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彻底搞懂字符集编码:ASCII,Unicode 和 UTF-8

一、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0000000011111111

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,最前面的一位统一规定为0

ASCII控制字符

二进制十进制十六进制缩写可以显示的表示法名称/意义
0000 0000000NUL空字符(Null)
0000 0001101SOH标题开始
0000 0010202STX本文开始
0000 0011303ETX本文结束
0000 0100404EOT传输结束
0000 0101505ENQ请求
0000 0110606ACK确认回应
0000 0111707BEL响铃
0000 1000808BS退格
0000 1001909HT水平定位符号
0000 1010100ALF换行键
0000 1011110BVT垂直定位符号
0000 1100120CFF换页键
0000 1101130DCR归位键
0000 1110140ESO取消变换(Shift out)
0000 1111150FSI启用变换(Shift in)
0001 00001610DLE跳出数据通讯
0001 00011711DC1设备控制一(XON 启用软件速度控制)
0001 00101812DC2设备控制二
0001 00111913DC3设备控制三(XOFF 停用软件速度控制)
0001 01002014DC4设备控制四
0001 01012115NAK确认失败回应
0001 01102216SYN同步用暂停
0001 01112317ETB区块传输结束
0001 10002418CAN取消
0001 10012519EM连接介质中断
0001 1010261ASUB替换
0001 1011271BESC跳出
0001 1100281CFS文件分割符
0001 1101291DGS组群分隔符
0001 1110301ERS记录分隔符
0001 1111311FUS单元分隔符
0111 11111277FDEL删除

ASCII可显示字符

二进制十进制十六进制图形0010 00003220(空格)(␠)0010 00013321!0010 00103422″0010 00113523#0010 01003624$0010 01013725 %0010 01103826&0010 01113927’0010 10004028(0010 10014129)0010 1010422A*0010 1011432B+0010 1100442C,0010 1101452D-0010 1110462E.0010 1111472F/0011 0000483000011 0001493110011 0010503220011 0011513330011 0100523440011 0101533550011 0110543660011 0111553770011 1000563880011 1001573990011 1010583A:0011 1011593B;0011 1100603C<0011 1101613D=0011 1110623E>0011 1111633F? 二进制十进制十六进制图形0100 00006440@0100 00016541A0100 00106642B0100 00116743C0100 01006844D0100 01016945E0100 01107046F0100 01117147G0100 10007248H0100 10017349I0100 1010744AJ0100 1011754BK0100 1100764CL0100 1101774DM0100 1110784EN0100 1111794FO0101 00008050P0101 00018151Q0101 00108252R0101 00118353S0101 01008454T0101 01018555U0101 01108656V0101 01118757W0101 10008858X0101 10018959Y0101 1010905AZ0101 1011915B[0101 1100925C\0101 1101935D]0101 1110945E^0101 1111955F_ 二进制十进制十六进制图形0110 00009660`0110 00019761a0110 00109862b0110 00119963c0110 010010064d0110 010110165e0110 011010266f0110 011110367g0110 100010468h0110 100110569i0110 10101066Aj0110 10111076Bk0110 11001086Cl0110 11011096Dm0110 11101106En0110 11111116Fo0111 000011270p0111 000111371q0111 001011472r0111 001111573s0111 010011674t0111 010111775u0111 011011876v0111 011111977w0111 100012078×0111 100112179y0111 10101227Az0111 10111237B{0111 11001247C|0111 11011257D}0111 11101267E~

二、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。

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。

中文编码的问题需要专文讨论,这篇笔记不涉及。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。

三. 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

四、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: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。

五、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-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

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,还是以汉字为例,演示如何实现 UTF-8 编码。

的 Unicode 是4E25100111000100101),根据上表,可以发现4E25处在第三行的范围内(0000 0800 - 0000 FFFF),因此的 UTF-8 编码需要三个字节,即格式是1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。然后,从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,的 UTF-8 编码是11100100 10111000 10100101,转换成十六进制就是E4B8A5

六、Unicode 与 UTF-8 之间的转换

通过上一节的例子,可以看到的 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。

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。

bg2007102801.jpg

里面有四个选项:ANSIUnicodeUnicode big endianUTF-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。

七、Little endian 和 Big endian

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FFFE1

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。

八、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,内容就是一个字,依次采用ANSIUnicodeUnicode big endianUTF-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就是的具体编码,它的存储顺序与编码顺序是一致的。

原文来源: http://www.91coding.net/wp-admin/post-new.php

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