字符編碼筆記:ASCII,Unicode和UTF-8

今天中午,我突然想搞清楚Unicode和UTF-8之間的關係,於是就開始在網上查資料。 
結果,這個問題比我想象的複雜,從午飯後一直看到晚上9點,纔算初步搞清楚。 
下面就是我的筆記,主要用來整理自己的思路。但是,我儘量試圖寫得通俗易懂,希望能對其他朋友有用。畢竟,字符編碼是計算機技術的基石,想要熟練使用計算機,就必須懂得一點字符編碼的知識。 
1. ASCII碼 
我們知道,在計算機內部,所有的信息最終都表示爲一個二進制的字符串。每一個二進制位(bit)有0和1兩種狀態,因此八個二進制位就可以組合出256種狀態,這被稱爲一個字節(byte)。也就是說,一個字節一共可以用來表示256種不同的狀態,每一個狀態對應一個符號,就是256個符號,從0000000到11111111。 
上個世紀60年代,美國製定了一套字符編碼,對英語字符與二進制位之間的關係,做了統一規定。這被稱爲ASCII碼,一直沿用至今。 
ASCII碼一共規定了128個字符的編碼,比如空格"SPACE"是32(二進制00100000),大寫的字母A是65(二進制01000001)。這128個符號(包括32個不能打印出來的控制符號),只佔用了一個字節的後面7位,最前面的1位統一規定爲0。 
2、非ASCII編碼 
英語用128個符號編碼就夠了,但是用來表示其他語言,128個符號是不夠的。比如,在法語中,字母上方有注音符號,它就無法用ASCII碼錶示。於是,一些歐洲國家就決定,利用字節中閒置的最高位編入新的符號。比如,法語中的é的編碼爲130(二進制10000010)。這樣一來,這些歐洲國家使用的編碼體系,可以表示最多256個符號。 
但是,這裏又出現了新的問題。不同的國家有不同的字母,因此,哪怕它們都使用256個符號的編碼方式,代表的字母卻不一樣。比如,130在法語編碼中代表了é,在希伯來語編碼中卻代表了字母Gimel (ג),在俄語編碼中又會代表另一個符號。但是不管怎樣,所有這些編碼方式中,0--127表示的符號是一樣的,不一樣的只是128--255的這一段。 
至於亞洲國家的文字,使用的符號就更多了,漢字就多達10萬左右。一個字節只能表示256種符號,肯定是不夠的,就必須使用多個字節表達一個符號。比如,簡體中文常見的編碼方式是GB2312,使用兩個字節表示一個漢字,所以理論上最多可以表示256x256=65536個符號。 
中文編碼的問題需要專文討論,這篇筆記不涉及。這裏只指出,雖然都是用多個字節表示一個符號,但是GB類的漢字編碼與後文的Unicode和UTF-8是毫無關係的。 
3.Unicode 
正如上一節所說,世界上存在着多種編碼方式,同一個二進制數字可以被解釋成不同的符號。因此,要想打開一個文本文件,就必須知道它的編碼方式,否則用錯誤的編碼方式解讀,就會出現亂碼。爲什麼電子郵件常常出現亂碼?就是因爲發信人和收信人使用的編碼方式不一樣。 
可以想象,如果有一種編碼,將世界上所有的符號都納入其中。每一個符號都給予一個獨一無二的編碼,那麼亂碼問題就會消失。這就是Unicode,就像它的名字都表示的,這是一種所有符號的編碼。 
Unicode當然是一個很大的集合,現在的規模可以容納100多萬個符號。每個符號的編碼都不一樣,比如,U+0639表示阿拉伯字母Ain,U+0041表示英語的大寫字母A,U+4E25表示漢字"嚴"。具體的符號對應表,可以查詢unicode.org,或者專門的漢字對應表。 
4. Unicode的問題 
需要注意的是,Unicode只是一個符號集,它只規定了符號的二進制代碼,卻沒有規定這個二進制代碼應該如何存儲。 
比如,漢字"嚴"的unicode是十六進制數4E25,轉換成二進制數足足有15位(100111000100101),也就是說這個符號的表示至少需要2個字節。表示其他更大的符號,可能需要3個字節或者4個字節,甚至更多。 
這裏就有兩個嚴重的問題,第一個問題是,如何才能區別Unicode和ASCII?計算機怎麼知道三個字節表示一個符號,而不是分別表示三個符號呢?第二個問題是,我們已經知道,英文字母只用一個字節表示就夠了,如果Unicode統一規定,每個符號用三個或四個字節表示,那麼每個英文字母前都必然有二到三個字節是0,這對於存儲來說是極大的浪費,文本文件的大小會因此大出二三倍,這是無法接受的。 
它們造成的結果是:1)出現了Unicode的多種存儲方式,也就是說有許多種不同的二進制格式,可以用來表示Unicode。2)Unicode在很長一段時間內無法推廣,直到互聯網的出現。 
5.UTF-8 
互聯網的普及,強烈要求出現一種統一的編碼方式。UTF-8就是在互聯網上使用最廣的一種Unicode的實現方式。其他實現方式還包括UTF-16(字符用兩個字節或四個字節表示)和UTF-32(字符用四個字節表示),不過在互聯網上基本不用。重複一遍,這裏的關係是,UTF-8是Unicode的實現方式之一。 
UTF-8最大的一個特點,就是它是一種變長的編碼方式。它可以使用1~4個字節表示一個符號,根據不同的符號而變化字節長度。 
UTF-8的編碼規則很簡單,只有二條: 
1)對於單字節的符號,字節的第一位設爲0,後面7位爲這個符號的unicode碼。因此對於英語字母,UTF-8編碼和ASCII碼是相同的。 
2)對於n字節的符號(n>1),第一個字節的前n位都設爲1,第n+1位設爲0,後面字節的前兩位一律設爲10。剩下的沒有提及的二進制位,全部爲這個符號的unicode碼。 

