也談 Python 的中文編碼處理

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最近業務中需要用 Python 寫一些腳本。儘管腳本的交互只是命令行 + 日誌輸出，但是爲了讓界面友好些，我還是決定用中文輸出日誌信息。

很快，我就遇到了異常：

Python代碼  

UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)  

爲了解決問題，我花時間去研究了一下 Python 的字符編碼處理。網上也有不少文章講 Python 的字符編碼，但是我看過一遍，覺得自己可以講得更明白些。

下面先複述一下 Python 字符串的基礎，熟悉此內容的可以跳過。

對應 C/C++ 的 char 和 wchar_t, Python 也有兩種字符串類型，str 與 unicode：

Python代碼  

# -*- coding: utf-8 -*-  

# file: example1.py  

import string  

# 這個是 str 的字符串  

s = '關關雎鳩'  

# 這個是 unicode 的字符串  

u = u'關關雎鳩'  

print isinstance(s, str)      # True  

print isinstance(u, unicode)  # True  

print s.__class__   # <type 'str'>  

print u.__class__   # <type 'unicode'>

前面的申明：# -*- coding: utf-8 -*- 表明，上面的 Python 代碼由 utf-8 編碼。

爲了保證輸出不會在 linux 終端上顯示亂碼，需要設置好 linux 的環境變量：export LANG=en_US.UTF-8

如果你和我一樣是使用 SecureCRT，請設置 Session Options/Terminal/Appearance/Character Encoding 爲 UTF-8 ，保證能夠正確的解碼 linux 終端的輸出。

兩個 Python 字符串類型間可以用 encode / decode 方法轉換：

Python代碼  

# 從 str 轉換成 unicode  

print s.decode('utf-8')   # 關關雎鳩  

# 從 unicode 轉換成 str  

print u.encode('utf-8')   # 關關雎鳩

爲什麼從 unicode 轉 str 是 encode，而反過來叫 decode?

因爲 Python 認爲 16 位的 unicode 纔是字符的唯一內碼，而大家常用的字符集如 gb2312，gb18030/gbk，utf-8，以及 ascii 都是字符的二進制（字節）編碼形式。把字符從 unicode 轉換成二進制編碼，當然是要 encode。

反過來，在 Python 中出現的 str 都是用字符集編碼的 ansi 字符串。Python 本身並不知道 str 的編碼，需要由開發者指定正確的字符集 decode。

(補充一句，其實 Python 是可以知道 str 編碼的。因爲我們在代碼前面申明瞭 # -*- coding: utf-8 -*-，這表明代碼中的 str 都是用 utf-8 編碼的，我不知道 Python 爲什麼不這樣做。)

如果用錯誤的字符集來 encode/decode 會怎樣？

Python代碼  

# 用 ascii 編碼含中文的 unicode 字符串  

u.encode('ascii')  # 錯誤，因爲中文無法用 ascii 字符集編碼  

                   # UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)  

# 用 gbk 編碼含中文的 unicode 字符串  

u.encode('gbk')  # 正確，因爲 '關關雎鳩' 可以用中文 gbk 字符集表示  

                 # '\xb9\xd8\xb9\xd8\xf6\xc2\xf0\xaf'  

                 # 直接 print 上面的 str 會顯示亂碼，修改環境變量爲 zh_CN.GBK 可以看到結果是對的  

# 用 ascii 解碼 utf-8 字符串  

s.decode('ascii')  # 錯誤，中文 utf-8 字符無法用 ascii 解碼  

                   # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)  

# 用 gbk 解碼 utf-8 字符串  

s.decode('gbk')  # 不出錯，但是用 gbk 解碼 utf-8 字符流的結果，顯然只是亂碼  

                 # u'\u934f\u51b2\u53e7\u95c6\u5ea8\u7b2d'

這就遇到了我在本文開頭貼出的異常：UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)

現在我們知道了這是個字符串編碼異常。接下來, 爲什麼 Python 這麼容易出現字符串編/解碼異常？

這要提到處理 Python 編碼時容易遇到的兩個陷阱。第一個是有關字符串連接的：

Python代碼  

# -*- coding: utf-8 -*-  

# file: example2.py  

# 這個是 str 的字符串  

s = '關關雎鳩'  

