字符编码（转载）

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概述：

一直对字符的各种编码方式懵懵懂懂，什么ANSI、UNICODE、UTF-8、GB2312、GBK、DBCS、UCS……是不是看的很晕，假如您细细的阅读本文你一定可以清晰的理解他们。Let's go!

很久很久以前，有一群人，他们决定用8个可以开合的晶体管来组合成不同的状态，以表示世界上的万物。他们看到8个开关状态是好的，于是他们把这称为"字节"。

开始计算机只在美国用。一个字节可以组合出256种不同的状态。即二的八次方。

    他们把其中的编号从0开始的32种状态分别规定了特殊的用途，一但终端、打印机遇上约定好的这些字节被传过来时，就要做一些约定的动作。遇上00x10, 终端就换行，遇上0x07, 终端就向人们嘟嘟叫，例如遇上0x1b, 打印机就打印反白的字，或者终端就用彩色显示字母。他们看到这样很好，于是就把这些0x20以下的字节状态称为"控制码"。

再后来，他们又做了一些可以处理这些字节的机器，机器开动了，可以用字节来组合出很多状态，状态开始变来变去。他们看到这样是好的，于是它们就这机器称为"计算机"。

他们又把所有的空格、标点符号、数字、大小写字母分别用连续的字节状态表示，一直编到了第127号，这样计算机就可以用不同字节来存储英语的文字了。大家看到这样，都感觉很好，于是大家都把这个方案叫做 ANSI 的"Ascii"编码（American Standard Code for Information Interchange，美国信息互换标准代码）。当时世界上所有的计算机都用同样的ASCII方案来保存英文文字。

后来，就像建造巴比伦塔一样，世界各地的都开始使用计算机，但是很多国家用的不是英文，他们的字母里有许多是ASCII里没有的，为了可以在计算机保存他们的文字，他们决定采用127号之后的空位来表示这些新的字母、符号，还加入了很多画表格时需要用下到的横线、竖线、交叉等形状，一直把序号编到了最后一个状态255。从128到255这一页的字符集被称"扩展字符集"。从此之后，贪婪的人类再没有新的状态可以用了，美帝国主义可能没有想到还有第三世界国家的人们也希望可以用到计算机吧！

    等中国人们得到计算机时，已经没有可以利用的字节状态来表示汉字，况且有6000多个常用汉字需要保存呢。但是这难不倒智慧的中国人民，我们不客气地把那些127号之后的奇异符号们直接取消掉

规定：一个小于127的字符的意义与原来相同，但两个大于127的字符连在一起时，就表示一个汉字，前面的一个字节（他称之为高字节）从0xA1用到 0xF7，后面一个字节（低字节）从0xA1到0xFE，这样我们就可以组合出大约7000多个简体汉字了。在这些编码里，我们还把数学符号、罗马希腊的字母、日文的假名们都编进去了，连在 ASCII 里本来就有的数字、标点、字母都统统重新编了两个字节长的编码，这就是常说的"全角"字符，而原来在127号以下的那些就叫"半角"字符了。

中国人民看到这样很不错，于是就把这种汉字方案叫做 "GB2312"。GB2312 是对 ASCII 的中文扩展。

但是中国的汉字太多了，我们很快就就发现有许多人的人名没有办法在这里打出来，特别是某些很会麻烦别人的国家领导人。于是我们不得不继续把 GB2312 没有用到的码位找出来老实不客气地用上。

后来还是不够用，于是干脆不再要求低字节一定是127号之后的内码，只要第一个字节是大于127就固定表示这是一个汉字的开始，不管后面跟的是不是扩展字符集里的内容。结果扩展之后的编码方案被称为 GBK 标准，GBK 包括了 GB2312 的所有内容，同时又增加了近20000个新的汉字（包括繁体字）和符号。

      后来少数民族也要用电脑了，于是我们再扩展，又加了几千个新的少数民族的字，GBK 扩成了GB18030。从此之后，中华民族的文化就可以在计算机时代中传承了。

中国的程序员们看到这一系列汉字编码的标准是好的，于是通称他们叫做 "DBCS"（Double Byte Charecter Set 双字节字符集）。在DBCS系列标准里，最大的特点是两字节长的汉字字符和一字节长的英文字符并存于同一套编码方案里，因此他们写的程序为了支持中文处理，必须要注意字串里的每一个字节的值，如果这个值是大于127的，那么就认为一个双字节字符集里的字符出现了。那时候凡是受过加持，会编程的计算机僧侣们都要每天念下面这个咒语数百遍：

