字符编码笔记:ASCII,Unicode和UTF-8

很久很久以前,有一群人,他们决定用8个可以开合的晶体管来组合成不同的状态,以表示世界上的万物。他们看到8个开关状态是好的,于是他们把这称为"字节"。 再后来,他们又做了一些可以处理这些字节的机器,机器开动了,可以用字节来组合出很多状态,状态开始变来变去。他们看到这样是好的,于是它们就这机器称为"计算机"。 开始计算机只在美国用。八位的字节一共可以组合出256(2的8次方)种不同的状态。 他们把其中的编号从0开始的32种状态分别规定了特殊的用途,一但终端、打印机遇上约定好的这些字节被传过来时,就要做一些约定的动作。遇上00x10,终端就换行,遇上0x07,终端就向人们嘟嘟叫,例如遇上0x1b,打印机就打印反白的字,或者终端就用彩色显示字母。他们看到这样很好,于是就把这些0x20以下的字节状态称为"控制码"。 他们又把所有的空格、标点符号、数字、大小写字母分别用连续的字节状态表示,一直编到了第127号,这样计算机就可以用不同字节来存储英语的文字了。大家看到这样,都感觉很好,于是大家都把这个方案叫做 ANSI 的"ASCII"编码(American Standard Code for Information Interchange,美国信息互换标准代码)。当时世界上所有的计算机都用同样的ASCII方案来保存英文文字。 后来,就像建造巴比伦塔一样,世界各地的都开始使用计算机,但是很多国家用的不是英文,他们的字母里有许多是ASCII里没有的,为了可以在计算机保存他们的文字,他们决定采用127号之后的空位来表示这些新的字母、符号,还加入了很多画表格时需要用下到的横线、竖线、交叉等形状,一直把序号编到了最后一个状态255。从128到255这一页的字符集被称"扩展字符集"。从此之后,贪婪的人类再没有新的状态可以用了,美帝国主义可能没有想到还有第三世界国家的人们也希望可以用到计算机吧! 等中国人们得到计算机时,已经没有可以利用的字节状态来表示汉字,况且有6000多个常用汉字需要保存呢。但是这难不倒智慧的中国人民,我们不客气地把那些127号之后的奇异符号们直接取消掉,规定:一个小于127的字符的意义与原来相同,但两个大于127的字符连在一起时,就表示一个汉字,前面的一个字节(他称之为高字节)从0xA1用到0xF7,后面一个字节(低字节)从0xA1到0xFE,这样我们就可以组合出大约7000多个简体汉字了。在这些编码里,我们还把数学符号、罗马希腊的字母、日文的假名们都编进去了,连在 ASCII 里本来就有的数字、标点、字母都统统重新编了两个字节长的编码,这就是常说的"全角"字符,而原来在127号以下的那些就叫"半角"字符了。 中国人民看到这样很不错,于是就把这种汉字方案叫做 "GB2312"。GB2312 是对 ASCII 的中文扩展。 但是中国的汉字太多了,我们很快就就发现有许多人的人名没有办法在这里打出来,特别是某些很会麻烦别人的国家领导人。于是我们不得不继续把 GB2312 没有用到的码位找出来老实不客气地用上。 后来还是不够用,于是干脆不再要求低字节一定是127号之后的内码,只要第一个字节是大于127就固定表示这是一个汉字的开始,不管后面跟的是不是扩展字符集里的内容。结果扩展之后的编码方案被称为 GBK 标准,GBK 包括了 GB2312 的所有内容,同时又增加了近20000个新的汉字(包括繁体字)和符号。 后来少数民族也要用电脑了,于是我们再扩展,又加了几千个新的少数民族的字,GBK 扩成了 GB18030。从此之后,中华民族的文化就可以在计算机时代中传承了。 中国的程序员们看到这一系列汉字编码的标准是好的,于是通称他们叫做 "DBCS"(Double Byte Charecter Set 双字节字符集)。在DBCS系列标准里,最大的特点是两字节长的汉字字符和一字节长的英文字符并存于同一套编码方案里,因此他们写的程序为了支持中文处理,必须要注意字串里的每一个字节的值,如果这个值是大于127的,那么就认为一个双字节字符集里的字符出现了。那时候凡是受过加持,会编程的计算机僧侣们都要每天念下面这个咒语数百遍: "一个汉字算两个英文字符!一个汉字算两个英文字符......" 