一文说清文本编码那些事
一直以来，编码问题像幽灵一般，不少开发人员都受过它的困扰。
试想你请求一个数据，却得到一堆乱码，丈二和尚摸不着头脑。有同事质疑你的数据是乱码，虽然你很确定传了 UTF-8 ，却也无法自证清白，更别说帮同事 debug 了。
有时，靠着百度和一手瞎调的手艺，乱码也能解决。尽管如此，还是很羡慕那些骨灰级程序员。为什么他们每次都能犀利地指出问题，并快速修复呢？原因在于，他们早就把编码问题背后的各种来龙去脉搞清楚了。
本文从 ASCII 码说起，带你扒一扒编码背后那些事。相信搞清编码的原理后，你将不再畏惧任何编码问题。
从 ASCII 码说起
现代计算机技术从英文国家兴起，最先遇到的也是英文文本。英文文本一般由 26 个字母、 10 个数字以及若干符号组成，总数也不过 100 左右。
计算机中最基本的存储单位为 字节 ( byte )，由 8 个比特位( bit )组成，也叫做 八位字节 ( octet )。8 个比特位可以表示 $ 2^8 = 256 $ 个字符，看上去用字节来存储英文字符即可？
计算机先驱们也是这么想的。他们为每个英文字符编号，再加上一些控制符，形成了我们所熟知的 ASCII 码表。实际上，由于英文字符不多，他们只用了字节的后 7 位而已。
根据 ASCII 码表，由 01000001 这 8 个比特位组成的八位字节，代表字母 A 。
顺便提一下，比特本身没有意义，比特 在 上下文 ( context )中才构成信息。举个例子，对于内存中一个字节 01000001 ，你将它看做一个整数，它就是 65 ；将它作为一个英文字符，它就是字母 A ；你看待比特的方式，就是所谓的上下文。
所以，猜猜下面这个程序输出啥？
#include <stdio.h>
int main(int argc, char *argv[])
{
char value = 0x41;
// as a number, value is 65 or 0x41 in hexadecimal
printf("%d\n", value);
// as a ASCII character, value is alphabet A
printf("%c\n", value);
return 0;
}
latin1
西欧人民来了，他们主要使用拉丁字母语言。与英语类似，拉丁字母数量并不大，大概也就是几十个。于是，西欧人民打起 ASCII 码表那个未用的比特位( b8 )的主意。
还记得吗？ASCII 码表总共定义了 128 个字符，范围在 0~127 之间，字节最高位 b8 暂未使用。于是，西欧人民将拉丁字母和一些辅助符号(如欧元符号)定义在 128~255 之间。这就构成了 latin1 ，它是一个 8 位字符集，定义了以下字符：
图中绿色部分是不可打印的( unprintable )控制字符，左半部分是 ASCII 码。因此，latin1 字符集是 ASCII 码的超集：
一个字节掰成两半，欧美两兄弟各用一半。至此，欧美人民都玩嗨了，东亚人民呢？
GB2312、GBK和GB18030
由于受到汉文化的影响，东亚地区主要是汉字圈，我们便以中文为例展开介绍。
汉字有什么特点呢？—— 光常用汉字就有几千个，这可不是一个字节能胜任的。一个字节不够就两个呗。道理虽然如此，操作起来却未必这么简单。
首先，将需要编码的汉字和 ASCII 码整理成一个字符集，例如 GB2312 。为什么需要 ASCII 码呢？因为，在计算机世界，不可避免要跟数字、英文字母打交道。至于拉丁字母，重要性就没那么大，也就无所谓了。
GB2312 字符集总共收录了 6 千多个汉字，用两个字节来表示足矣，但事情远没有这么简单。同样的数字字符，在 GB2312 中占用 2 个字节，在 ASCII 码中占用 1 个字节，这不就不兼容了吗？计算机里太多东西涉及 ASCII 码了，看看一个 http 请求：
GET / HTTP/1.1
Host: www.example.com
那么，怎么兼容 GB2312 和 ASCII 码呢？天无绝人之路， 变长 编码方案应运而生。
变长编码方案，字符由长度不一的字节表示，有些字符只需 1 字节，有些需要 2 字节，甚至有些需要更多字节。GB2312 中的 ASCII 码与原来保持一致，还是用一个字节来表示，这样便解决了兼容问题。
在 GB2312 中，如果一个字节最高位 b8 为 0 ，该字节便是单字节编码，即 ASCII 码。如果字节最高位 b8 为 1 ，它就是双字节编码的首字节，与其后字节一起表示一个字符。
变长编码方案目的在于兼容 ASCII 码，但也带来一个问题：由于字节编码长度不一，定位第 N 个字符只能通过遍历实现，时间复杂度从 $ O(1) $ 退化到 $ O(N) $ 。好在这种操作场景并不多见，因此影响可以忽略。
