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ASCII,Unicode,UTF-8,GB2312一些关于编码的理解

原创 Linux操作系统 作者:atlantisholic 时间:2011-08-10 14:11:48 0 删除 编辑

字符编码:ASCII,Unicode,UTF-8,GB2312

从文件编码的方式来看,文件可分为ASCII码文件和二进制码文件两种。

ASCII文件也称为文本文件,这种文件在磁盘中存放时每个字符对应一个字节,用于存放对应的ASCII码。例如,数5678的存储形式为:
ASC码:  00110101 00110110 00110111 00111000
                          ↓       ↓        ↓           ↓
十进制码:        5    6        7         8             共占用4个字节。ASCII码文件可在屏幕上按字符显示, 例如源程序文件就是ASCII文件,用DOS命令TYPE可显示文件的内容。 由于是按字符显示,因此能读懂文件内容。

二进制文件是按二进制的编码方式来存放文件的。 例如, 数5678的存储形式为: 00010110 00101110只占二个字节。二进制文件虽然也可在屏幕上显示,但其内容无法读懂。C系统在处理这些文件时,并不区分类型,都看成是字符流,按字节进行 处理。输入输出字符流的开始和结束只由程序控制而不受物理符号(如回车符)的控制。 因此也把这种文件称作“流式文件”。

这是一篇程序员写给程序员的趣味读物。所谓趣味是指可以比较轻松地了解一些原来不清楚的概念,增进知识,类似于打RPG游戏的升级。整理这篇文章的动机是两个问题:

问题一: 
使用Windows记事本的“另存为”,可以在GBK、Unicode、Unicode big endian和UTF-8这几种编码方式间相互转换。同样是txt文件,Windows是怎样识别编码方式的呢?

我很早前就发现Unicode、Unicode big endian和UTF-8编码的txt文件的开头会多出几个字节,分别是FF、FE(Unicode),FE、FF(Unicode big endian),EF、BB、BF(UTF-8)。但这些标记是基于什么标准呢?

问题二: 
最近在网上看到一个ConvertUTF.c,实现了UTF-32、UTF-16和UTF-8这三种编 码方式的相互转换。对于Unicode(UCS2)、 GBK、UTF-8这些编码方式,我原来就了解。但这个程序让我有些糊涂,想不起来UTF-16和UCS2有什么关系。 
查了查相关资料,总算将这些问题弄清楚了,顺带也了解了一些Unicode的细节。写成一篇文章,送给有过类似疑问的朋友。本文在写作时尽量做到通俗易懂,但要求读者知道什么是字节,什么是十六进制。

0、big endian和little endian
big endian和little endian是CPU处理多字节数的不同方式。例如“汉”字的Unicode编码是6C49。那么写到文件里时,究竟是将6C写在前面,还是将49写在前 面?如果将6C写在前面,就是big endian。还是将49写在前面,就是little endian。

“endian”这个词出自《格列佛游记》。小人国的内战就源于吃鸡蛋时是究竟从大头(Big-Endian)敲开还是从小头(Little-Endian)敲开,由此曾发生过六次叛乱,其中一个皇帝送了命,另一个丢了王位。

我们一般将endian翻译成“字节序”,将big endian和little endian称作“大尾”和“小尾”。

1、字符编码、内码,顺带介绍汉字编码
字符必须编码后才能被计算机处理。计算机使用的缺省编码方式就是计算机的内码。早期的计算机使用7位的ASCII编码,为了处理汉字,程序员设计了用于简体中文的GB2312和用于繁体中文的big5。

GB2312(1980年)一共收录了7445个字符,包括6763个汉字和682个其它符号。汉字区的内码范围高字节从B0-F7,低字节从A1-FE,占用的码位是72*94=6768。其中有5个空位是D7FA-D7FE。

GB2312 支持的汉字太少。1995年的汉字扩展规范GBK1.0收录了21886个符号,它分为汉字区和图形符号区。汉字区包括21003个字符。2000年的 GB18030是取代GBK1.0的正式国家标准。该标准收录了27484个汉字,同时还收录了藏文、蒙文、维吾尔文等主要的少数民族文字。现在的PC平 台必须支持GB18030,对嵌入式产品暂不作要求。所以手机、MP3一般只支持GB2312。

