、国际码、统一码、单一码）是计算机科学领域里的一项业界标准。它对世界上大部分的文字系统进行了整理、编码，使得电脑可以用更为简单的方式来呈现和处理文字。
简单说来，就是把世界上所有语言的字，加上所有能找到的符号（如高音谱号、麻将、emoji）用同一套编码表示出来。
2. UTF-8是什么
UTF-8（8-bit Unicode Transformation Format）是一种针对Unicode的可变长度字符编码。可变长度的意思在于，如果能使用1字节编码，UTF-8绝对不会使用2字节去表示。举个例子，UTF-8的1字节部分和ASCII码是相同的。所以表示'A'这个字符的时候，UTF-8与ASCII码不仅编码相同，而且都是只使用1字节。
3. Character Set和Collation是什么
Character Set是一套符号以及编码。Collation是character set的排序方法。在中文版的MySQL中，character set被翻译为“字符集”，collation被翻译为“整理”。
举个例子，UTF-8是character set，utf8_unicode_ci和utf8mb4_unicode_ci就是collation。
Collation的作用主要有二：字符排序与查找字符。
字符排序的作用是显而易见的，不过还是要用几个例子加以说明。比如要比较a和b的大小，因为在26个英文字母里面，a在b前，所以在编码的时候，也把a放在b前面。这样就产生了第一种排序方式，通过字符编码的大小来排序。而在中文里面，“年”和“日”的排序，除了按照字符编码大小，还可以有另外一些标准。比如可以按照笔画序，“年”的第一笔是丿，“日”的第一笔是丨，而丨是排在丿前的，所以就将“日”排在前面；也可以按拼音序，“年”是n开头，“日”是r开头，于是把“年”排在前面。除此以外，还可以定义部首序、笔画数序等等，而不同的排序方法会有不同的结果。英文也有大小写敏感与不敏感的排序方式。种种不同的排序方式，就形成了不同的collations。
Collation的第二个作用则是查找字符是否在一个字符集里面。既然是一个有序的集合，则可以快速地通过一个编码值确定一个字符是否在集合内。这个特性是我们在不知不觉中使用的。比如使用中文输入法，就是通过输入法找到一个编码，通过collation把它查找出来的。
4. Unicode再深入：Plane和中日韩越统一表意文字
Plane中文译作“Unicode平面字符映射”，不过我们还是叫它plane好啦。目前的Unicode字符分为17个planes，而每个plane拥有65536（即2^16）个代码点。可以认为一个plane就是一个范围的编码。
Plane 0也叫做BMP（Basic Multilingual Plane，基本多文种平面），存放着世界上各种语言与标记中最常用的字符。
Plane 1也叫做SMP（Supplementary Multilingual Plane，多文种补充平面），放着表情符号（emoji）、字母与数学符号、音乐符号、太玄经（太极符号）、装饰符号、扑克牌、麻将符号、箭头扩展和一些世界上各种语言不太常用的文字等等。
对于统一汉字（中日韩越统一表意文字，CJKV Unified Ideographs）来说，BMP存放着最初的版本（也是最常用字）与扩展A区的汉字。扩展B区到即将到来的扩展E区都放在SIP中。
在这些区中，除了独立字源的字，还有同一个字源或部首不同的变体或写法。比如“户”的第一笔，*与香港写作“户”，*写作“戶”，日本则写作“戸”。这些差异也会在Unicode中用三个不同的编码去表示。所以B区到E区有不少此种字体。
举些B区的例子。网络上之前流行的“不会功夫不要艹我”被写成““xx巭嫑莪”，其中“xx”这个字就是在B区。而粤语“x鸡”（阉鸡）、“x完松”（和一个人发生关系后弃之而去）两个词的首字也是在B区。
5. utf8_unicode_ci和utf8mb4_unicode_ci的异同
这两种collations所对应的字符都是UTF-8编码的一个子集。utf8_unicode_ci最多能找到3个字节的Unicode编码，而utf8mb4_unicode_ci则能找到4个字节的编码。由于调整后的UTF-8编码格式规定最多使用4字节（原来是6字节）编码，所以utf8mb4系列可以说是覆盖了整个Unicode编码。
由于utf8_unicode_ci最多能找到3个字节的编码，意味着它只支持BMP中的字符，对于SMP与SIP以及其他头一字节不为0x00、需要4字节编码的planes来说，utf8_unicode_ci这种collation是无法支持。当使用4字节的字符（如emoji与B区以后的统一汉字）对使用此种collation的字段进行增删查改时，数据库会报一个非法字符的异常。而utf8mb4则没有此问题。由此也看出，utf8mb4_unicode_ci是utf8_unicode_ci的超集。