GB2312 收录的汉字个数只有常用的 6 千多个，遇到生僻字还是无能为力。因此，后来又推出了 GBK 和 GB18030 字符集。GBK 是 GB2312 的超集，完全兼容 GB2312 ；而 GB18030 又是 GBK 的超集，完全兼容 GBK 。
因此，对中文编码文本进行解码，指定 GB18030 最为健壮：
>>> raw = b'\xfd\x88\xb5\xc4\xb4\xab\xc8\xcb'
>>> raw.decode('gb18030')
'龍的传人'
指定 GBK 或 GB2312 就只好看运气了，GBK 多半还没事：
>>> raw.decode('gbk')
'龍的传人'
GB2312 经常直接抛锚不商量：
>>> raw.decode('gb2312')
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
UnicodeDecodeError: 'gb2312' codec can't decode byte 0xfd in position 0: illegal multibyte sequence
chardet 是一个不错的文本编码检测库，用起来很方便，但对中文编码支持不是很好。经常中文编码的文本进去，检测出来的结果是 GB2312 ，但一用 GB2312 解码就跪：
>>> import chardet
>>> raw = b'\xd6\xd0\xb9\xfa\xc8\xcb\xca\xc7\xfd\x88\xb5\xc4\xb4\xab\xc8\xcb'
>>> chardet.detect(raw)
{'encoding': 'GB2312', 'confidence': 0.99, 'language': 'Chinese'}
>>> raw.decode('GB2312')
Traceback (most recent call last):
File "<stdin>", line 1, in <module>
UnicodeDecodeError: 'gb2312' codec can't decode byte 0xfd in position 8: illegal multibyte sequence
掌握 GB2312 、 GBK 、 GB18030 三者的关系后，我们可以略施小计。如果 chardet 检测出来结果是 GB2312 ，就用 GB18030 去解码，大概率可以成功！
>>> raw.decode('GB18030')
'中国人是龍的传人'
Unicode
GB2312 、 GBK 与 GB18030 都是中文编码字符集。虽然 GB18030 也包含日韩表意文字，算是国际字符集，但毕竟是以中文为主，无法适应全球化应用。
在计算机发展早期，不同国家都推出了自己的字符集和编码方案，互不兼容。中文编码的文本在使用日文编码的系统上是无法显示的，这就给国际交往带来障碍。
这时，英雄出现了。统一码联盟 站出来说要发展一个通用的字符集，收录世界上所有字符，这就是 Unicode 。经过多年发展， Unicode 已经成为世界上最通用的字符集，也是计算机科学领域的业界标准。
Unicode 已经收录的字符数量已经超过 13 万个，每个字符需占用超过 2 字节。由于常用编程语言一般没有 24 位数字类型，因此一般用 32 位数字表示一个字符。这样一来，同样的一个英文字母，在 ASCII 中只需占用 1 字节，在 Unicode 则需要占用 4 字节！英美人民都要哭了，试想你磁盘中的文件大小都增大了 4 倍是什么感受！
UTF-8
为了兼容 ASCII 并优化文本空间占用，我们需要一种变长字节编码方案，这就是著名的 UTF-8 。与 GB2312 等中文编码一样，UTF-8 用不固定的字节数来表示字符：
- ASCII 字符 Unicode 码位由 U+0000 至 U+007F ，用 1 个字节编码，最高位为 0 ；
- 码位由 U+0080 至 U+07FF 的字符，用 2 个字节编码，首字节以 110 开头，其余字节以 10 开头；
- 码位由 U+0800 至 U+FFFF 的字符，用 3 个字节编码，首字节以 1110 开头，其余字节同样以 10 开头；
- 4 至 6 字节编码的情况以此类推；
