字符编码那点事:快速理解ASCII、Unicode、GBK和UTF-8

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突然有一天,我突然想搞清楚 Unicode 和 UTF-8 之间的关系,就开始查资料。 这个问题比我想象的复杂,午饭后一直看到晚上9点,才算初步搞清楚。

下面就是我的总结,主要用来整理自己的思路。我尽量写得通俗易懂,希望能对其他朋友有用。毕竟, 字符编码是计算机技术的基石,对于程序员来说尤其重要,字符编码的知识是必须要懂的

1 基础知识

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。

2 ASCII 码

我们知道,计算机内部,所有信息最终都是一个二进制值。每一个二进制位(bit)有01两种状态,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00000000到11111111。

上个世纪60年代,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SPACE32(二进制00100000),大写的字母A65(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,最前面的一位统一规定为0

ASCII编码表如下字符编码那点事:快速理解ASCII、Unicode、GBK和UTF-8

3 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。

扩展ASCII编码表: 字符编码那点事:快速理解ASCII、Unicode、GBK和UTF-8

但是,这里又出现了新的问题。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 256 x 256 = 65536 个符号。

中文编码的问题比较复杂,将在文末讨论。这里先了解下,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 UnicodeUTF-8 是毫无关系的。

4 Unicode

正如上一节所说,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AinU+0041表示英语的大写字母AU+4E25表示汉字。具体的符号对应表,可以查询unicode.org,或者专门的汉字对应表。

5 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 UnicodeASCII ?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:

  • 1)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。
  • 2)Unicode 在很长一段时间内无法推广,直到互联网的出现。

6 UTF-8

互联网的普及,强烈要求出现一种统一的编码方式。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。重复一遍,这里的关系是,UTF-8Unicode 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: 字符编码那点事:快速理解ASCII、Unicode、GBK和UTF-8

跟据上表,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。

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。

7、Unicode 与 UTF-8 之间的转换

通过上一节的例子,可以看到Unicode码 是4E25UTF-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。

Windows平台,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。 字符编码那点事:快速理解ASCII、Unicode、GBK和UTF-8

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编码这里指的是notepad.exe使用的 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。

8、Little endian 和 Big endian(小端和大端)

上一节已经提到,UCS-2 格式可以存储 Unicode 码(码点不超过0xFFFF)。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,这就是 Big endian 方式;25在前,4E在后,这是 Little endian 方式。

这两个古怪的名称来自英国作家斯威夫特的《格列佛游记》。在该书中,小人国里爆发了内战,战争起因是人们争论,吃鸡蛋时究竟是从大头(Big-endian)敲开还是从小头(Little-endian)敲开。为了这件事情,前后爆发了六次战争,一个皇帝送了命,另一个皇帝丢了王位。

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?

Unicode 规范定义,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。

9、实例讲解

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。

10、最后简要看看中文字符集和编码

GB系列字符集&编码

计算机发明之处及后面很长一段时间,只用应用于美国及西方一些发达国家,ASCII能够很好满足用户的需求。但是当天朝也有了计算机之后,为了显示中文,必须设计一套编码规则用于将汉字转换为计算机可以接受的数字系统的数。

天朝专家把那些127号之后的奇异符号们(即EASCII)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,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。

上述编码规则就是GB2312。GB2312或GB2312-80是中国国家标准简体中文字符集,全称《信息交换用汉字编码字符集·基本集》,又称GB0,由中国国家标准总局发布,1981年5月1日实施。GB2312编码通行于中国大陆;新加坡等地也采用此编码。中国大陆几乎所有的中文系统和国际化的软件都支持GB2312。GB2312的出现,基本满足了汉字的计算机处理需要,它所收录的汉字已经覆盖中国大陆99.75%的使用频率。对于人名、古汉语等方面出现的罕用字,GB2312不能处理,这导致了后来GBK及GB 18030汉字字符集的出现。下图是GB2312编码的开始部分(由于其非常庞大,只列举开始部分,具体可查看GB2312简体中文编码表)。