因为当时各个国家都像中国这样搞出一套自己的编码标准,结果互相之间谁也不懂谁的编码,谁也不支持别人的编码,连中国大陆和中国台湾这样只相隔了150海里,使用着同一种语言的兄弟地区,也分别采用了不同的 DBCS 编码方案——当时的中国人想让电脑显示汉字,就必须装上一个"汉字系统",专门用来处理汉字的显示、输入的问题,但是那个中国台湾的愚昧封建人士写的算命程序就必须加装另一套支持 BIG5 编码的什么"倚天汉字系统"才可以用,装错了字符系统,显示就会乱了套!这怎么办?而且世界民族之林中还有那些一时用不上电脑的穷苦人民,他们的文字又怎么办? 真是计算机的巴比伦塔命题啊! 正在这时,大天使加百列及时出现了——一个叫 ISO (国际标谁化组织)的国际组织决定着手解决这个问题。他们采用的方法很简单:废了所有的地区性编码方案,重新搞一个包括了地球上所有文化、所有字母和符号的编码!他们打算叫它"Universal Multiple-Octet Coded Character Set",简称 UCS,俗称 "UNICODE"。 UNICODE 开始制订时,计算机的存储器容量极大地发展了,空间再也不成为问题了。于是 ISO 就直接规定必须用两个字节,也就是16位来统一表示所有的字符,对于ascii里的那些“半角”字符,UNICODE 包持其原编码不变,只是将其长度由原来的8位扩展为16位,而其他文化和语言的字符则全部重新统一编码。由于"半角"英文符号只需要用到低8位,所以其高8位永远是0,因此这种大气的方案在保存英文文本时会多浪费一倍的空间。 这时候,从旧社会里走过来的程序员开始发现一个奇怪的现象:他们的strlen函数靠不住了,一个汉字不再是相当于两个字符了,而是一个!是的,从 UNICODE 开始,无论是半角的英文字母,还是全角的汉字,它们都是统一的"一个字符"!同时,也都是统一的"两个字节",请注意"字符"和"字节"两个术语的不同,“字节”是一个8位的物理存贮单元,而“字符”则是一个文化相关的符号。在UNICODE 中,一个字符就是两个字节。一个汉字算两个英文字符的时代已经快过去了。 从前多种字符集存在时,那些做多语言软件的公司遇上过很大麻烦,他们为了在不同的国家销售同一套软件,就不得不在区域化软件时也加持那个双字节字符集咒语,不仅要处处小心不要搞错,还要把软件中的文字在不同的字符集中转来转去。UNICODE 对于他们来说是一个很好的一揽子解决方案,于是从 Windows NT 开始,MS 趁机把它们的操作系统改了一遍,把所有的核心代码都改成了用 UNICODE 方式工作的版本,从这时开始,WINDOWS 系统终于无需要加装各种本土语言系统,就可以显示全世界上所有文化的字符了。 但是,UNICODE 在制订时没有考虑与任何一种现有的编码方案保持兼容,这使得 GBK 与UNICODE 在汉字的内码编排上完全是不一样的,没有一种简单的算术方法可以把文本内容从UNICODE编码和另一种编码进行转换,这种转换必须通过查表来进行。 如前所述,UNICODE 是用两个字节来表示为一个字符,这就总共可以组合出65535不同的字符,这大概已经可以覆盖世界上所有文化的符号。如果还不够也没有关系,ISO已经准备了UCS-4方案,说简单了就是四个字节来表示一个字符,这样我们就可以组合出21亿个不同的字符出来(最高位有其他用途),这大概可以用到银河联邦成立那一天吧! UNICODE 来到时,一起到来的还有计算机网络的兴起,UNICODE 如何在网络上传输也是一个必须考虑的问题,于是面向传输的众多 UTF(UCS Transfer Format)标准出现了,顾名思义,UTF8就是每次8个位传输数据,而UTF16就是每次16个位,只不过为了传输时的可靠性,从UNICODE到UTF时并不是直接的对应,而是要过一些算法和规则来转换。 从网上引来一段从UNICODE到UTF8的转换规则: Unicode UTF-8 0000 - 007F 0xxxxxxx 0080 - 07FF 110xxxxx 10xxxxxx 0800 - FFFF 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 例如"汉"字的Unicode编码是6C49。