浅析计算机字符集和编码

什么是字符集呢?

我们知道,在计算机内部,所有信息都是二进制表示的,二进制对于计算机来说是极为重要的,可以想象成一个开关的闭开信号,只有 0 1两种状态。计算机中 8个二进制(8位)代表一个字节,也就是说一个字节可以代表256种可能,于是上个世纪60年代,美国制定了一套字符集,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。

英语用128个字符就够了,但是世界上还有各种各样的语言字符,如中文,就有上万个。这样子,即使是256个也不够用,而且也无法统一。比如,一个二进制数可能会对应着各个国家不同的符号,这样子我们打开一个文件,如果不知道这个文件的编码方式,那就会乱码,完全看不懂。

这样子,Unicode 字符集就出现了,它将世界上所有的字符都纳入其中了,在unicode字符集中,每一个符号都对应着一个独一无二的编码,如4E25表示汉字

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UnicodeASCII?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:

  • 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。
  • Unicode在很长一段时间内无法推广,直到互联网的出现。

编码和字符集的区别

如上文所说,符号集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,而编码则可以说是指定字符集的具体实现方式,如 UTF-8UTF-16就是Unicode字符集的实现方式

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-8Unicode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:

  • 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。
  • 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(十六进制) UTF-8编码方式(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

跟据上表,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,还是以汉字为例,演示如何实现UTF-8编码。
已知的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),因此的UTF-8编码需要三个字节,即格式是1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。然后,从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,的UTF-8编码是11100100 10111000 10100101,转换成十六进制就是E4B8A5

Little endian和Big endian

Unicode码可以采用两个字节格式直接存储。以汉字为例,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。
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(BOM头),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。

本文参考阮一峰博客关于编码的介绍

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