      "一个汉字算两个英文字符！一个汉字算两个英文字符……"

因为当时各个国家都像中国这样搞出一套自己的编码标准，结果互相之间谁也不懂谁的编码，谁也不支持别人的编码，连大陆和台湾这样只相隔了150海里，使用着同一种语言的兄弟地区，也分别采用了不同的 DBCS 编码方案——当时的中国人想让电脑显示汉字，就必须装上一个"汉字系统"，专门用来处理汉字的显示、输入的问题，但是那个台湾的愚昧封建人士写的算命程序就必须加装另一套支持 BIG5  编码的什么"倚天汉字系统"才可以用，装错了字符系统，显示就会乱了套！这怎么办？而且世界民族之林中还有那些一时用不上电脑的穷苦人民，他们的文字又怎么办？

      真是计算机的巴比伦塔命题啊！

正在这时，大天使加百列及时出现了——一个叫 ISO（国际标谁化组织）的国际组织决定着手解决这个问题。他们采用的方法很简单：废了所有的地区性编码方案，重新搞一个包括了地球上所有文化、所有字母和符号的编码！他们打算叫它"Universal Multiple-Octet Coded Character Set"，简称 UCS, 俗称 "UNICODE"。

UNICODE 开始制订时，计算机的存储器容量极大地发展了，空间再也不成为问题了。于是 ISO 就直接规定必须用两个字节，也就是16位来统一表示所有的字符，对于ascii里的那些“半角”字符，UNICODE 包持其原编码不变，只是将其长度由原来的8位扩展为16位，而其他文化和语言的字符则全部重新统一编码。由于"半角"英文符号只需要用到低8位，所以其高 8位永远是0，因此这种大气的方案在保存英文文本时会多浪费一倍的空间。

      这时候，从旧社会里走过来的程序员开始发现一个奇怪的现象：他们的strlen函数靠不住了，一个汉字不再是相当于两个字符了，而是一个！是的，从 UNICODE 开始，无论是半角的英文字母，还是全角的汉字，它们都是统一的"一个字符"！同时，也都是统一的"两个字节"，请注意"字符"和"字节"两个术语的不同，“字节”是一个8位的物理存贮单元，而“字符”则是一个文化相关的符号。在UNICODE 中，一个字符就是两个字节。一个汉字算两个英文字符的时代已经快过去了。

从前多种字符集存在时，那些做多语言软件的公司遇上过很大麻烦，他们为了在不同的国家销售同一套软件，就不得不在区域化软件时也加持那个双字节字符集咒语，不仅要处处小心不要搞错，还要把软件中的文字在不同的字符集中转来转去。UNICODE 对于他们来说是一个很好的一揽子解决方案，于是从 Windows NT 开始，MS 趁机把它们的操作系统改了一遍，把所有的核心代码都改成了用 UNICODE 方式工作的版本，从这时开始，WINDOWS 系统终于无需要加装各种本土语言系统，就可以显示全世界上所有文化的字符了。

但是，UNICODE 在制订时没有考虑与任何一种现有的编码方案保持兼容，这使得 GBK 与UNICODE 在汉字的内码编排上完全是不一样的，没有一种简单的算术方法可以把文本内容从UNICODE编码和另一种编码进行转换，这种转换必须通过查表来进行。

如前所述，UNICODE 是用两个字节来表示为一个字符，他总共可以组合出65535不同的字符，这大概已经可以覆盖世界上所有文化的符号。如果还不够也没有关系，ISO已经准备了UCS-4方案，说简单了就是四个字节来表示一个字符，这样我们就可以组合出21亿个不同的字符出来（最高位有其他用途），这大概可以用到银河联邦成立那一天吧！

UNICODE 来到时，一起到来的还有计算机网络的兴起，UNICODE 如何在网络上传输也是一个必须考虑的问题，于是面向传输的众多 UTF（UCS Transfer Format）标准出现了，顾名思义，UTF8就是每次8个位传输数据，而UTF16就是每次16个位，只不过为了传输时的可靠性，从UNICODE到 UTF时并不是直接的对应，而是要过一些算法和规则来转换。

