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字符编码笔记：ASCII，Unicode和UTF-8

摘自阮一峰的Blog:

http://www.ruanyifeng.com/blog/2007/10/ascii_unicode_and_utf-8.html1.

 

1、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。

2、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256x256=65536个符号。

汉字编码中现在主要用到的有三类，包括GBK，GB2312和Big5。

1、GB2312又称国标码，由国家标准总局发布，1981年5月1日实施，通行于大陆。新加坡等地也使用此编码。它是一个简化字的编码规范，当然也包括 其他的符号、字母、日文假名等，共7445个图形字符，其中汉字占6763个。我们平时说6768个汉字，实际上里边有5个编码为空白，所以总共有 6763个汉字。

GB2312规定“对任意一个图形字符都采用两个字节表示，每个字节均采用七位编码表示”，习惯上称第一个字节为“高字节”，第二个字节为“低字节”。 GB2312中汉字的编码范围为，第一字节0xB0-0xF7(对应十进制为176-247)，第二个字节0xA0-0xFE（对应十进制为 160-254）。

GB2312将代码表分为94个区，对应第一字节（0xa1-0xfe）；每个区94个位（0xa1-0xfe），对应第二字节，两个字节的值分别为区号 值和位号值加32（2OH），因此也称为区位码。01-09区为符号、数字区，16-87区为汉字区（0xb0-0xf7），10-15区、88-94区 是有待进一步标准化的空白区。D7FA-D7FE为空白区域。

2、Big5又称大五码，主要为香港与台湾使用，即是一个繁体字编码。每个汉字由两个字节构成，第一个字节的范围从0X81－0XFE（即 129-255），共126种。第二个字节的范围不连续，分别为0X40－0X7E（即64-126），0XA1－0XFE（即161-254），共 157种。

3、GBK是GB2312的扩展，是向上兼容的，因此GB2312中的汉字的编码与GBK中汉字的相同。另外，GBK中还包含繁体字的编码，它与Big5 编码之间的关系我还没有弄明白，好像是不一致的。GBK中每个汉字仍然包含两个字节，第一个字节的范围是0x81-0xFE（即129-254），第二个 字节的范围是0x40-0xFE（即64-254）。GBK中有码位23940个，包含汉字21003个。

3.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。

4. 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。

Unicode的学名是"Universal Multiple-Octet Coded Character Set"，简称为UCS。UCS可以看作是"Unicode Character Set"的缩写。UCS有两种格式：UCS-2和UCS-4。顾名思义，UCS-2就是用两个字节编码，UCS-4就是用4个字节（实际上只用了31位，最高位必须为0）编码。下面让我们做一些简单的数学游戏：

　　UCS-2有2^16=65536个码位，UCS-4有2^31=2147483648个码位。

　 　UCS-4根据最高位为0的最高字节分成2^7=128个group。每个group再根据次高字节分为256个plane。每个plane根据第3个 字节分为256行 (rows)，每行包含256个cells。当然同一行的cells只是最后一个字节不同，其余都相同。

　　group 0的plane 0被称作Basic Multilingual Plane, 即BMP。或者说UCS-4中，高两个字节为0的码位被称作BMP。

　　将UCS-4的BMP去掉前面的两个零字节就得到了UCS-2。在UCS-2的两个字节前加上两个零字节，就得到了UCS-4的BMP。而目前的UCS-4规范中还没有任何字符被分配在BMP之外。

 

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。

5.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。UCS规定了怎么用多个字节表示各种文字。怎样传输这些编码，是由UTF(UCS Transformation Format)规范规定的，常见的UTF规范包括UTF-8、UTF-7、UTF-16。其他实现方式还包括UTF-32，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(00,11?,10区分了这个字节是asii，多字节字符的首字节，多字符字节的后续字节)。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

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。

UTF-8就是以8位为单元对UCS进行编码。UTF-16以16位为单元对UCS进行编码。

UTF-8以字节为编码单元，没有字节序的问题。UTF-16以两个字节为编码单元，在解释一个UTF-16文本前，首先要弄清楚每个编码单元的字节序。例如收到一个“奎”的Unicode编码是594E，“乙”的Unicode编码是4E59。如果我们收到UTF-16字节流“594E”，那么这 是“奎”还是“乙”？

　　Unicode规范中推荐的标记字节顺序的方法是BOM。BOM不是“Bill Of Material”的BOM表，而是Byte Order Mark。BOM是一个有点小聪明的想法：

　 　在UCS编码中有一个叫做"ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE"的字符，它的编码是FEFF。而FFFE在UCS中是不存在的字符，所以不应该出现在实际传输中。UCS规范建议我们在传输字节流前，先传输 字符"ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE"。

　　这样如果接收者收到FEFF，就表明这个字节流是Big-Endian的；如果收到FFFE，就表明这个字节流是Little-Endian的。因此字符"ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE"又被称作BOM。

　 　UTF-8不需要BOM来表明字节顺序，但可以用BOM来表明编码方式。字符"ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE"的UTF-8编码是EF BB BF（读者可以用我们前面介绍的编码方法验证一下）。所以如果接收者收到以EF BB BF开头的字节流，就知道这是UTF-8编码了。

　　Windows就是使用BOM来标记文本文件的编码方式的。

 

6. 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。

7. 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。

8. 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”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。UTF-8以字节为编码单元，没有字节序的问题。

9. 延伸阅读

* The Absolute Minimum Every Software Developer Absolutely, Positively Must Know About Unicode and Character Sets（关于字符集的最基本知识）

* 谈谈Unicode编码

* RFC3629：UTF-8, a transformation format of ISO 10646（如果实现UTF-8的规定）

 

（完）