6C49在0800-FFFF之间,所以要用3字节模板:1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将6C49写成二进制是:0110 1100 0100 1001,将这个比特流按三字节模板的分段方法分为0110 110001 001001,依次代替模板中的x,得到:1110-0110 10-110001 10-001001,即E6 B1 89,这就是其UTF8的编码。 讲到这里,我们再顺便说说一个很著名的奇怪现象:当你在 windows 的记事本里新建一个文件,输入"联通"两个字之后,保存,关闭,然后再次打开,你会发现这两个字已经消失了,代之的是几个乱码!呵呵,有人说这就是联通之所以拼不过移动的原因。 其实这是因为GB2312编码与UTF8编码产生了编码冲撞的原因。 而当你新建一个文本文件时,记事本的编码默认是ANSI,如果你在ANSI的编码输入汉字,那么他实际就是GB系列的编码方式,在这种编码下,"联通"的内码是: c1 1100 0001 aa 1010 1010 cd 1100 1101 a8 1010 1000 注意到了吗?第一二个字节、第三四个字节的起始部分的都是"110"和"10",正好与UTF8规则里的两字节模板是一致的,于是再次打开记事本时,记事本就误认为这是一个UTF8编码的文件,让我们把第一个字节的110和第二个字节的10去掉,我们就得到了"00001 101010",再把各位对齐,补上前导的0,就得到了"0000 0000 0110 1010",不好意思,这是UNICODE的006A,也就是小写的字母"j",而之后的两字节用UTF8解码之后是0368,这个字符什么也不是。这就是只有"联通"两个字的文件没有办法在记事本里正常显示的原因。 而如果你在"联通"之后多输入几个字,其他的字的编码不见得又恰好是110和10开始的字节,这样再次打开时,记事本就不会坚持这是一个utf8编码的文件,而会用ANSI的方式解读之,这时乱码又不出现了。 受到过网络编程加持的计算机僧侣们都知道,在网络里传递信息时有一个很重要的问题,就是对于数据高低位的解读方式,一些计算机是采用低位先发送的方法,例如我们PC机采用的 INTEL 架构,这就叫little endian,而另一些是采用高位先发送的方式,这就叫big endian。 在网络中交换数据时,为了核对双方对于高低位的认识是否是一致的,采用了一种很简便的方法,就是在文本流的开始时向对方发送一个标志符——如果之后的文本是高位在位,那就发送"FEFF",反之,则发送"FFFE"。不信你可以用二进制方式打开一个UTF-X格式的文件,看看开头两个字节是不是这两个字节? 顺便提一下little endian和big endian这两个网络术语的来历: 在<<格列佛游记>>中,小人国中由于争论吃鸡蛋应该从大头敲还是从小头敲而分成了不同派系,还发生了战争,连皇帝都被干掉了。 在计算机技术发展中,不同体系的硬件之间的通信也因为大头在前还是小头在前产生了同样严重的问题,因此技术专家里比较幽默的那部分人----那一绝大部分人----就采用了"endian"这个有强烈政治隐喻的术语。 好了,终于可以回答NICO的问题了,在数据库里,有n前缀的字串类型就是UNICODE类型,这种类型中,固定用两个字节来表示一个字符,无论这个字符是汉字还是英文字母,或是别的什么。 下面的例子应该可以说明unicode型和ansi型的字段的区别: 我们在任意类型的数据库中建一个表,含有如下的字段: nc nchar(10) c char(10) 然后,我们再试着向其中加入下面的记录: "1234567890","1234567890" "一二三四五六七八九十","一二三四五六七八九十" 对于第一条记录,两个字段都可以插入10个字符,同时也都一个字符也多存不了。 但对于第二条记录,nc字段可以把从"一"到"十"的数据都保存进去,而c字段只能保存到"五",再多就会出错。 为什么?因为在nchar字段里,一个汉字一个字符,10字符宽的字段就可以保存10个汉字。而char字段里,一个汉字算两个字符,10字符宽的字段就只能保存5个汉字了。 计算机中储存的信息都是用二进制数表示的;而我们在屏幕上看到的英文、汉字等字符是二进制数转换之后的结果。通俗的说,按照何种规则将字符存储在计算机中,如'a'用什么表示,称为"编码";反之,将存储在计算机中的二进制数解析显示出来,称为"解码",如同密码学中的加密和解密。在解码过程中,如果使用了错误的解码规则,则导致'a'解析成'b'或者乱码。