从ASCII、 GB2312、GBK到GB18030,这些编码方法是向下兼容的,即同一个字符在这些方案中总是有相同的编码,后面的标准支持更多的字符。在这些编码 中,英文和中文可以统一地处理。区分中文编码的方法是高字节的最高位不为0。按照程序员的称呼,GB2312、GBK到GB18030都属于双字节字符集 (DBCS)。

有的中文Windows的缺省内码还是GBK,可以通过GB18030升级包升级到GB18030。不过GB18030相对GBK增加的字符,普通人是很难用到的,通常我们还是用GBK指代中文Windows内码。

这里还有一些细节:

GB2312的原文还是区位码,从区位码到内码,需要在高字节和低字节上分别加上A0。

在DBCS中,GB内码的存储格式始终是big endian,即高位在前。

GB2312 的两个字节的最高位都是1。但符合这个条件的码位只有128*128=16384个。所以GBK和GB18030的低字节最高位都可能不是1。不过这不影 响DBCS字符流的解析:在读取DBCS字符流时,只要遇到高位为1的字节,就可以将下两个字节作为一个双字节编码,而不用管低字节的高位是什么。

2、Unicode、UCS和UTF
前面提到从ASCII、GB2312、GBK到GB18030的编码方法是向下兼容的。而Unicode只与ASCII兼容(更准确地说,是与ISO-8859-1兼容),与GB码不兼容。例如“汉”字的Unicode编码是6C49,而GB码是BABA。

Unicode 也是一种字符编码方法,不过它是由国际组织设计,可以容纳全世界所有语言文字的编码方案。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。

根据维基百科全书(http: //zh.wikipedia.org/wiki/)的记载:历史上存在两个试图独立设计Unicode的组织,即国际标准化组织(ISO)和一个软件制 造商的协会(unicode.org)。ISO开发了ISO 10646项目,Unicode协会开发了Unicode项目。

在1991年前后,双方都认识到世界不需要两个不兼容的字符集。于是它们开始合并双方的工作成果,并为创立一个单一编码表而协同工作。从Unicode2.0开始,Unicode项目采用了与ISO 10646-1相同的字库和字码。

目前两个项目仍都存在,并独立地公布各自的标准。Unicode协会现在的最新版本是2005年的Unicode 4.1.0。ISO的最新标准是10646-3:2003。

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。

IETF 的RFC2781和RFC3629以RFC的一贯风格,清晰、明快又不失严谨地描述了UTF-16和UTF-8的编码方法。我总是记不得IETF是 Internet Engineering Task Force的缩写。但IETF负责维护的RFC是Internet上一切规范的基础。

3、UCS-2、UCS-4、BMP
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。

4、UTF编码
UTF-8就是以8位为单元对UCS进行编码。从UCS-2到UTF-8的编码方式如下:

UCS-2编码(16进制) UTF-8 字节流(二进制) 
0000 - 007F 0xxxxxxx 
0080 - 07FF 110xxxxx 10xxxxxx 
0800 - FFFF 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

例如“汉”字的Unicode编码是6C49。6C49在0800-FFFF之间,所以肯定要用3字节模板了:1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将6C49写成二进制是:0110 110001 001001, 用这个比特流依次代替模板中的x,得到:11100110 10110001 10001001,即E6 B1 89。

读者可以用记事本测试一下我们的编码是否正确。

UTF -16以16位为单元对UCS进行编码。对于小于0x10000的UCS码,UTF-16编码就等于UCS码对应的16位无符号整数。对于不小于 0x10000的UCS码,定义了一个算法。不过由于实际使用的UCS2,或者UCS4的BMP必然小于0x10000,所以就目前而言,可以认为UTF -16和UCS-2基本相同。但UCS-2只是一个编码方案,UTF-16却要用于实际的传输,所以就不得不考虑字节序的问题。

5、UTF的字节序和BOM
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、进一步的参考资料
本文主要参考的资料是 "Short overview of ISO-IEC 10646 and Unicode" (http://www.nada.kth.se/i18n/ucs/unicode-iso10646-oview.html)。

我还找了两篇看上去不错的资料,不过因为我开始的疑问都找到了答案,所以就没有看:

