计算机编码

【1】从基础的开始

     最小的单元是位（bit），接着是字节（Byte），一个字节 ＝ 8位，英语表示是1 byte=8 bits 。

     机器语言的单位Byte。 接着是KB，1 KB=1024 Byte;  接着是MB，1 MB=1024 KB;  接着是GB，1 GB=1024 MB ;接着是TB, 1TB=1024 GB。  

     接着是进制：二进制0和1，8进制0-7， 十进制不用说，16进制0-9后面是A,B,C,D,E,F 他们关系如下：

     Binary     Octal    Decimal    Hex

       0               0           0           0

       1               1           1           1

       10             2           2           2

       11             3           3           3

       100           4           4           4

       101           5           5           5

       110           6           6           6

       111           7           7           7

       1000        10           8          8

       1001        11           9          9

       1010        12          10         A

       1011        13          11         B

       1100        14          12         C

       1101        15          13         D

       1110        16          14         E

       1111        17          15          F

【2】 ASCII码

我们知道，在计算机内部，所有的信息最终都表示为一个二进制的字符串。

每一个二进制位（bit）有0和1两种状态，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0000000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"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1位统一规定为0。

【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。

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 (?)，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256x256=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。

【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。

那么可以想象，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Ain，U+0041表示英语的大写字母A，U+4E25表示汉字"严"。

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。

【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-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

根据上表，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。

【7】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。

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。

【8】Little endian和Big endian

上一节已经提到，Unicode码可以采用UCS-2格式直接存储。

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，就是Big endian方式；25在前，4E在后，就是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。

因此，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规范中定义：

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 

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。

 

文章转自:http://www.ruanyifeng.com/blog/2007/10/ascii_unicode_and_utf-8.html