字符编码笔记：ASCII，Unicode和UTF-8

讲的太牛逼了：
http://www.ruanyifeng.com/blog/2007/10/ascii_unicode_and_utf-8.html
http://pcedu.pconline.com.cn/empolder/gj/other/0505/616631_all.html

一个字节：8个二进制位(256种状态)



================================第一篇=========================================
今天中午，我突然想搞清楚 Unicode 和 UTF-8 之间的关系，就开始查资料。
这个问题比我想象的复杂，午饭后一直看到晚上9点，才算初步搞清楚。
下面就是我的笔记，主要用来整理自己的思路。我尽量写得通俗易懂，希望能对其他朋友有用。毕竟，字符编码是计算机技术的基石，想要熟练使用计算机，就必须懂得一点字符编码的知识。
一、ASCII 码
我们知道，计算机内部，所有信息最终都是一个二进制值。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00000000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，最前面的一位统一规定为0。
二、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 256 x 256 = 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。
三. Unicode
正如上一节所说，世界上存在着多种编码方式，同一个二进制数字可以被解释成不同的符号。因此，要想打开一个文本文件，就必须知道它的编码方式，否则用错误的编码方式解读，就会出现乱码。为什么电子邮件常常出现乱码？就是因为发信人和收信人使用的编码方式不一样。
可以想象，如果有一种编码，将世界上所有的符号都纳入其中。每一个符号都给予一个独一无二的编码，那么乱码问题就会消失。这就是 Unicode，就像它的名字都表示的，这是一种所有符号的编码。
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。
四、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。
五、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-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
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，还是以汉字严为例，演示如何实现 UTF-8 编码。
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。
六、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。
Windows平台，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。
bg2007102801.jpg
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编码这里指的是notepad.exe使用的 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。
七、Little endian 和 Big endian
上一节已经提到，UCS-2 格式可以存储 Unicode 码（码点不超过0xFFFF）。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，这就是 Big endian 方式；25在前，4E在后，这是 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。
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。
八、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。
九、延伸阅读
The Absolute Minimum Every Software Developer Absolutely, Positively Must Know About Unicode and Character Sets（关于字符集的最基本知识）
谈谈Unicode编码
RFC3629：UTF-8, a transformation format of ISO 10646（如果实现UTF-8的规定）
（完）

================================第二篇=========================================
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。

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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)

　　我写过UTF-8、UCS-2、GBK相互转换的软件包，包括使用Windows API和不使用Windows API的版本。以后有时间的话，我会整理一下放到我的个人主页上(http://fmddlmyy.home4u.china.com)。

　　我是想清楚所有问题后才开始写这篇文章的，原以为一会儿就能写好。没想到考虑措辞和查证细节花费了很长时间，竟然从下午1:30写到9:00。希望有读者能从中受益。