    受到过网络编程加持的计算机僧侣们都知道，在网络里传递信息时有一个很重要的问题，就是对于数据高低位的解读方式，一些计算机是采用低位先发送的方法，例如我们PC机采用的 INTEL 架构，而另一些是采用高位先发送的方式，在网络中交换数据时，为了核对双方对于高低位的认识是否是一致的，采用了一种很简便的方法，就是在文本流的开始时向对方发送一个标志符——如果之后的文本是高位在位，那就发送"FEFF"，反之，则发送"FFFE"。不信你可以用二进制方式打开一个UTF-X格式的文件，看看开头两个字节是不是这两个字节？

讲到这里，我们再顺便说说一个很著名的奇怪现象：当你在 windows 的记事本里新建一个文件，输入"联通"两个字之后，保存，关闭，然后再次打开，你会发现这两个字已经消失了，代之的是几个乱码！呵呵，有人说这就是联通之所以拼不过移动的原因。

   其实这是因为GB2312编码与UTF8编码产生了编码冲撞的原因。

从网上引来一段从UNICODE到UTF8的转换规则：

Unicode

UTF-8

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，所以要用3字节模板：1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将6C49写成二进制是：0110 1100 0100 1001，将这个比特流按三字节模板的分段方法分为0110 110001 001001，依次代替模板中的x，得到：1110-0110 10-110001 10-001001，即E6 B1 89，这就是其UTF8的编码。

而当你新建一个文本文件时，记事本的编码默认是ANSI,如果你在ANSI的编码输入汉字，那么他实际就是GB系列的编码方式，在这种编码下，"联通"的内码是：

c1 1100 0001

aa 1010 1010

cd 1100 1101

a8 1010 1000

 

注意到了吗？第一二个字节、第三四个字节的起始部分的都是"110"和"10"，正好与UTF8规则里的两字节模板是一致的，于是再次打开记事本时，记事本就误认为这是一个UTF8编码的文件，让我们把第一个字节的110和第二个字节的10去掉，我们就得到了"00001 101010"，再把各位对齐，补上前导的0，就得到了"0000 0000 0110 1010"，不好意思，这是UNICODE的006A，也就是小写的字母"j"，而之后的两字节用UTF8解码之后是0368，这个字符什么也不是。这就是只有"联通"两个字的文件没有办法在记事本里正常显示的原因。

    而如果你在"联通"之后多输入几个字，其他的字的编码不见得又恰好是110和10开始的字节，这样再次打开时，记事本就不会坚持这是一个utf8编码的文件，而会用ANSI的方式解读之，这时乱码又不出现了。

好了，终于可以回答NICO的问题了，在数据库里，有n前缀的字串类型就是UNICODE类型，这种类型中，固定用两个字节来表示一个字符，无论这个字符是汉字还是英文字母，或是别的什么。

    如果你要测试"abc汉字"这个串的长度，在没有n前缀的数据类型里，这个字串是7个字符的长度，因为一个汉字相当于两个字符。而在有n前缀的数据类型里，同样的测试串长度的函数将会告诉你是5个字符，因为一个汉字就是一个字符。

 

0. 字符与编码的发展

从计算机对多国语言的支持角度看，大致可以分为三个阶段：

 

	系统内码	说明	系统
阶段一	ASCII	计算机刚开始只支持英语，其它语言不能够在计算机上存储和显示。	英文 DOS
阶段二	ANSI编码 （本地化）	为使计算机支持更多语言，通常使用 0x80~0xFF 范围的 2 个字节来表示 1 个字符。比如：汉字 '中' 在中文操作系统中，使用 [0xD6,0xD0] 这两个字节存储。 不同的国家和地区制定了不同的标准，由此产生了 GB2312, BIG5, JIS 等各自的编码标准。这些使用 2 个字节来代表一个字符的各种汉字延伸编码方式，称为 ANSI 编码。在简体中文系统下，ANSI 编码代表 GB2312 编码，在日文操作系统下，ANSI 编码代表 JIS 编码。 不同 ANSI 编码之间互不兼容，当信息在国际间交流时，无法将属于两种语言的文字，存储在同一段 ANSI 编码的文本中。	中文 DOS，中文 Windows 95/98，日文 Windows 95/98
阶段三	UNICODE （国际化）	为了使国际间信息交流更加方便，国际组织制定了 UNICODE 字符集，为各种语言中的每一个字符设定了统一并且唯一的数字编号，以满足跨语言、跨平台进行文本转换、处理的要求。	Windows NT/2000/XP，Linux，Java