6. utf8mb4_unicode_ci的优缺点
utf8mb4系列的Collation在MySQL 5.5以上开始支持。相比起utf8_unicode_ci，它有如下的特性：
1) 在数据表中，对于BMP中的字符（最多使用3字节的字符，最常用的字符），两种collations具有完全相同的存储特性：相同的码值，相同的编码方式，相同的存储长度。不会增加任何的存储开销。
2) 在数据表中，对于其他plains的字符，utf8系列的collation根本不能存储，而utf8mb4系列的collations则可以存储。
3) 在数据表中，对于变长的字段（如VARCHAR2，TEXT），utf8mb4最大可存储的字符可能少于utf8系列的collation。
4) 在索引中，对于文本类型的字段，utf8mb4可索引的字符少于utf8系列的collations。如InnoDB的索引最多使用767字节。如果使用utf8mb4，每一个字符都会预留4字节做索引，而utf8则预留3字节。故此前者是191个字符，后者是255个字符。
5) 由于4)的原因，加上字符集大，utf8mb4的性能可能比utf8系列的collations低。
6) 若升级前的字段做了索引，需要把索引字符限制在191字符或以内。
7. 当前系统用哪个好
在当前的系统，全部都使用utf8_unicode_ci这种collation。但是在存储网页标题时，标题带有SMP或者SIP的字符，如emoji、粤语字，会引发数据库写入异常。于是，就有两种解决方向：
1) 扔掉。
1.1) 扔掉或截断引发异常的字。采取此种方法，需要对每一个标题进行扫描。
1.2) 扔掉整条记录。可以采取扫描法，或者扔掉引发异常的记录。
2) 升级到utf8mb4。会略为降低数据库性能。
7.1. 性能考虑
首先对于写入性能，查找字体的性能损耗由于在写入前字符都已经变成编码，基本可以忽略。对于网络传输的性能，则需要继续查找相关资料继续查证。但初步估计由于目前数据库在本地，故此这部分开销的增长不太明显。
而对于索引的性能，由于网页标题这一字段没有做索引，在可预见的将来也未有此计划，故此没有性能的损耗，也没有升级兼容性的担心。
况且，倘若走扔掉数据的方向，若采取扫描法，则需要付出扫描的开销。若采取扔掉记录法，则会先触发事务回滚，其他记录需要下次重新写入。而且当一批记录写入时有k个记录引发异常，则需要回滚与重试k次，除非使用扫描法预先扫描出这些异常的记录。但这也会引入额外的程序与数据库开销。若不使用事务，则数据库总体写入性能会大为降低。
虽然没有实测过，但从感觉上来定性判断，似乎扔掉记录比升级collation带来的性能退化要大。
7.2. 存储空间考虑
当前的网页标题是使用VARCHAR2存储。对于现在可用的、常见的BMP字符，不会引入额外的存储开销。BMP字符在VARCHAR的类型下不会为每一字符引入额外33%的空间开销。反之，定长的CHAR就会引入这种额外开销。
7.3. 目标数据考虑
网页标题作为以后特征分析的数据源。在分析需求完全没有确定的情况下，我认为扔掉任何数据都是不宜采取的办法，特别是整条记录扔掉更是不推荐。因为现阶段我们没有一套标准去判定何为有效数据、何为无效数据。有可能引发异常的那部分数据确实是没用的数据，也有可能那部分人群更倾向于在我们平台上活跃使用。既然各种可能性都存在，我们主动放弃一部分可能性，似乎不太恰当。
7.4. API设计与兼容性考虑
由于utf8_unicode_ci与utf8mb4_unicode_ci都是使用UTF-8编码，所以对于JAVA，使用MyBatis生成的代码是一样的，都是使用String类型。这点已经实测过。加上这两种collations在BMP中的编码完全一致，所以使用3字节与4字节的系统，对于BMP中的字符都是完全兼容、正常显示的。而对于3字节的系统，4字节的字符一般会显示成一个方框，或者在一个方框中有几个小数字，不会引发系统异常。
8. 总结
诚然，emoji对分词分析目前来说还没有什么效果，粤语词而且在SIP中也只是其中一部分，也不知道有多少日本动漫或者爱情动作片的网页会遇到这些生僻字，音乐符号也少人用，太极符号也不是每次都出现，一些数学增补的字符与箭头增补图案也不是每个人都会用。这些加起来可能不知够不够全部的千分之一。
但是倘若每一两个小时就会由于字符不能写入，引发数据库的异常。通过上面的分析，我认为增加这种兼容性带来的成本是可以接受的。
故此，我建议使用升级的方法，兼容所有Unicode字符。
Unicode（中文：万国码、国际码、统一码、单一码）是计算机科学领域里的一项业界标准。它对世界上大部分的文字系统进行了整理、编码，使得电脑可以用更为简单的方式来呈现和处理文字。
简单说来，就是把世界上所有语言的字，加上所有能找到的符号（如高音谱号、麻将、emoji）用同一套编码表示出来。
