字符编码介绍(二)Unicode

柔情只为你懂 2022-08-25 14:46 182阅读 0赞

根据上一篇介绍的编码背景知识，我们知道，世界上存在着多种编码方式（计算机传到世界各个国家时，为了适合当地语言和字符，设计和实现类似GB2312/GBK/BIG5的编码方案），同一个二进制数字可以被解释成不同的符号。当这样各搞一套，在本地使用没有问题，一旦出现在网络中，由于不兼容，互相访问就出现了乱码现象。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。常见的问题如跨区域的电子邮件常常会出现乱码就是因为发信人和收信人的机器所使用的编码方式不一样。

为了解决这类问题，一个伟大的创想产生了——Unicode。Unicode编码系统为表达任意语言的任意字符而设计。它使用4字节的数字来表达每个字母、符号，或者表意文字(ideograph)。每个数字代表唯一的至少在某种语言中使用的符号。（并不是所有的数字都用上了，但是总数已经超过了65535，所以2个字节的数字是不够用的。）被几种语言共用的字符通常使用相同的数字来编码，除非存在一个在理的语源学(etymological)理由使不这样做。不考虑这种情况的话，每个字符对应一个数字，每个数字对应一个字符。即不存在二义性。不再需要记录"模式"了。U+0041总是代表'A'，即使这种语言没有'A'这个字符。因此，Unicode将世界上所有的符号都纳入其中并都给予一个独一无二的编码，这是一种包含了当前所有符号的编码方式。

在计算机科学领域中，Unicode（统一码、万国码、单一码、标准万国码）是业界的一种标准，它可以使电脑得以体现世界上数十种文字的系统。Unicode 是基于通用字符集（Universal Character Set）的标准来发展，并且同时也以书本的形式对外发表。Unicode 还不断在扩增， 每个新版本插入更多新的字符。直至目前为止的第六版，Unicode 就已经包含了超过十万个字符（在2005年，Unicode 的第十万个字符被采纳且认可成为标准之一）、一组可用以作为视觉参考的代码图表、一套编码方法与一组标准字符编码、一套包含了上标字、下标字等字符特性的枚举等。Unicode 组织（The Unicode Consortium）是由一个非营利性的机构所运作，并主导 Unicode 的后续发展，其目标在于：将既有的字符编码方案以Unicode 编码方案来加以取代，特别是既有的方案在多语环境下，皆仅有有限的空间以及不兼容的问题。（可以这样理解：Unicode是字符集，UTF-32/ UTF-16/ UTF-8是三种字符编码方案）

**3.1.UCS和 UNICODE**

通用字符集（Universal Character Set，UCS）是由ISO制定的ISO 10646（或称ISO/IEC 10646）标准所定义的标准字符集。历史上存在两个独立的尝试创立单一字符集的组织，即国际标准化组织（ISO）和多语言软件制造商组成的统一码联盟。前者开发的 ISO/IEC 10646 项目，后者开发的统一码项目。因此最初制定了不同的标准。

1991年前后，两个项目的参与者都认识到，世界不需要两个不兼容的字符集。于是，它们开始合并双方的工作成果，并为创立一个单一编码表而协同工作。从Unicode 2.0开始，Unicode采用了与ISO 10646-1相同的字库和字码；ISO也承诺，ISO 10646将不会替超出U+10FFFF的UCS-4编码赋值，以使得两者保持一致。两个项目仍都存在，并独立地公布各自的标准。但统一码联盟和ISO/IEC JTC1/SC2都同意保持两者标准的码表兼容，并紧密地共同调整任何未来的扩展。在发布的时候，Unicode一般都会采用有关字码最常见的字型，但ISO 10646一般都尽可能采用Century字型。

**3.2.UTF-32**

上述使用4字节的数字来表达每个字母、符号，或者表意文字(ideograph)，每个数字代表唯一的至少在某种语言中使用的符号的编码方案，称为UTF-32。UTF-32又称UCS-4是一种将Unicode字符编码的协定，对每个字符都使用4字节。就空间而言，是非常没有效率的。

这种方法有其优点，最重要的一点就是可以在常数时间内定位字符串里的第N个字符，因为第N个字符从第4×Nth个字节开始。虽然每一个码位使用固定长定的字节看似方便，它并不如其它Unicode编码使用得广泛。

**3.3.UTF-16**

尽管有Unicode字符非常多，但是实际上大多数人不会用到超过前65535个以外的字符。因此，就有了另外一种Unicode编码方式，叫做UTF-16(因为16位 = 2字节)。UTF-16将0–65535范围内的字符编码成2个字节，如果真的需要表达那些很少使用的"星芒层(astral plane)"内超过这65535范围的Unicode字符，则需要使用一些诡异的技巧来实现。UTF-16编码最明显的优点是它在空间效率上比UTF-32高两倍，因为每个字符只需要2个字节来存储（除去65535范围以外的），而不是UTF-32中的4个字节。并且，如果我们假设某个字符串不包含任何星芒层中的字符，那么我们依然可以在常数时间内找到其中的第N个字符，直到它不成立为止这总是一个不错的推断。其编码方法是：