字符串在内存中的存放方法：

在 ASCII 阶段，单字节字符串使用一个字节存放一个字符（SBCS）。比如，"Bob123" 在内存中为：

 

 

42	6F	62	31	32	33	00
B	o	b	1	2	3	\0

在使用 ANSI 编码支持多种语言阶段，每个字符使用一个字节或多个字节来表示（MBCS），因此，这种方式存放的字符也被称作多字节字符。比如，"中文123" 在中文 Windows 95 内存中为7个字节，每个汉字占2个字节，每个英文和数字字符占1个字节：

 

D6	D0	CE	C4	31	32	33	00
中	文	1	2	3	\0

在 UNICODE 被采用之后，计算机存放字符串时，改为存放每个字符在 UNICODE 字符集中的序号。目前计算机一般使用 2 个字节（16 位）来存放一个序号（DBCS），因此，这种方式存放的字符也被称作宽字节字符。比如，字符串 "中文123" 在 Windows 2000 下，内存中实际存放的是 5 个序号：

 

2D	4E	87	65	31	00	32	00	33	00	00	00	← 在 x86 CPU 中，低字节在前
中	文	1	2	3	\0

一共占 10 个字节。

0.1 字符，字节，字符串

理解编码的关键，是要把字符的概念和字节的概念理解准确。这两个概念容易混淆，我们在此做一下区分：

 

	概念描述	举例
字符	人们使用的记号，抽象意义上的一个符号。	'1', '中', 'a', '$', '￥', ……
字节	计算机中存储数据的单元，一个8位的二进制数，是一个很具体的存储空间。	0x01,0x45,0xFA, ……
ANSI 字符串	在内存中，如果“字符”是以 ANSI 编码形式存在的，一个字符可能使用一个字节或多个字节来表示，那么我们称这种字符串为 ANSI 字符串或者多字节字符串。	"中文123" （占7字节）
UNICODE 字符串	在内存中，如果“字符”是以在 UNICODE 中的序号存在的，那么我们称这种字符串为 UNICODE 字符串或者宽字节字符串。	L"中文123" （占10字节）

由于不同 ANSI 编码所规定的标准是不相同的，因此，对于一个给定的多字节字符串，我们必须知道它采用的是哪一种编码规则，才能够知道它包含了哪些“字符”。而对于 UNICODE 字符串来说，不管在什么环境下，它所代表的“字符”内容总是不变的。

0.2字符集与编码

各个国家和地区所制定的不同 ANSI 编码标准中，都只规定了各自语言所需的“字符”。比如：汉字标准（GB2312）中没有规定韩国语字符怎样存储。这些 ANSI 编码标准所规定的内容包含两层含义：

（1）使用哪些字符。也就是说哪些汉字，字母和符号会被收入标准中。所包含“字符”的集合就叫做“字符集”；

（2）规定每个“字符”分别用一个字节还是多个字节存储，用哪些字节来存储，这个规定就叫做“编码”。

各个国家和地区在制定编码标准的时候，“字符的集合”和“编码”一般都是同时制定的。因此，平常我们所说的“字符集”，比如：GB2312, GBK, JIS 等，除了有“字符的集合”这层含义外，同时也包含了“编码”的含义。

“UNICODE 字符集”包含了各种语言中使用到的所有“字符”。用来给 UNICODE 字符集编码的标准有很多种，比如：UTF-8, UTF-7, UTF-16, UnicodeLittle, UnicodeBig 等

简单介绍一下常用的编码规则，为后边的章节做一个准备。在这里，我们根据编码规则的特点，把所有的编码分成三类：

 