2. UTF-8是什么
UTF-8（8-bit Unicode Transformation Format）是一种针对Unicode的可变长度字符编码。可变长度的意思在于，如果能使用1字节编码，UTF-8绝对不会使用2字节去表示。举个例子，UTF-8的1字节部分和ASCII码是相同的。所以表示'A'这个字符的时候，UTF-8与ASCII码不仅编码相同，而且都是只使用1字节。
3. Character Set和Collation是什么
Character Set是一套符号以及编码。Collation是character set的排序方法。在中文版的MySQL中，character set被翻译为“字符集”，collation被翻译为“整理”。
举个例子，UTF-8是character set，utf8_unicode_ci和utf8mb4_unicode_ci就是collation。
Collation的作用主要有二：字符排序与查找字符。
字符排序的作用是显而易见的，不过还是要用几个例子加以说明。比如要比较a和b的大小，因为在26个英文字母里面，a在b前，所以在编码的时候，也把a放在b前面。这样就产生了第一种排序方式，通过字符编码的大小来排序。而在中文里面，“年”和“日”的排序，除了按照字符编码大小，还可以有另外一些标准。比如可以按照笔画序，“年”的第一笔是丿，“日”的第一笔是丨，而丨是排在丿前的，所以就将“日”排在前面；也可以按拼音序，“年”是n开头，“日”是r开头，于是把“年”排在前面。除此以外，还可以定义部首序、笔画数序等等，而不同的排序方法会有不同的结果。英文也有大小写敏感与不敏感的排序方式。种种不同的排序方式，就形成了不同的collations。
Collation的第二个作用则是查找字符是否在一个字符集里面。既然是一个有序的集合，则可以快速地通过一个编码值确定一个字符是否在集合内。这个特性是我们在不知不觉中使用的。比如使用中文输入法，就是通过输入法找到一个编码，通过collation把它查找出来的。
4. Unicode再深入：Plane和中日韩越统一表意文字
utf8_unicode_ci和utf8mb4_unicode_ci这两个collations都是基于UTF-8编码的，但排序方面或多或少会有差别。可是更大的差别是它查找字符的集合。这需要提到一个Unicode的概念：Plane。
4.1. PlanePlane中文译作“Unicode平面字符映射”，不过我们还是叫它plane好啦。目前的Unicode字符分为17个planes，而每个plane拥有65536（即2^16）个代码点。可以认为一个plane就是一个范围的编码。
Plane 0也叫做BMP（Basic Multilingual Plane，基本多文种平面），存放着世界上各种语言与标记中最常用的字符。
Plane 1也叫做SMP（Supplementary Multilingual Plane，多文种补充平面），放着表情符号（emoji）、字母与数学符号、音乐符号、太玄经（太极符号）、装饰符号、扑克牌、麻将符号、箭头扩展和一些世界上各种语言不太常用的文字等等。
Plane 2也叫做SIP（Supplementary Ideographic Plane，表意文字补充平面），用于存放统一汉字（见4.2）的一些罕用字与汉藏语系其他语言的用字（如粤语用字）。
4.2. 统一汉字的分布对于统一汉字（中日韩越统一表意文字，CJKV Unified Ideographs）来说，BMP存放着最初的版本（也是最常用字）与扩展A区的汉字。扩展B区到即将到来的扩展E区都放在SIP中。
在这些区中，除了独立字源的字，还有同一个字源或部首不同的变体或写法。比如“户”的第一笔，*与香港写作“户”，*写作“戶”，日本则写作“戸”。这些差异也会在Unicode中用三个不同的编码去表示。所以B区到E区有不少此种字体。
举些B区的例子。网络上之前流行的“不会功夫不要艹我”被写成““xx巭嫑莪”，其中“xx”这个字就是在B区。而粤语“x鸡”（阉鸡）、“x完松”（和一个人发生关系后弃之而去）两个词的首字也是在B区。
5. utf8_unicode_ci和utf8mb4_unicode_ci的异同
这两种collations所对应的字符都是UTF-8编码的一个子集。utf8_unicode_ci最多能找到3个字节的Unicode编码，而utf8mb4_unicode_ci则能找到4个字节的编码。由于调整后的UTF-8编码格式规定最多使用4字节（原来是6字节）编码，所以utf8mb4系列可以说是覆盖了整个Unicode编码。
由于utf8_unicode_ci最多能找到3个字节的编码，意味着它只支持BMP中的字符，对于SMP与SIP以及其他头一字节不为0x00、需要4字节编码的planes来说，utf8_unicode_ci这种collation是无法支持。当使用4字节的字符（如emoji与B区以后的统一汉字）对使用此种collation的字段进行增删查改时，数据库会报一个非法字符的异常。而utf8mb4则没有此问题。由此也看出，utf8mb4_unicode_ci是utf8_unicode_ci的超集。