字符集(Charset):是一个系统支持的所有抽象字符的集合。字符是各种文字和符号的总称,包括各国家文字、标点符号、图形符号、数字等。

字符编码(Character Encoding):是一套法则,使用该法则能够对自然语言的字符的一个集合(如字母表或音节表),与其他东西的一个集合(如号码或电脉冲)进行配对。即在符号集合与数字系统之间建立对应关系,它是信息处理的一项基本技术。通常人们用符号集合(一般情况下就是文字)来表达信息。而以计算机为基础的信息处理系统则是利用元件(硬件)不同状态的组合来存储和处理信息的。元件不同状态的组合能代表数字系统的数字,因此字符编码就是将符号转换为计算机可以接受的数字系统的数,称为数字代码。

常见字符集名称:ASCII字符集、GB2312字符集、BIG5字符集、GB18030字符集、Unicode字符集等。计算机要准确的处理各种字符集文字,需要进行字符编码,以便计算机能够识别和存储各种文字。 1. ASCII码

我们知道,在计算机内部,所有的信息最终都表示为一个二进制的字符串。每一个二进制位(bit)有0和1两种状态,因此八个二进制位就可以组合出256种状态,这被称为一个字节(byte)。也就是说,一个字节一共可以用来表示256种不同的状态,每一个状态对应一个符号,就是256个符号,从0000000到11111111。

美国制定了一套字符编码,对英语字符与二进制位之间的关系,做了统一规定。这被称为ASCII码,一直沿用至今。

ASCII码一共规定了128个字符的编码,比如空格"SPACE"是32(二进制00100000),大写的字母A是65(二进制01000001)。这128个符号(包括32个不能打印出来的控制符号),只占用了一个字节的后面7位,最前面的1位统一规定为0。

2、非ASCII编码

英语用128个符号编码就够了,但是用来表示其他语言,128个符号是不够的。比如,在法语中,字母上方有注音符号,它就无法用ASCII码表示。于是,一些欧洲国家就决定,利用字节中闲置的最高位编入新的符号。比如,法语中的é的编码为130(二进制10000010)。这样一来,这些欧洲国家使用的编码体系,可以表示最多256个符号。

不同的国家有不同的字母,因此,哪怕它们都使用256个符号的编码方式,代表的字母却不一样。比如,130在法语编码中代表了é,在希伯来语编码中却代表了字母Gimel (ג),在俄语编码中又会代表另一个符号。但是不管怎样,所有这些编码方式中,0--127表示的符号是一样的,不一样的只是128--255的这一段。

至于亚洲国家的文字,使用的符号就更多了,汉字就多达10万左右。一个字节只能表示256种符号,肯定是不够的,就必须使用多个字节表达一个符号。比如,简体中文常见的编码方式是GB2312,使用两个字节表示一个汉字,所以理论上最多可以表示256x256=65536个符号。

中文编码的问题需要专文讨论,这不涉及。这里只指出,虽然都是用多个字节表示一个符号,但是GB类的汉字编码与后文的Unicode和UTF-8是毫无关系的。

3.Unicode

世界上存在着多种编码方式,同一个二进制数字可以被解释成不同的符号。因此,要想打开一个文本文件,就必须知道它的编码方式,否则用错误的编码方式解读,就会出现乱码。为什么电子邮件常常出现乱码?就是因为发信人和收信人使用的编码方式不一样。

可以想象,如果有一种编码,将世界上所有的符号都纳入其中。每一个符号都给予一个独一无二的编码,那么乱码问题就会消失。这就是Unicode,就像它的名字都表示的,这是一种所有符号的编码。

Unicode当然是一个很大的集合,现在的规模可以容纳100多万个符号。每个符号的编码都不一样,比如,U+0639表示阿拉伯字母Ain,U+0041表示英语的大写字母A,U+4E25表示汉字"严"。具体的符号对应表,可以查询汉字对应表

4. Unicode的问题

需要注意的是,Unicode只是一个符号集,它只规定了符号的二进制代码,却没有规定这个二进制代码应该如何存储。

比如,汉字"严"的unicode是十六进制数4E25,转换成二进制数足足有15位(100111000100101),也就是说这个符号的表示至少需要2个字节。表示其他更大的符号,可能需要3个字节或者4个字节,甚至更多。

这里就有两个严重的问题,第一个问题是,如何才能区别Unicode和ASCII?计算机怎么知道三个字节表示一个符号,而不是分别表示三个符号呢?第二个问题是,我们已经知道,英文字母只用一个字节表示就够了,如果Unicode统一规定,每个符号用三个或四个字节表示,那么每个英文字母前都必然有二到三个字节是0,这对于存储来说是极大的浪费,文本文件的大小会因此大出二三倍,这是无法接受的。

它们造成的结果是:出现了Unicode的多种存储方式,也就是说有许多种不同的二进制格式,可以用来表示Unicode。

5.UTF-8

UTF-8就是在互联网上使用最广的一种Unicode的实现方式。其他实现方式还包括UTF-16(字符用两个字节或四个字节表示)和UTF-32(字符用四个字节表示),不过在互联网上基本不用。UTF-8是Unicode的实现方式之一。

UTF-8最大的一个特点,就是它是一种变长的编码方式。它可以使用1~4个字节表示一个符号,根据不同的符号而变化字节长度。

UTF-8的编码规则很简单,只有二条:

