Go：不用标准库如何解压 Zip 文件？

大家好，我是程序员幽鬼。

zip 是一种常见的归档格式，本文讲解 Go 如何操作 zip。

首先看看 zip 文件是如何工作的。以一个小文件为例：(类 Unix 系统下)

$ cat hello.text 
 
Hello! 

执行 zip 命令进行归档：

$ zip test.zip hello.text 
 
adding: hello.text (stored 0%) 
 
$ ls -lah test.zip 
 
-rw-r--r-- 1 phil phil 177 Nov 23 23:04 test.zip 

一个 6 字节的文本文件变成了一个 177 字节的 zip 文件。这并不大，解析 177 个字节听起来不可能太复杂!

对 zip 文件执行 hexdump：

$ hexdump -C test.zip 
00000000  50 4b 03 04 0a 00 00 00  00 00 8a b8 77 53 9e d8  |PK..........wS..| 
00000010  42 b0 07 00 00 00 07 00  00 00 0a 00 1c 00 68 65  |B.............he| 
00000020  6c 6c 6f 2e 74 65 78 74  55 54 09 00 03 74 73 9d  |llo.textUT...ts.| 
00000030  61 74 73 9d 61 75 78 0b  00 01 04 eb 03 00 00 04  |ats.aux.........| 
00000040  eb 03 00 00 48 65 6c 6c  6f 21 0a 50 4b 01 02 1e  |....Hello!.PK...| 
00000050  03 0a 00 00 00 00 00 8a  b8 77 53 9e d8 42 b0 07  |.........wS..B..| 
00000060  00 00 00 07 00 00 00 0a  00 18 00 00 00 00 00 01  |................| 
00000070  00 00 00 a4 81 00 00 00  00 68 65 6c 6c 6f 2e 74  |.........hello.t| 
00000080  65 78 74 55 54 05 00 03  74 73 9d 61 75 78 0b 00  |extUT...ts.aux..| 
00000090  01 04 eb 03 00 00 04 eb  03 00 00 50 4b 05 06 00  |...........PK...| 
000000a0  00 00 00 01 00 01 00 50  00 00 00 4b 00 00 00 00  |.......P...K....| 
000000b0  00                                                |.| 
000000b1 

从中我们可以看到文件名和文件内容。

01 结构

我们来看看这里[1]定义的 zip 结构 。根据第 4.3.6 节，看起来文件元数据后跟文件内容一个接一个地存储，最后一块是 “central directory” 元数据。

zip format header

图片来源：https://www.codeproject.com/Articles/8688/Extracting-files-from-a-remote-ZIP-archive

本地 header 元数据如下所示：

在一个有效 zip 文件中，header 签名是一个整数 (0x04034b50 )。我们将忽略版本、通用 flag 和校验和。可以是没有压缩(用 0 表示)，也可以是使用 DEFLATE 方法解压缩(用 8 表示)。

最后修改时间和日期是 MSDOS 风格的日期/时间格式。

我们粗略地将其翻译为 Go 代码：

package main 
 
import ( 
    "os" 
    "bytes" 
    "compress/flate" 
    "io/ioutil" 
    "encoding/binary" 
    "time" 
    "fmt" 
) 
 
type compression uint8 
const ( 
    noCompression compression = iota 
    deflateCompression 
) 
 
type localFileHeader struct { 
    signature uint32 
    version uint16 
    bitFlag uint16 
    compression compression 
    lastModified time.Time 
    crc32 uint32 
    compressedSize uint32 
    uncompressedSize uint32 
    fileName string 
    extraField []byte 
    fileContents string 
} 

02 main 函数实现

我们的入口点将读取一个 zip 文件并遍历该文件，直到我们无法解析 zip 文件条目。

func main() { 
    f, err := ioutil.ReadFile(os.Args[1]) 
    if err != nil { 
        panic(err) 
    } 
 
    end := 0 
    for end < len(f) { 
        var err error 
        var lfh *localFileHeader 
        var next int 
        lfh, next, err = parseLocalFileHeader(f, end) 
        if err == errNotZip && end > 0 { 
            break 
        } 
        if err != nil { 
            panic(err) 
        } 
 
        end = next 
 
        fmt.Println(lfh.lastModified, lfh.fileName, lfh.fileContents) 
    } 
} 

03 文件

对于每个文件，如果前四个字节不是魔术 zip 签名(即 0x04034b50)，则报错。

var errNotZip = fmt.Errorf("Not a zip file") 
 
func parseLocalFileHeader(bs []byte, start int) (*localFileHeader, int, error) { 
    signature, i, err := readUint32(bs, start) 
    if signature != 0x04034b50 { 
        return nil, 0, errNotZip 
    } 
    if err != nil { 
        return nil, 0, err 
    } 

