unicode编码

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最近一直在忙点私活，又好久没写blog了，再不写点的话二月份就又要以单篇文章结束了。前一阵子一直在研究Unicode，索性把研究结果介绍一下吧。

可能大家都听说过 Unicode、UCS-2、UTF-8 等等词汇，但它们具体是什么意思，是什么原理，之间有什么关系，恐怕就很少有人明白了。下面就分别介绍一下它们。

    基本知识
        字节和字符的区别
        Big Endian和Little Endian
    UCS-2和UCS-4
    UTF-16和UTF-32
        UTF-16
        UTF-32
    UTF-8

基本知识

介绍Unicode之前，首先要讲解一些基础知识。虽然跟Unicode没有直接的关系，但想弄明白Unicode，没这些还真不行。
字节和字符的区别

咦，字节和字符能有什么区别啊？不都是一样的吗？完全正确，但只是在古老的DOS时代。当Unicode出现后，字节和字符就不一样了。

字节（octet）是一个八位的存储单元，取值范围一定是0～255。而字符（character，或者word）为语言意义上的符号，范围就不一定了。例如在UCS-2中定义的字符范围为0～65535，它的一个字符占用两个字节。
Big Endian和Little Endian

上面提到了一个字符可能占用多个字节，那么这多个字节在计算机中如何存储呢？比如字符0xabcd，它的存储格式到底是 AB CD，还是 CD AB 呢？

实际上两者都有可能，并分别有不同的名字。如果存储为 AB CD，则称为Big Endian；如果存储为 CD AB，则称为Little Endian。

具体来说，以下这种存储格式为Big Endian，因为值(0xabcd)的高位(0xab)存储在前面：
地址 值
0x00000000 AB
0x00000001 CD

相反，以下这种存储格式为Little Endian：
地址 值
0x00000000 CD
0x00000001 AB
UCS-2和UCS-4

Unicode是为整合全世界的所有语言文字而诞生的。任何文字在Unicode中都对应一个值，这个值称为代码点（code point）。代码点的值通常写成 U+ABCD 的格式。而文字和代码点之间的对应关系就是UCS-2（Universal Character Set coded in 2 octets）。顾名思义，UCS-2是用两个字节来表示代码点，其取值范围为 U+0000～U+FFFF。

为了能表示更多的文字，人们又提出了UCS-4，即用四个字节表示代码点。它的范围为 U+00000000～U+7FFFFFFF，其中 U+00000000～U+0000FFFF和UCS-2是一样的。

要注意，UCS-2和UCS-4只规定了代码点和文字之间的对应关系，并没有规定代码点在计算机中如何存储。规定存储方式的称为UTF（Unicode Transformation Format），其中应用较多的就是UTF-16和UTF-8了。
UTF-16和UTF-32
UTF-16

UTF-16由RFC2781规定，它使用两个字节来表示一个代码点。

不难猜到，UTF-16是完全对应于UCS-2的，即把UCS-2规定的代码点通过Big Endian或Little Endian方式直接保存下来。UTF-16包括三种：UTF-16，UTF-16BE（Big Endian），UTF-16LE（Little Endian）。

UTF-16BE和UTF-16LE不难理解，而UTF-16就需要通过在文件开头以名为BOM（Byte Order Mark）的字符来表明文件是Big Endian还是Little Endian。BOM为U+FEFF这个字符。

其实BOM是个小聪明的想法。由于UCS-2没有定义U+FFFE，因此只要出现 FF FE 或者 FE FF 这样的字节序列，就可以认为它是U+FEFF，并且可以判断出是Big Endian还是Little Endian。

举个例子。“ABC”这三个字符用各种方式编码后的结果如下：
UTF-16BE 00 41 00 42 00 43
UTF-16LE 41 00 42 00 43 00
UTF-16(Big Endian) FE FF 00 41 00 42 00 43
UTF-16(Little Endian) FF FE 41 00 42 00 43 00
UTF-16(不带BOM) 00 41 00 42 00 43

Windows平台下默认的Unicode编码为Little Endian的UTF-16（即上述的 FF FE 41 00 42 00 43 00）。你可以打开记事本，写上ABC，然后保存，再用二进制编辑器看看它的编码结果。
notepad-encode.png

另外，UTF-16还能表示一部分的UCS-4代码点——U+10000～U+10FFFF。表示算法比较复杂，简单说明如下：

    从代码点U中减去0x10000，得到U'。这样U+10000～U+10FFFF就变成了 0x00000～0xFFFFF。
    用20位二进制数表示U'。 U'=yyyyyyyyyyxxxxxxxxxx
    将前10位和后10位用W1和W2表示，W1=110110yyyyyyyyyy，W2=110111xxxxxxxxxx，则 W1 = D800～DBFF，W2 = DC00～DFFF。

例如，U+12345表示为 D8 08 DF 45（UTF-16BE），或者08 D8 45 DF（UTF-16LE）。

但是由于这种算法的存在，造成UCS-2中的 U+D800～U+DFFF 变成了无定义的字符。
UTF-32

UTF-32用四个字节表示代码点，这样就可以完全表示UCS-4的所有代码点，而无需像UTF-16那样使用复杂的算法。与UTF-16类似，UTF-32也包括UTF-32、UTF-32BE、UTF-32LE三种编码，UTF-32也同样需要BOM字符。仅用'ABC'举例：
UTF-32BE 00 00 00 41 00 00 00 42 00 00 00 43
UTF-32LE 41 00 00 00 42 00 00 00 43 00 00 00
UTF-32(Big Endian) 00 00 FE FF 00 00 00 41 00 00 00 42 00 00 00 43
UTF-32(Little Endian) FF FE 00 00 41 00 00 00 42 00 00 00 43 00 00 00
UTF-32(不带BOM) 00 00 00 41 00 00 00 42 00 00 00 43
UTF-8

UTF-16和UTF-32的一个缺点就是它们固定使用两个或四个字节，这样在表示纯ASCII文件时会有很多00字节，造成浪费。而RFC3629定义的UTF-8则解决了这个问题。

UTF-8用1～4个字节来表示代码点。表示方式如下：
UCS-2 (UCS-4) 位序列 第一字节 第二字节 第三字节 第四字节
U+0000 .. U+007F 00000000-0xxxxxxx 0xxxxxxx
U+0080 .. U+07FF 00000xxx-xxyyyyyy 110xxxxx 10yyyyyy
U+0800 .. U+FFFF xxxxyyyy-yyzzzzzz 1110xxxx 10yyyyyy 10zzzzzz
U+10000..U+10FFFF 00000000-000wwwxx-
xxxxyyyy-yyzzzzzzz 11110www 10xxxxxx 10yyyyyy 10zzzzzz

可见，ASCII字符（U+0000～U+007F）部分完全使用一个字节，避免了存储空间的浪费。而且UTF-8不再需要BOM字节。

另外，从上表中可以看出，单字节编码的第一字节为[00-7F]，双字节编码的第一字节为[C2-DF]，三字节编码的第一字节为[E0-EF]。这样只要看到第一个字节的范围就可以知道编码的字节数。这样也可以大大简化算法。