uleb128、sleb128和uleb128p1编码格式介绍

在程序中，一般使用32位比特位来表示一个整型的数值。不过，一般能够使用到的整数值都不会太大，使用32比特位来表示就有点太浪费了。对于普通计算机来说，这没什么问题，毕竟存储空间那么大。但是，对于移动设备来说，存储空间和内存空间都非常宝贵，不能浪费，能省就省。

Android的Dalvik虚拟机中，就使用了uleb128（Unsigned Little Endian Base 128）、uleb128p1（Unsigned Little Endian Base 128 Plus 1）和sleb128（Signed Little Endian Base 128）编码来解决整形数值占用空间大小浪费的问题（在Dalvik虚拟机中只使用这三种编码来表示32位整形数值）。

首先，我们来看看uleb128编码是怎么回事。要了解原理，最简单的方法，还是阅读代码。Dalvik使用readUnsignedLeb128函数来尝试读取一个uleb128编码的数值（代码位于dalviklibdexLeb128.h中）：

DEX_INLINE int readUnsignedLeb128(const u1** pStream) {
    const u1* ptr = *pStream;
    int result = *(ptr++);

    if (result > 0x7f) {
        int cur = *(ptr++);
        result = (result & 0x7f) | ((cur & 0x7f) << 7);
        if (cur > 0x7f) {
            cur = *(ptr++);
            result |= (cur & 0x7f) << 14;
            if (cur > 0x7f) {
                cur = *(ptr++);
                result |= (cur & 0x7f) << 21;
                if (cur > 0x7f) {
                    cur = *(ptr++);
                    result |= cur << 28;
                }
            }
        }
    }

    *pStream = ptr;
    return result;
}

代码非常简单，先读取第一个字节，并判断其是否大于0x7f，如果大于的话，则代表这个字节的最高位是1，而不是0。如果是1的话，则代表还要读下一个字节；如果是0的话，则代表uleb128编码的数值到此为止。而代表原来整型值的32位数据就嵌入在每个字节当中的7比特位中（应为最高位被用来表示编码是否结束了）。所以，如果要表示的整形值非常大的话，就需要5个字节表示了（反而比原来多一个字节）。而其实uleb128可以表示数值的范围其实是要比32位整形值要大的，有三位被浪费掉了。不过，一般程序中使用的整型值都不会太大，经常是小于100的，对于这种情况来说，只需要使用一个字节就可以表示了，比普通32位整形表示法少用了3个字节，节省的空间还是非常可观的。

uleb128编码，正如其名，是小端结尾的。因此第一个字节代表的是整形值的最低7比特位的值，第二个字节代表整型值的次低7比特位的值，以此类推，最后一个字节（最高位为0）代表整形值的最高7比特位的值。所以，代码中每发现要多用一个字节，都要多向左移动7位。

在Android源码提供的文档中，有下面这张图，可以帮助理解：

这张图表示了，只使用两个字节进行编码的情况。可以看到，第一个字节的最高位为1，代表还要用到接着的下一个字节。并且，第一个字节存放的是整型值的最低7位。而第二个字节的最高位为0，代表编码到此结束，剩下的7个比特位存放了整型值的高7位数据。

综上所述，对于uleb128编码来说，其特点如下：

1）一个uleb128编码的整形值，其占用的字节数是不确定的，长度有可能在1到5个字节之间变化；

2）一个uleb128编码的整形值，是以字节中最高位是否为0来表示字节流有没有结束的。

好，我们接下来在看看sleb128编码的实现。Dalvik使用readSignedLeb128函数来读取一个sleb128编码的数值（代码同样位于dalviklibdexLeb128.h中）：

DEX_INLINE int readSignedLeb128(const u1** pStream) {
    const u1* ptr = *pStream;
    int result = *(ptr++);

    if (result <= 0x7f) {
        result = (result << 25) >> 25;
    } else {
        int cur = *(ptr++);
        result = (result & 0x7f) | ((cur & 0x7f) << 7);
        if (cur <= 0x7f) {
            result = (result << 18) >> 18;
        } else {
            cur = *(ptr++);
            result |= (cur & 0x7f) << 14;
            if (cur <= 0x7f) {
                result = (result << 11) >> 11;
            } else {
                cur = *(ptr++);
                result |= (cur & 0x7f) << 21;
                if (cur <= 0x7f) {
                    result = (result << 4) >> 4;
                } else {
                    cur = *(ptr++);
                    result |= cur << 28;
                }
            }
        }
    }

    *pStream = ptr;
    return result;
}

可以看出来，其实处理的方法还是非常相似的。唯一的不同是，这里存放的是有符号整形数值，因此需要相应的进行符号位扩展，代码中是通过先左移到最左边，再算术右移同样的位数来实现的。

因此，sleb128和uleb128最大的区别就是，其编码的整形数值是有符号的，其它完全一样。

最后，我们再来看一个变种，也就是uleb128p1。这种编码方式是Dalvik独有的，如果所要表示的整数范围只包含一个负数，也就是-1的话，如果直接用sleb128编码，那就太浪费了，因此Android创造出了这种所谓的uleb128p1的编码方式。实现如下（代码位于libcoredexsrcmainjavacomandroiddexDex.java）：

public final class Dex {
    ...
    public final class Section implements ByteInput, ByteOutput {
        ...
        public int readUleb128p1() {
            return Leb128.readUnsignedLeb128(this) - 1;
        }
        ...
    }
    ...
}

其实现原理就更简单了，就是将其当做uleb128编码的值进行解码，然后再减一就可以了。因为uleb128能表示范围为0~4,294,967,295的整数，所以uleb128p1就可以表示范围为-1~4,294,967,294的整数。解码时要减一，那么反过来，编码时就需要加一。

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