如图，以 0 开头的字节为 单字节 编码，总共 7 个有效编码位，编码范围为 U+0000 至 U+007F ，刚好对应 ASCII 码所有字符。以 110 开头的字节为 双字节 编码，总共 11 个有效编码位，最大值是 0x7FF ，因此编码范围为 U+0080 至 U+07FF ；以 1110 开头的字节为 三字节 编码，总共 16 个有效编码位，最大值是 0xFFFF 因此编码范围为 U+0800 至 U+FFFF 。
根据开头不同， UTF-8 流中的字节，可以分为以下几类：
| 字节最高位 | 类别 | 有效位 |
|---|---|---|
| 0 | 单字节编码 | 7 |
| 10 | 多字节编码非首字节 | |
| 110 | 双字节编码首字节 | 11 |
| 1110 | 三字节编码首字节 | 16 |
| 11110 | 四字节编码首字节 | 21 |
| 111110 | 五字节编码首字节 | 26 |
| 1111110 | 六字节编码首字节 | 31 |
至此，我们已经具备了读懂 UTF-8 编码字节流的能力，不信来看一个例子：
概念回顾
一直以来，字符集 和 编码 这两个词一直是混着用的。现在，我们总算有能力厘清这两者间的关系了。
字符集 顾名思义，就是由一定数量字符组成的集合，每个字符在集合中有唯一编号。前文提及的 ASCII 、 latin1 、 GB2312 、GBK 、GB18030 以及 Unicode 等，无一例外，都是字符集。
计算机存储和网络通讯的基本单位都是 字节 ，因此文本必须以 字节序列 的形式进行存储或传输。那么，字符编号如何转化成字节呢？这就是 编码 要回答的问题。
在 ASCII 码和 latin 中，字符编号与字节一一对应，这是一种编码方式。GB2312 则采用变长字节，这是另一种编码方式。而 Unicode 则存在多种编码方式，除了 最常用的 UTF-8 编码，还有 UTF-16 等。实际上，UTF-16 编码效率比 UTF-8 更高，但由于无法兼容 ASCII ，应用范围受到很大制约。
最佳实践
认识文本编码的前世今生之后，应该如何规避编码问题呢？是否存在一些最佳实践呢？答案是肯定的。
编码选择
项目开始前，需要选择一种适应性广的编码方案，UTF-8 是首选，好处多多：
- Unicode 是业界标准，编码字符数量最多，天然支持国际化；
- UTF-8 完全兼容 ASCII 码，这是硬性指标；
- UTF-8 目前应用最广；
如因历史原因，不得不使用中文编码方案，则优先选择 GB18030 。这个标准最新，涵盖字符最多，适应性最强。尽量避免采用 GBK ，特别是 GB2312 等老旧编码标准。
编程习惯
如果你使用的编程语言，字符串类型支持 Unicode ，那问题就简单了。由于 Unicode 字符串肯定不会导致诸如乱码等编码问题，你只需在输入和输出环节稍加留意。
举个例子，Python 从 3 以后， str 就是 Unicode 字符串了，而 bytes 则是 字节序列 。因此，在 Python 3 程序中，核心逻辑应该统一用 str 类型，避免使用 bytes 。文本编码、解码操作则统一在程序的输入、输出层中进行。
假如你正在开发一个 API 服务，数据库数据编码是 GBK ，而用户却使用 UTF-8 编码。那么，在程序 输入层 ， GBK 数据从数据库读出后，解码转换成 Unicode 数据，再进入核心层处理。在程序 核心层 ，数据以 Unicode 形式进行加工处理。由于核心层处理逻辑可能很复杂，统一采用 Unicode 可以减少问题的发生。最后，在程序的 输出层 将数据以 UTF-8 编码，再返回给客户端。
整个过程伪代码大概如下：
# input
# read gbk data from database and decode it to unicode
data = read_from_database().decode('gbk')
# core
# process unicode data only
result = process(data)
# output
# encoding unicode data into utf8
response_to_user(result.encode('utf8'))
这样的程序结构看起来跟个三明治一样，非常形象：
当然了，还有很多编程语言字符串还不支持 Unicode 。Python 2 中的 str 对象，跟 Python 3 中的 bytes 比较像，只是字节序列；C 语言中的字符串甚至更原始。
这都无关紧要，好的编程习惯是相通的：程序核心层统一使用某种编码，输入输出层则负责编码转换。至于核心层使用何种编码，主要看程序中哪种编码使用最多，一般是跟数据库编码保持一致即可。
附录
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