字符编码那点事:快速理解ASCII、Unicode、GBK和UTF-8 ▲ GB2312编码表的开始部分

由于GB 2312-80只收录6763个汉字,有不少汉字,如部分在GB 2312-80推出以后才简化的汉字(如"啰"),部分人名用字(如中国前总理朱镕基的"镕"字),台湾及香港使用的繁体字,日语及朝鲜语汉字等,并未有收录在内。于是厂商微软利用GB 2312-80未使用的编码空间,收录GB 13000.1-93全部字符制定了GBK编码。根据微软资料,GBK是对GB2312-80的扩展,也就是CP936字码表 (Code Page 936)的扩展(之前CP936和GB 2312-80一模一样),最早实现于Windows 95简体中文版。虽然GBK收录GB 13000.1-93的全部字符,但编码方式并不相同。GBK自身并非国家标准,只是曾由国家技术监督局标准化司、电子工业部科技与质量监督司公布为"技术规范指导性文件"。原始GB13000一直未被业界采用,后续国家标准GB18030技术上兼容GBK而非GB13000。

GB 18030,全称:国家标准GB 18030-2005《信息技术 中文编码字符集》,是中华人民共和国现时最新的内码字集,是GB 18030-2000《信息技术 信息交换用汉字编码字符集 基本集的扩充》的修订版。与GB 2312-1980完全兼容,与GBK基本兼容,支持GB 13000及Unicode的全部统一汉字,共收录汉字70244个。

GB 18030主要有以下特点:

  • 与UTF-8相同,采用多字节编码,每个字可以由1个、2个或4个字节组成;
  • 编码空间庞大,最多可定义161万个字符;
  • 支持中国国内少数民族的文字,不需要动用造字区;
  • 汉字收录范围包含繁体汉字以及日韩汉字。

字符编码那点事:快速理解ASCII、Unicode、GBK和UTF-8 ▲ GB18030编码总体结构

本规格的初版使中华人民共和国信息产业部电子工业标准化研究所起草,由国家质量技术监督局于2000年3月17日发布。现行版本为国家质量监督检验总局和中国国家标准化管理委员会于2005年11月8日发布,2006年5月1日实施。此规格为在中国境内所有软件产品支持的强制规格。

BIG5字符集&编码 Big5,又称为大五码或五大码,是使用繁体中文(正体中文)社区中最常用的电脑汉字字符集标准,共收录13,060个汉字。中文码分为内码及交换码两类,Big5属中文内码,知名的中文交换码有CCCII、CNS11643。Big5虽普及于台湾、香港与澳门等繁体中文通行区,但长期以来并非当地的国家标准,而只是业界标准。倚天中文系统、Windows等主要系统的字符集都是以Big5为基准,但厂商又各自增加不同的造字与造字区,派生成多种不同版本。2003年,Big5被收录到CNS11643中文标准交换码的附录当中,取得了较正式的地位。这个最新版本被称为Big5-2003。

Big5码是一套双字节字符集,使用了双八码存储方法,以两个字节来安放一个字。第一个字节称为"高位字节",第二个字节称为"低位字节"。"高位字节"使用了0x81-0xFE,"低位字节"使用了0x40-0x7E,及0xA1-0xFE。

有关Big5的更多技术细节读者可单独深入研究,本文就不赘述了。

11 本文小结

这些字符集和编码的关系很容易让程序员混淆,现在小结一下。

简单来说: Unicode、GBK和Big5码等就是编码的值(也就是术语“字符集”),而UTF-8、UTF-16、UTF32之类就是这个值的表现形式(即术语“编码格式”)。

另外: Unicode、GBK和Big5码等字符集是不兼容的,同一个汉字在这三个字符集里的码值是完全不一样的。如"汉"的Unicode值与gbk就是不一样的,假设Unicode为a040,GBK为b030。以UTF-8为例,UTF-8码完全只针对Unicode来组织的,如果GBK要转UTF-8必须先转Unicode码,再转UTF-8就OK了。

即GBK、GB2312等与UTF8之间都必须通过Unicode编码才能相互转换:

1)GBK、GB2312 --先转--> Unicode --再转--> UTF8 2)UTF8 --先转--> Unicode --再转--> GBK、GB2312

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