跟據上表,解讀UTF-8編碼非常簡單。如果一個字節的第一位是0,則這個字節單獨就是一個字符;如果第一位是1,則連續有多少個1,就表示當前字符佔用多少個字節。 
下面,還是以漢字"嚴"爲例,演示如何實現UTF-8編碼。 
已知"嚴"的unicode是4E25(100111000100101),根據上表,可以發現4E25處在第三行的範圍內(0000 0800-0000 FFFF),因此"嚴"的UTF-8編碼需要三個字節,即格式是"1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx"。然後,從"嚴"的最後一個二進制位開始,依次從後向前填入格式中的x,多出的位補0。這樣就得到了,"嚴"的UTF-8編碼是"11100100 10111000 10100101",轉換成十六進制就是E4B8A5。 
6. Unicode與UTF-8之間的轉換 
通過上一節的例子,可以看到"嚴"的Unicode碼是4E25,UTF-8編碼是E4B8A5,兩者是不一樣的。它們之間的轉換可以通過程序實現。 
在Windows平臺下,有一個最簡單的轉化方法,就是使用內置的記事本小程序Notepad.exe。打開文件後,點擊"文件"菜單中的"另存爲"命令,會跳出一個對話框,在最底部有一個"編碼"的下拉條。 

裏面有四個選項:ANSI,Unicode,Unicode big endian 和 UTF-8。 
1)ANSI是默認的編碼方式。對於英文文件是ASCII編碼,對於簡體中文文件是GB2312編碼(只針對Windows簡體中文版,如果是繁體中文版會採用Big5碼)。 
2)Unicode編碼指的是UCS-2編碼方式,即直接用兩個字節存入字符的Unicode碼。這個選項用的little endian格式。 
3)Unicode big endian編碼與上一個選項相對應。我在下一節會解釋little endian和big endian的涵義。 
4)UTF-8編碼,也就是上一節談到的編碼方法。 
選擇完"編碼方式"後,點擊"保存"按鈕,文件的編碼方式就立刻轉換好了。 
7. Little endian和Big endian 
上一節已經提到,Unicode碼可以採用UCS-2格式直接存儲。以漢字"嚴"爲例,Unicode碼是4E25,需要用兩個字節存儲,一個字節是4E,另一個字節是25。存儲的時候,4E在前,25在後,就是Big endian方式;25在前,4E在後,就是Little endian方式。 
這兩個古怪的名稱來自英國作家斯威夫特的《格列佛遊記》。在該書中,小人國裏爆發了內戰,戰爭起因是人們爭論,吃雞蛋時究竟是從大頭(Big-Endian)敲開還是從小頭(Little-Endian)敲開。爲了這件事情,前後爆發了六次戰爭,一個皇帝送了命,另一個皇帝丟了王位。 
因此,第一個字節在前,就是"大頭方式"(Big endian),第二個字節在前就是"小頭方式"(Little endian)。 
那麼很自然的,就會出現一個問題:計算機怎麼知道某一個文件到底採用哪一種方式編碼? 
Unicode規範中定義,每一個文件的最前面分別加入一個表示編碼順序的字符,這個字符的名字叫做"零寬度非換行空格"(ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE),用FEFF表示。這正好是兩個字節,而且FF比FE大1。 
如果一個文本文件的頭兩個字節是FE FF,就表示該文件採用大頭方式;如果頭兩個字節是FF FE,就表示該文件採用小頭方式。 
8. 實例 
下面,舉一個實例。 
打開"記事本"程序Notepad.exe,新建一個文本文件,內容就是一個"嚴"字,依次採用ANSI,Unicode,Unicode big endian 和 UTF-8編碼方式保存。 
然後,用文本編輯軟件UltraEdit中的"十六進制功能",觀察該文件的內部編碼方式。 
1)ANSI:文件的編碼就是兩個字節"D1 CF",這正是"嚴"的GB2312編碼,這也暗示GB2312是採用大頭方式存儲的。 
2)Unicode:編碼是四個字節"FF FE 25 4E",其中"FF FE"表明是小頭方式存儲,真正的編碼是4E25。 
3)Unicode big endian:編碼是四個字節"FE FF 4E 25",其中"FE FF"表明是大頭方式存儲。 

4)UTF-8:編碼是六個字節"EF BB BF E4 B8 A5",前三個字節"EF BB BF"表示這是UTF-8編碼,後三個"E4B8A5"就是"嚴"的具體編碼,它的存儲順序與編碼順序是一致的。

轉自:http://asdf314159265.iteye.com/blog/2034966

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