1)对于单字节的符号,字节的第一位设为0,后面7位为这个符号的unicode码。因此对于英语字母,UTF-8编码和ASCII码是相同的。

2)对于n字节的符号(n>1),第一个字节的前n位都设为1,第n+1位设为0,后面字节的前两位一律设为10。剩下的没有提及的二进制位,全部为这个符号的unicode码。

下表总结了编码规则,字母x表示可用编码的位。

Unicode符号范围 | UTF-8编码方式 (十六进制) | (二进制) --------------------+--------------------------------------------- 0000 0000-0000 007F | 0xxxxxxx 0000 0080-0000 07FF | 110xxxxx 10xxxxxx 0000 0800-0000 FFFF | 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 0001 0000-0010 FFFF | 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

解读UTF-8编码非常简单。如果一个字节的第一位是0,则这个字节单独就是一个字符;如果第一位是1,则连续有多少个1,就表示当前字符占用多少个字节。

下面,还是以汉字"严"为例,演示如何实现UTF-8编码。

已知"严"的unicode是4E25(100111000100101),根据上表,可以发现4E25处在第三行的范围内(0000 0800-0000 FFFF),因此"严"的UTF-8编码需要三个字节,即格式是"1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx"。然后,从"严"的最后一个二进制位开始,依次从后向前填入格式中的x,多出的位补0。这样就得到了,"严"的UTF-8编码是"11100100 10111000 10100101",转换成十六进制就是E4B8A5。

6. Unicode与UTF-8之间的转换

可以看到"严"的Unicode码是4E25,UTF-8编码是E4B8A5,两者是不一样的。它们之间的转换可以通过程序实现。

在Windows平台下,有一个最简单的转化方法,就是使用内置的记事本小程序Notepad.exe。打开文件后,点击"文件"菜单中的"另存为"命令,会跳出一个对话框,在最底部有一个"编码"的下拉条。

里面有四个选项:ANSI,Unicode,Unicode big endian 和 UTF-8。

1)ANSI是默认的编码方式。对于英文文件是ASCII编码,对于简体中文文件是GB2312编码(只针对Windows简体中文版,如果是繁体中文版会采用Big5码)。

2)Unicode编码指的是UCS-2编码方式,即直接用两个字节存入字符的Unicode码。这个选项用的little endian格式。

3)Unicode big endian编码与上一个选项相对应。我在下一节会解释little endian和big endian的涵义。

4)UTF-8编码,也就是上一节谈到的编码方法。

选择完"编码方式"后,点击"保存"按钮,文件的编码方式就立刻转换好了。

7. Little endian和Big endian

Unicode码可以采用UCS-2格式直接存储。以汉字"严"为例,Unicode码是4E25,需要用两个字节存储,一个字节是4E,另一个字节是25。存储的时候,4E在前,25在后,就是Big endian方式;25在前,4E在后,就是Little endian方式。 big endian和little endian是CPU处理多字节数的不同方式。例如“汉”字的Unicode编码是6C49。那么写到文件里时,究竟是将6C写在前面,还是将49写在前面?如果将6C写在前面,就是big endian。还是将49写在前面,就是little endian。 

第一个字节在前,就是"大头方式"(Big endian),第二个字节在前就是"小头方式"(Little endian)。

那么很自然的,就会出现一个问题:计算机怎么知道某一个文件到底采用哪一种方式编码是大头还是小头?

Unicode规范中定义,每一个文件的最前面分别加入一个表示编码顺序的字符,这个字符的名字叫做"零宽度非换行空格"(ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE),用FEFF表示。这正好是两个字节,而且FF比FE大1。

如果一个文本文件的头两个字节是FE FF,就表示该文件采用大头方式;如果头两个字节是FF FE,就表示该文件采用小头方式。

8. 实例

下面,举一个实例。

打开"记事本"程序Notepad.exe,新建一个文本文件,内容就是一个"严"字,依次采用ANSI,Unicode,Unicode big endian 和 UTF-8编码方式保存。

然后,用文本编辑软件UltraEdit中的"十六进制功能",观察该文件的内部编码方式。

1)ANSI:文件的编码就是两个字节"D1 CF",这正是"严"的GB2312编码,这也暗示GB2312是采用大头方式存储的。

2)Unicode:编码是四个字节"FF FE 25 4E",其中"FF FE"表明是小头方式存储,真正的编码是4E25。

3)Unicode big endian:编码是四个字节"FE FF 4E 25",其中"FE FF"表明是大头方式存储。

4)UTF-8:编码是六个字节"EF BB BF E4 B8 A5",前三个字节"EF BB BF"表示这是UTF-8编码,后三个"E4B8A5"就是"严"的具体编码,它的存储顺序与编码顺序是一致的。

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