基本模式是读取辅助函数将获取一个偏移量并返回一个 Go 值和一个新的偏移量。读取辅助函数将进行边界检查。

遵循相同的模式直到结构体的末尾：

version, i, err := readUint16(bs, i) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
 
bitFlag, i, err := readUint16(bs, i) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
 
compression := noCompression 
compressionRaw, i, err := readUint16(bs, i) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
if compressionRaw == 8 { 
    compression = deflateCompression 
} 
 
lmTime, i, err := readUint16(bs, i) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
 
lmDate, i, err := readUint16(bs, i) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
lastModified := msdosTimeToGoTime(lmDate, lmTime) 
 
crc32, i, err := readUint32(bs, i) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
 
compressedSize, i, err := readUint32(bs, i) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
 
uncompressedSize, i, err := readUint32(bs, i) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
 
fileNameLength, i, err := readUint16(bs, i) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
 
extraFieldLength, i, err := readUint16(bs, i) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
 
fileName, i, err := readString(bs, i, int(fileNameLength)) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 
 
extraField, i, err := readBytes(bs, i, int(extraFieldLength)) 
if err != nil { 
    return nil, 0, err 
} 

现在，如果文件内容未压缩，我们只需复制文件头后的字节即可。如果文件内容被压缩，我们将使用 Go 的内置 DEFLATE 支持来解压缩文件头之后的字节。

var fileContents string 
if compression == noCompression { 
    fileContents, i, err = readString(bs, i, int(uncompressedSize)) 
    if err != nil { 
        return nil, 0, err 
    } 
} else { 
    end := i + int(compressedSize) 
    if end > len(bs) { 
        return nil, 0, errOverranBuffer 
    } 
    flateReader := flate.NewReader(bytes.NewReader(bs[i:end])) 
 
    defer flateReader.Close() 
    read, err := ioutil.ReadAll(flateReader) 
    if err != nil { 
        return nil, 0, err 
    } 
 
    fileContents = string(read) 
 
    i = end 
} 

并返回填充好的结构体实例：

return &localFileHeader{ 
    signature: signature, 
    version: version, 
    bitFlag: bitFlag, 
    compression: compression, 
    lastModified: lastModified, 
    crc32: crc32, 
    compressedSize: compressedSize, 
    uncompressedSize: uncompressedSize, 
    fileName: fileName, 
    extraField: extraField, 
    fileContents: fileContents, 
}, i, nil 

04 读取辅助函数

现在我们只定义那些带有边界检查的读取辅助函数，使用 Go 的内置库来处理二进制编码。

var errOverranBuffer = fmt.Errorf("Overran buffer") 
 
func readUint32(bs []byte, offset int) (uint32, int, error) { 
    end := offset + 4 
    if end > len(bs) { 
        return 0, 0, errOverranBuffer 
    } 
 
    return binary.LittleEndian.Uint32(bs[offset:end]), end, nil 
} 
 
func readUint16(bs []byte, offset int) (uint16, int, error) { 
    end := offset+2 
    if end > len(bs) { 
        return 0, 0, errOverranBuffer 
    } 
 
    return binary.LittleEndian.Uint16(bs[offset:end]), end, nil 
} 

并且基本上只对获取的字节和字符串进行边界检查。

func readBytes(bs []byte, offset int, n int) ([]byte, int, error) { 
    end := offset + n 
    if end > len(bs) { 
        return nil, 0, errOverranBuffer 
    } 
 
    return bs[offset:offset+n], end, nil 
} 
 
func readString(bs []byte, offset int, n int) (string, int, error) { 
    read, end, err := readBytes(bs, offset, n) 
    return string(read), end, err 
} 

05 MSDOS 时间

我猜在创建 zip 时，MSDOS 时间格式很流行。但它在今天并不流行，所以花了一些时间才最终用一些代码(模仿 C 语言)找到对该格式的解释[2]。

func msdosTimeToGoTime(d uint16, t uint16) time.Time { 
    seconds := int((t & 0x1F) * 2) 
    minutes := int((t >> 5) & 0x3F) 
    hours := int(t >> 11) 
 
    day := int(d & 0x1F) 
    month := time.Month((d >> 5) & 0x0F) 
    year := int((d >> 9) & 0x7F) + 1980 
    return time.Date(year, month, day, hours, minutes, seconds, 0, time.Local) 
} 

06 测试

运行：

$ go build 
$ ./gozip test.zip 
2021-11-23 23:04:20 +0000 UTC hello.text Hello! 

这看起来不错!现在让我们尝试压缩多个文件。

$ cat bye.text 
Au revoir! 
$ rm test.zip 
$ zip test.zip *.text 
  adding: bye.text (stored 0%) 
  adding: hello.text (stored 0%) 
$ ./gozip test.zip 
2021-11-24 03:40:00 +0000 UTC bye.text Au revoir! 
 
2021-11-23 23:04:20 +0000 UTC hello.text Hello! 

一切正常。

07 总结

实际上，还有许多标准需要处理(例如目录)和许多常见的扩展，本文没有涉及。

文件末尾还有一些空间，这可能是 “central directory” 元数据，但我还没有深入研究。如果你有兴趣可以查阅相关资料了解最后剩下的部分内容。

原文链接：https://notes.eatonphil.com/implementing-zip-in-go-unzipping.html

参考资料

[1]这里: https://pkware.cachefly.net/webdocs/casestudies/APPNOTE.TXT

[2]对该格式的解释: https://groups.google.com/g/comp.os.msdos.programmer/c/ffAVUFN2NbA