# 這個是 unicode 的字符串  

u = u'關關雎鳩'  

s + u  # 失敗，UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)

簡單的字符串連接也會出現解碼錯誤？

陷阱一：在進行同時包含 str 與 unicode 的運算時，Python 一律都把 str 轉換成 unicode 再運算，當然，運算結果也都是 unicode。

由於 Python 事先並不知道 str 的編碼，它只能使用 sys.getdefaultencoding() 編碼去 decode。在我的印象裏，sys.getdefaultencoding() 的值總是 'ascii' ——顯然，如果需要轉換的 str 有中文，一定會出現錯誤。

除了字符串連接，% 運算的結果也是一樣的：

Python代碼  

# 正確，所有的字符串都是 str, 不需要 decode  

"中文：%s" % s   # 中文：關關雎鳩  

# 失敗，相當於運行："中文：%s".decode('ascii') % u  

"中文：%s" % u  # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)  

# 正確，所有字符串都是 unicode, 不需要 decode  

u"中文：%s" % u   # 中文：關關雎鳩  

# 失敗，相當於運行：u"中文：%s" % s.decode('ascii')  

u"中文：%s" % s  # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)

我不理解爲什麼 sys.getdefaultencoding() 與環境變量 $LANG 全無關係。如果 Python 用 $LANG 設置 sys.getdefaultencoding() 的值，那麼至少開發者遇到 UnicodeDecodeError 的機率會降低 50%。

另外，就像前面說的，我也懷疑爲什麼 Python 在這裏不參考 # -*- coding: utf-8 -*- ，因爲 Python 在運行前總是會檢查你的代碼，這保證了代碼裏定義的 str 一定是 utf-8 。

對於這個問題，我的唯一建議是在代碼裏的中文字符串前寫上 u。另外，在 Python 3 已經取消了 str，讓所有的字符串都是 unicode ——這也許是個正確的決定。

其實，sys.getdefaultencoding() 的值是可以用“後門”方式修改的，我不是特別推薦這個解決方案，但是還是貼一下，因爲後面有用：

Python代碼  

# -*- coding: utf-8 -*-  

# file: example3.py  

import sys  

# 這個是 str 的字符串  

s = '關關雎鳩'  

# 這個是 unicode 的字符串  

u = u'關關雎鳩'  

# 使得 sys.getdefaultencoding() 的值爲 'utf-8'  

reload(sys)                      # reload 才能調用 setdefaultencoding 方法  

sys.setdefaultencoding('utf-8')  # 設置 'utf-8'  

# 沒問題  

s + u  # u'\u5173\u5173\u96ce\u9e20\u5173\u5173\u96ce\u9e20'  

# 同樣沒問題  

"中文：%s" % u   # u'\u4e2d\u6587\uff1a\u5173\u5173\u96ce\u9e20'  

# 還是沒問題  

u"中文：%s" % s  # u'\u4e2d\u6587\uff1a\u5173\u5173\u96ce\u9e20'

可以看到，問題魔術般的解決了。但是注意！ sys.setdefaultencoding() 的效果是全局的，如果你的代碼由幾個不同編碼的 Python 文件組成，用這種方法只是按下了葫蘆浮起了瓢，讓問題變得複雜。

另一個陷阱是有關標準輸出的。

剛剛怎麼來着？我一直說要設置正確的 linux $LANG 環境變量。那麼，設置錯誤的 $LANG，比如 zh_CN.GBK 會怎樣？（避免終端的影響，請把 SecureCRT 也設置成相同的字符集。）

顯然會是亂碼，但是不是所有輸出都是亂碼。

Python代碼  

# -*- coding: utf-8 -*-  

# file: example4.py  

import string  

# 這個是 str 的字符串  

s = '關關雎鳩'  

# 這個是 unicode 的字符串  

u = u'關關雎鳩'  