"Understanding Unicode A general introduction to the Unicode Standard" (http://scripts.sil.org/cms/scripts/page.php?site_id=nrsi&item_id=IWS-Chapter04a
"Character set encoding basics Understanding character set encodings and legacy encodings" (http://scripts.sil.org/cms/scripts/page.php?site_id=nrsi&item_id=IWS-Chapter03)


字符编码简介:ASCII,Unicode,UTF-8,GB2312

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。

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。

3、Unicode

Unicode字符集(简称为UCS),国际标准组织于1984年4月成立ISO/IEC JTC1/SC2/WG2工作组,针对各国文字、符号进行统一性编码。1991年美国跨国公司成立Unicode Consortium,并于1991年10月与WG2达成协议,采用同一编码字集。目前Unicode是采用16位编码体系,其字符集内容与 ISO10646的BMP(Basic Multilingual Plane)相同。Unicode于1992年6月通过DIS(Draf International Standard),目前版本V2.0于1996公布,内容包含符号6811个,汉字20902个,韩文拼音11172个,造字区6400个,保留 20249个,共计65534个。Unicode编码后的大小是一样的.例如一个英文字母 "a" 和 一个汉字 "好",编码后都是占用的空间大小是一样的,都是两个字节!

Unicode可以用来表示所有语言的字符,而且是定长双字节(也有四字节的)编码,包括英文字母在 内。所以可以说它是不兼容iso8859-1编码的,也不兼容任何编码。不过,相对于iso8859-1编码来说,uniocode编码只是在前面增加了 一个0字节,比如字母'a'为"00 61"。

需要说明的是,定长编码便于计算机处理(注意GB2312/GBK不是定长编码),而unicode又可以用来表示所有字符,所以在很多软件内部是使用unicode编码来处理的,比如java。

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。 http://www.chi2ko.com/tool/CJK.htm

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。

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。其他实现方式还包括UTF-16和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。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。

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。

9 国标
9.1 GB码

    全称是GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集基本集》,1980年发布,是中文信息处理的国家标准,在大陆及海外使用简体中文的地区(如新加坡 等)是强制使用的唯一中文编码。P-Windows3.2和苹果OS就是以GB2312为基本汉字编码, Windows 95/98则以GBK为基本汉字编码、但兼容支持GB2312。 
双字节编码
范围:A1A1~FEFE
A1-A9:符号区,包含682个符号
B0-F7:汉字区,包含6763个汉字

9.2 GB2312

    GB2312(1980年)一共收录了7445个字符,包括6763个汉字和682个其它符号。汉字区的内码范围高字节从B0-F7,低字节从 A1-FE,占用的码位是72*94=6768。其中有5个空位是D7FA-D7FE。GB2312-80中共收录了7545个字符,用两个字节编码一个 字符。每个字符最高位为0。GB2312-80编码简称国标码。

  GB2312支持的汉字太少。1995年的汉字扩展规范GBK1.0收录了21886个符号,它分为汉字区和图形符号区。汉字区包括21003个字符。

9.3 GB12345-90

1990年制定了繁体字的编码标准GB12345-90《信息交换用汉字编码字符集第一辅助集》,目的 在于规范必须使用繁体字的各种场合,以及古籍整理等。该标准共收录6866个汉字(比GB2312多103个字,其它厂商的字库大多不包括这些字),纯繁 体的字大概有2200余个。 
双字节编码
范围:A1A1~FEFE
A1-A9:符号区,增加竖排符号
B0-F9:汉字区,包含6866个汉字

9.4 GBK

    GBK编码(Chinese Internal Code Specification)是中国大陆制订的、等同于UCS的新的中文编码扩展国家标准。gbk编码能够用来同时表示繁体字和简体字,而gb2312只 能表示简体字,gbk是兼容gb2312编码的。GBK工作小组于1995年10月,同年12月完成GBK规范。该编码标准兼容GB2312,共收录汉字 21003个、符号883个,并提供1894个造字码位,简、繁体字融于一库。Windows95/98简体中文版的字库表层编码就采用的是GBK,通过 GBK与UCS之间一一对应的码表与底层字库联系。
英文名:Chinese Internal Code Specification
中文名:汉字内码扩展规范1.0版
双字节编码,GB2312-80的扩充,在码位上和GB2312-80兼容
范围:8140~FEFE(剔除xx7F)共23940个码位
包含21003个汉字,包含了ISO/IEC 10646-1中的全部中日韩汉字

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