字符编码

你是否认为“ASCII码 = 一个字符就是8比特”?你是否认为一个字节就是一个字符,一个字符就是8比特?你是否还认为你是否还认为UTF-8就是用8比特表示一个字符?如果真的是这样认为认真读完这篇文章吧!

为什么要有编码?

首先大家需要明确的是在计算机里所有的数据都是字节的形式存储,处理的。我们需要这些字节来表示计算机里的信息。但是这些字节本身又是没有任何意义的,所以我们需要对这些字节赋予实际的意义。所以才会制定各种编码标准。

编码模型

首先需要明确的是存在两种编码模型

简单字符集

在这种编码模型里,一个字符集定义了这个字符集里包含什么字符,同时把每个字符如何对应成计算机里的比特也进行了定义。例如ASCII,在ASCII里直接定义了A -> 0100 0001

现代编码模型

在现代编码模型里要知道一个字符如何映射成计算机里比特,需要经过如下几个步骤。

  1. 知道一个系统需要支持哪些字符,这些字符的集合被称为字符表(Character repertoire)
  2. 给字符表里的抽象字符编上一个数字,也就是字符集合到一个整数集合的映射。这种映射称为编码字符集(CCS:Coded Character Set),unicode是属于这一层的概念,跟计算机里的什么进制啊没有任何关系,它是完全数学的抽象的。
  3. 将CCS里字符对应的整数转换成有限长度的比特值,便于以后计算机使用一定长度的二进制形式表示该整数。这个对应关系被称为字符编码表(CEF:Character Encoding Form)UTF-8, UTF-16都属于这层。
  4. 对于CEF得到的比特值具体如何在计算机中进行存储,传输。因为存在大端小端的问题,这就会跟具体的操作系统相关了。这种解决方案称为字符编码方案(CES:Character Encoding Scheme)。

平常我们所说的编码都在第三步的时候完成了,都没有涉及到CES。所以CES并不在本文的讨论范围之内。
现在也许有人会想为什么要有现代的编码模型?为什么在现在的编码模型要拆分出这么多概念?直接像原始的编码模型直接都规定好所有的信息不行吗?这些问题在下文的编码发展史中都会有所阐述。

编码的发展史

ASCII

ASCII出现在上个世纪60年代的美国,ASCII一共定义了128个字符,使用了一个字节的7位。定义的这些字符包括英文字母A-Z,a-z,数字0-9,一些标点符号和控制符号。在Shell里输入man ASCII,可以看到完整的ASCII字符集。ASCII采用的编码模型是简单字符集,它直接定义了一个字符的比特值表示。里例如上文提到的A -> 0100 0001。也就是ASCII直接完成了现代编码模型的前三步工作。
在英语系国家里ASCII标准很完美。但是不要忘了世界上可有好几千种语言,这些语言里不仅只有这些符号啊。如果使用这些语言的人也想使用计算机,ASCII就远远不够了。到这里编码进入了混乱的时代。

混乱时代

人们知道计算机的一个字节是8位,可以表示256个字符。ASCII却只使用了7位,所以人们决定把剩余的一位也利用起来。这时问题出现了,人们对 于已经规定好的128个字符是没有异议的,但是不同语系的人对于其他字符的需求是不一样的,所以对于剩下的128个字符的扩展会千奇百怪。而且更加混乱的 是,在亚洲的语言系统中有更多的字符,一个字节无论如何也满足不了需求了。例如仅汉字就有10万多个,一个字节的256表示方式怎么能够满足呢。于是就又 产生了各种多字节的表示一个字符方法(gbk就是其中一种),这就使整个局面更加的混乱不堪。(希望看到这里的你不再认为一个字节就是一个字符,一个字符 就是8比特)。每个语系都有自己特定的编码页(code pages)的状况,使得不同的语言出现在同一台计算机上,不同语系的人在网络上进行交流都成了痴人说梦。这时Unicode出现了。

Unicode

Unicode就是给计算机中所有的字符各自分配一个代号。Unicode通俗来说是什么呢?就是现在实现共产主义了,各国人民不在需要自己特定的 国家身份证,而是给每人一张全世界通用的身份证。Unicode是属于编码字符集(CCS)的范围。Unicode所做的事情就是将我们需要表示的字符表 中的每个字符映射成一个数字,这个数字被称为相应字符的码点(code point)。例如“严”字在Unicode中对应的码点是U+0x4E25。

到目前为止,我们只是找到了一堆字符和数字之间的映射关系而已,只到了CCS的层次。这些数字如何在计算机和网络中存储和展示还没有提到。

字符编码

前面还都属于字符集的概念,现在终于到CEF的层次了。为了便于计算的存储和处理,现在我们要把哪些纯数学数字对应成有限长度的比特值了。最直观的 设计当然是一个字符的码点是什么数字,我们就把这个数字转换成相应的二进制表示,例如“严”在Unicode中对应的数字是0x4E25,他的二进制是100 1110 0010 0101, 也就是严这个字需要两个字节进行存储。按照这种方法大部分汉字都可以用两个字节来表示了。但是还有其他语系的存在,没准儿他们所使用的字符用这种方法转换 就需要4个字节。这样问题又来了到底该使用几个字节表示一个字符呢?如果规定两个字节,有的字符会表示不出来,如果规定较多的字节表示一个字符,很多人又 不答应,因为本来有些语言的字符两个字节处理就可以了,凭什么用更多的字节表示,多么浪费。

这时就会想可不可以用变长的字节来存储一个字符呢?如果使用了变长的字节表示一个字符,那就必须要知道是几个字节表示了一个字符,要不然计算机可没 那么聪明。下面介绍一下最常用的UTF-8(UTF是Unicode Transformation Format的缩写)的设计。请看下图(来自阮一峰的博客)

x表示可用的位

通过UTF-8的对应关系可以把每个字符在Unicode中对应的码点,转换成相应的计算机的二进制表示。可以发现按照UTF-8进行转换是完全兼 容原先的ASCII的;而且在多字节表示一个字符时,开头有几个1就表示这个字符按照UTF-8转换后由几个字节表示。下面一个实例子来自阮一峰的博客

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0xE4B8A5。

除了UTF-8这种转换方法,还存在UTF-16,UTF-32等等转换方法。这里就不再多做介绍。(注意UTF后边的数字代表的是码元的大小。码 元(Code Unit)是指一个已编码的文本中具有最短的比特组合的单元。对于UTF-8来说,码元是8比特长;对于UTF-16来说,码元是16比特长。换一种说法 就是UTF-8的是以一个字节为最小单位的,UTF-16是以两个字节为最小单位的。)

结束语

花了两天时间终于写完了,相信看到这里大家对于字符编码有了较为清楚的认识,当然文章中肯定存在不准确之处,希望大家批评指正。
邮箱:acmerfight圈gmail.com

参考资料

字符编码
The Absolute Minimum Every Software Developer Absolutely, Positively Must Know About Unicode and Character Sets (No Excuses!)
字符编码笔记:ASCII,Unicode和UTF-8
字符集和字符编码
Windows 记事本的 ANSI、Unicode、UTF-8 这三种编码模式有什么区别?
如何向非技术人员解释 Unicode 是什么
字符编解码的故事(ASCII,ANSI,Unicode,Utf-8)

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