# 輸出 str 字符串, 顯示是亂碼  

print s   # 鍏衝叧闆庨笭  

# 輸出 unicode 字符串，顯示正確  

print u  # 關關雎鳩

爲什麼是 unicode 而不是 str 的字符顯示是正確的？首先我們需要了解 print。與所有語言一樣，這個 Python 命令實際上是把字符打印到標準輸出流 —— sys.stdout。而 Python 在這裏變了個魔術，它會按照 sys.stdout.encoding 來給 unicode 編碼，而把 str 直接輸出，扔給操作系統去解決。

這也是爲什麼要設置 linux $LANG 環境變量與 SecureCRT 一致，否則這些字符會被 SecureCRT 再轉換一次，纔會交給桌面的 Windows 系統用編碼 CP936 或者說 GBK 來顯示。

通常情況，sys.stdout.encoding 的值與 linux $LANG 環境變量保持一致：

Python代碼  

# -*- coding: utf-8 -*-  

# file: example5.py  

import sys  

# 檢查標準輸出流的編碼  

print sys.stdout.encoding  # 設置 $LANG = zh_CN.GBK，  輸出 GBK  

                           # 設置 $LANG = en_US.UTF-8，輸出 UTF-8  

# 這個是 unicode 的字符串  

u = u'關關雎鳩'  

# 輸出 unicode 字符串，顯示正確  

print u  # 關關雎鳩

但是，這裏有 陷阱二：一旦你的 Python 代碼是用管道 / 子進程方式運行，sys.stdout.encoding 就會失效，讓你重新遇到 UnicodeEncodeError。

比如，用管道方式運行上面的 example4.py 代碼：

Python代碼  

python -u example5.py | more  

UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)  

None

可以看到，第一：sys.stdout.encoding 的值變成了 None；第二：Python 在 print 時會嘗試用 ascii 去編碼 unicode.

由於 ascii 字符集不能用來表示中文字符，這裏當然會編碼失敗。

怎麼解決這個問題？不知道別人是怎麼搞定的，總之我用了一個醜陋的辦法：

Python代碼  

# -*- coding: utf-8 -*-  

# file: example6.py  

import os  

import sys  

import codecs  

# 無論如何，請用 linux 系統的當前字符集輸出：  

if sys.stdout.encoding is None:  

    enc = os.environ['LANG'].split('.')[1]  

    sys.stdout = codecs.getwriter(enc)(sys.stdout)  # 替換 sys.stdout  

# 這個是 unicode 的字符串  

u = u'關關雎鳩'  

# 輸出 unicode 字符串，顯示正確  

print u  # 關關雎鳩

這個方法仍然有個副作用：直接輸出中文 str 會失敗，因爲 codecs 模塊的 writer 與 sys.stdout 的行爲相反，它會把所有的 str 用 sys.getdefaultencoding() 的字符集轉換成 unicode 輸出。

Python代碼  

# 這個是 str 的字符串  

s = '關關雎鳩'  

# 輸出 str 字符串, 異常  

print s   # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)

顯然，sys.getdefaultencoding() 的值是 'ascii', 編碼失敗。

解決辦法就像 example3.py 裏說的，你要麼給 str 加上 u 申明成 unicode，要麼通過“後門”去修改 sys.getdefaultencoding()：

Python代碼  

# 使得 sys.getdefaultencoding() 的值爲 'utf-8'  

reload(sys)                      # reload 才能調用 setdefaultencoding 方法  

sys.setdefaultencoding('utf-8')  # 設置 'utf-8'  

# 這個是 str 的字符串  

s = '關關雎鳩'  

# 輸出 str 字符串, OK  

print s   # 關關雎鳩

總而言之，在 Python 2 下進行中文輸入輸出是個危機四伏的事，特別是在你的代碼裏混合使用 str 與 unicode 時。

有些模塊，例如 json，會直接返回 unicode 類型的字符串，讓你的 % 運算需要進行字符解碼而失敗。而有些會直接返回 str, 你需要知道它們的真實編碼，特別是在 print 的時候。

爲了避免一些陷阱，上文中說過，最好的辦法就是在 Python 代碼裏永遠使用 u 定義中文字符串。另外，如果你的代碼需要用管道 / 子進程方式運行，則需要用到 example6.py 裏的技巧。

（完）

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