6. utf8mb4_unicode_ci的优缺点
utf8mb4系列的Collation在MySQL 5.5以上开始支持。相比起utf8_unicode_ci，它有如下的特性：
1) 在数据表中，对于BMP中的字符（最多使用3字节的字符，最常用的字符），两种collations具有完全相同的存储特性：相同的码值，相同的编码方式，相同的存储长度。不会增加任何的存储开销。
2) 在数据表中，对于其他plains的字符，utf8系列的collation根本不能存储，而utf8mb4系列的collations则可以存储。
3) 在数据表中，对于变长的字段（如VARCHAR2，TEXT），utf8mb4最大可存储的字符可能少于utf8系列的collation。
4) 在索引中，对于文本类型的字段，utf8mb4可索引的字符少于utf8系列的collations。如InnoDB的索引最多使用767字节。如果使用utf8mb4，每一个字符都会预留4字节做索引，而utf8则预留3字节。故此前者是191个字符，后者是255个字符。
5) 由于4)的原因，加上字符集大，utf8mb4的性能可能比utf8系列的collations低。
6) 若升级前的字段做了索引，需要把索引字符限制在191字符或以内。
7. 当前系统用哪个好
在当前的系统，全部都使用utf8_unicode_ci这种collation。但是在存储网页标题时，标题带有SMP或者SIP的字符，如emoji、粤语字，会引发数据库写入异常。于是，就有两种解决方向：
1) 扔掉。
1.1) 扔掉或截断引发异常的字。采取此种方法，需要对每一个标题进行扫描。
1.2) 扔掉整条记录。可以采取扫描法，或者扔掉引发异常的记录。
2) 升级到utf8mb4。会略为降低数据库性能。
7.1. 性能考虑
首先对于写入性能，查找字体的性能损耗由于在写入前字符都已经变成编码，基本可以忽略。对于网络传输的性能，则需要继续查找相关资料继续查证。但初步估计由于目前数据库在本地，故此这部分开销的增长不太明显。
而对于索引的性能，由于网页标题这一字段没有做索引，在可预见的将来也未有此计划，故此没有性能的损耗，也没有升级兼容性的担心。
况且，倘若走扔掉数据的方向，若采取扫描法，则需要付出扫描的开销。若采取扔掉记录法，则会先触发事务回滚，其他记录需要下次重新写入。而且当一批记录写入时有k个记录引发异常，则需要回滚与重试k次，除非使用扫描法预先扫描出这些异常的记录。但这也会引入额外的程序与数据库开销。若不使用事务，则数据库总体写入性能会大为降低。
虽然没有实测过，但从感觉上来定性判断，似乎扔掉记录比升级collation带来的性能退化要大。
7.2. 存储空间考虑
当前的网页标题是使用VARCHAR2存储。对于现在可用的、常见的BMP字符，不会引入额外的存储开销。BMP字符在VARCHAR的类型下不会为每一字符引入额外33%的空间开销。反之，定长的CHAR就会引入这种额外开销。
7.3. 目标数据考虑
网页标题作为以后特征分析的数据源。在分析需求完全没有确定的情况下，我认为扔掉任何数据都是不宜采取的办法，特别是整条记录扔掉更是不推荐。因为现阶段我们没有一套标准去判定何为有效数据、何为无效数据。有可能引发异常的那部分数据确实是没用的数据，也有可能那部分人群更倾向于在我们平台上活跃使用。既然各种可能性都存在，我们主动放弃一部分可能性，似乎不太恰当。
7.4. API设计与兼容性考虑
由于utf8_unicode_ci与utf8mb4_unicode_ci都是使用UTF-8编码，所以对于JAVA，使用MyBatis生成的代码是一样的，都是使用String类型。这点已经实测过。加上这两种collations在BMP中的编码完全一致，所以使用3字节与4字节的系统，对于BMP中的字符都是完全兼容、正常显示的。而对于3字节的系统，4字节的字符一般会显示成一个方框，或者在一个方框中有几个小数字，不会引发系统异常。
8. 总结
诚然，emoji对分词分析目前来说还没有什么效果，粤语词而且在SIP中也只是其中一部分，也不知道有多少日本动漫或者爱情动作片的网页会遇到这些生僻字，音乐符号也少人用，太极符号也不是每次都出现，一些数学增补的字符与箭头增补图案也不是每个人都会用。这些加起来可能不知够不够全部的千分之一。
但是倘若每一两个小时就会由于字符不能写入，引发数据库的异常。通过上面的分析，我认为增加这种兼容性带来的成本是可以接受的。
故此，我建议使用升级的方法，兼容所有Unicode字符。
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