如果字符编码U小于0x10000，也就是十进制的0到65535之内，则直接使用两字节表示；

如果字符编码U大于0x10000，由于UNICODE编码范围最大为0x10FFFF，从0x10000到0x10FFFF之间 共有0xFFFFF个编码，也就是需要20个bit就可以标示这些编码。用U'表示从0-0xFFFFF之间的值，将其前 10 bit作为高位和16 bit的数值0xD800进行 逻辑or 操作，将后10 bit作为低位和0xDC00做 逻辑or 操作，这样组成的 4个byte就构成了U的编码。

对于UTF-32和UTF-16编码方式还有一些其他不明显的缺点。不同的计算机系统会以不同的顺序保存字节。这就是上一篇中术语介绍的大端小端问题。这意味着字符U+4E2D在UTF-16编码方式下可能被保存为4E 2D或者2D 4E，这取决于该系统使用的是大尾端(big-endian)还是小尾端(little-endian)。只要文档没有离开你的计算机，它还是安全的——同一台电脑上的不同程序使用相同的字节顺序(byte order)。但是当我们需要在系统之间传输这个文档的时候，也许在万维网中，我们就需要一种方法来指示当前我们的字节是怎样存储的。不然的话，接收文档的计算机就无法知道这两个字节4E 2D表达的到底是U+4E2D还是U+2D4E。

为了解决这个问题，多字节的Unicode编码方式定义了一个"字节顺序标记(Byte Order Mark)"，它是一个特殊的非打印字符，你可以把它包含在文档的开头来指示你所使用的字节顺序。对于UTF-16，字节顺序标记是U+FEFF。如果收到一个以字节FF FE开头的UTF-16编码的文档，你就能确定它的字节顺序是单向的(one way)的了；如果它以FE FF开头，则可以确定字节顺序反向了。

**3.4.UTF-8**

**UTF-8（8-bit Unicode Transformation Format）**是一种针对Unicode的可变长度字符编码（定长码），也是一种前缀码。它可以用来表示Unicode标准中的任何字符，且其编码中的第一个字节仍与ASCII兼容，这使得原来处理ASCII字符的软件无须或只须做少部份修改，即可继续使用。因此，它逐渐成为电子邮件、网页及其他存储或传送文字的应用中，优先采用的编码。互联网工程工作小组（IETF）要求所有互联网协议都必须支持UTF-8编码。

UTF-8使用一至四个字节为每个字符编码：

128个US-ASCII字符只需一个字节编码（Unicode范围由U+0000至U+007F）。

带有附加符号的拉丁文、希腊文、西里尔字母、亚美尼亚语、希伯来文、阿拉伯文、叙利亚文及它拿字母则需要二个字节编码（Unicode范围由U+0080至U+07FF）。

其他基本多文种平面（BMP）中的字符（这包含了大部分常用字）使用三个字节编码。

其他极少使用的Unicode辅助平面的字符使用四字节编码。

在处理经常会用到的ASCII字符方面非常有效。在处理扩展的拉丁字符集方面也不比UTF-16差。对于中文字符来说，比UTF-32要好。同时，（在这一条上你得相信我，因为我不打算给你展示它的数学原理。）由位操作的天性使然，使用UTF-8不再存在字节顺序的问题了。一份以utf-8编码的文档在不同的计算机之间是一样的比特流。

总体来说，在Unicode字符串中不可能由码点数量决定显示它所需要的长度，或者显示字符串之后在文本缓冲区中光标应该放置的位置；组合字符、变宽字体、不可打印字符和从右至左的文字都是其归因。所以尽管在UTF-8字符串中字符数量与码点数量的关系比UTF-32更为复杂，在实际中很少会遇到有不同的情形。

优点

1．UTF-8是ASCII的一个超集。因为一个纯ASCII字符串也是一个合法的UTF-8字符串，所以现存的ASCII文本不需要转换。为传统的扩展ASCII字符集设计的软件通常可以不经修改或很少修改就能与UTF-8一起使用。

2．使用标准的面向字节的排序例程对UTF-8排序将产生与基于Unicode代码点排序相同的结果。（尽管这只有有限的有用性，因为在任何特定语言或文化下都不太可能有仍可接受的文字排列顺序。）

3．UTF-8和UTF-16都是可扩展标记语言文档的标准编码。所有其它编码都必须通过显式或文本声明来指定。

4．任何面向字节的字符串搜索算法都可以用于UTF-8的数据（只要输入仅由完整的UTF-8字符组成）。但是，对于包含字符记数的正则表达式或其它结构必须小心。

5．UTF-8字符串可以由一个简单的算法可靠地识别出来。就是，一个字符串在任何其它编码中表现为合法的UTF-8的可能性很低，并随字符串长度增长而减小。举例说，字符值C0,C1,F5至FF从来没有出现。为了更好的可靠性，可以使用正则表达式来统计非法过长和替代值。

缺点

因为每个字符使用不同数量的字节编码，所以寻找串中第N个字符是一个O(N)复杂度的操作 — 即，串越长，则需要更多的时间来定位特定的字符。同时，还需要位变换来把字符编码成字节，把字节解码成字符。

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-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。

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。

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。

**3.5.Unicode与UTF-8之间的转换**

通过上一节的例子，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。

![Center][]

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。

**3.6大小端(Little endian and Big 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）。