分类	编码标准	说明
单字节字符编码	ISO-8859-1	最简单的编码规则，每一个字节直接作为一个 UNICODE 字符。比如，[0xD6, 0xD0] 这两个字节，通过 iso-8859-1 转化为字符串时，将直接得到 [0x00D6, 0x00D0] 两个 UNICODE 字符，即 "ÖÐ"。反之，将 UNICODE 字符串通过 iso-8859-1 转化为字节串时，只能正常转化 0~255 范围的字符。
ANSI 编码	GB2312, BIG5, Shift_JIS, ISO-8859-2 ……	把 UNICODE 字符串通过 ANSI 编码转化为“字节串”时，根据各自编码的规定，一个 UNICODE 字符可能转化成一个字节或多个字节。 反之，将字节串转化成字符串时，也可能多个字节转化成一个字符。比如，[0xD6, 0xD0] 这两个字节，通过 GB2312 转化为字符串时，将得到 [0x4E2D] 一个字符，即 '中' 字。 “ANSI 编码”的特点： 1. 这些“ANSI 编码标准”都只能处理各自语言范围之内的 UNICODE 字符。 2. “UNICODE 字符”与“转换出来的字节”之间的关系是人为规定的。
UNICODE 编码	UTF-8, UTF-16, UnicodeBig ……	与“ANSI 编码”类似的，把字符串通过 UNICODE 编码转化成“字节串”时，一个 UNICODE 字符可能转化成一个字节或多个字节。 与“ANSI 编码”不同的是： 1. 这些“UNICODE 编码”能够处理所有的 UNICODE 字符。 2. “UNICODE 字符”与“转换出来的字节”之间是可以通过计算得到的。

我们实际上没有必要去深究每一种编码具体把某一个字符编码成了哪几个字节，我们只需要知道“编码”的概念就是把“字符”转化成“字节”就可以了。对于“UNICODE 编码”，由于它们是可以通过计算得到的，因此，在特殊的场合，我们可以去了解某一种“UNICODE 编码”是怎样的规则。

 

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（American Standard Code for Information Interchange，美国信息互换标准代码）是基于拉丁字母的一套电脑编码系统。它主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统，并等同于国际标准ISO/IEC 646。

ASCII第一次以规范标准的型态发表是在1967年，最后一次更新则是在1986年，至今为止共定义了128个字元，其中33个字元无法显示（这是以现今作业系统为依归，但在DOS模式下可显示出一些诸如笑脸、扑克牌花式等8-bit符号），且这33个字元多数都已是陈废的控制字元，控制字元的用途主要是用来操控已经处理过的文字，在33个字元之外的是95个可显示的字元，包含用键盘敲下空白键所产生的空白字元也算1个可显示字元（显示为空白）。

 

标准的ASCII码表如下所示：

 
 

 

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。

中文编码的问题放在后面讨论。这里需指出，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

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。

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。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。

3.1 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。

4.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
-Hex Min----Hex Max--|--Byte Sequence in Binary-------------------
0000 0000 - 0000 007F | 0xxxxxxx
0000 0080 - 0000 07FF | 110xxxxx 10xxxxxx
0000 0800 - 0000 FFFF | 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0001 0000 - 001F 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。

再如，“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。

4.1 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。

4.2 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。

补充定义：

a) Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。

b) Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。

32bit宽的数0x12345678在Little-endian模式CPU内存中的存放方式（假设从地址0x4000开始存放）为：

内存地址 存放内容
0x4003     0x12
0x4002     0x34
0x4001     0x56
0x4000     0x78
而在Big-endian模式CPU内存中的存放方式则为：

内存地址 存放内容
0x4003     0x78
0x4002     0x56
0x4001     0x34
0x4000     0x12

 

4.3 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。

 

4.4 关于BOM

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。

5. GB2312及汉字编码

GB 2312或GB 2312-80是一个简体中文字符集的中国国家标准，全称为《信息交换用汉字编码字符集·基本集》，又称为GB0，由中国国家标准总局发布，1981年5月1日实施。       GB2312编码通行于中国大陆；新加坡等地也采用此编码。中国大陆几乎所有的中文系统和国际化的软件都支持GB 2312。

GB 2312标准共收录6763个汉字，其中一级汉字3755个，二级汉字3008个；同时，GB 2312收录了包括拉丁字母、希腊字母、日文平假名及片假名字母、俄语西里尔字母在内的682个全角字符。

GB 2312的出现，基本满足了汉字的计算机处理需要，它所收录的汉字已经覆盖中国大陆99.75%的使用频率。

对于人名、古汉语等方面出现的罕用字，GB 2312不能处理，这导致了后来GBK及GB 18030汉字字符集的出现。

分区表示

GB 2312中对所收汉字进行了“分区”处理，每区含有94个汉字／符号。这种表示方式也称为区位码。

01-09区为特殊符号。

16-55区为一级汉字，按拼音排序。

56-87区为二级汉字，按部首／笔画排序。

10-15区及88-94区则未有编码。

举例来说，“啊”字是GB2312之中的第一个汉字，它的区位码就是1601。

字节结构

在使用GB2312的程序中，通常采用EUC储存方法，以便兼容于ASCII。浏览器编码表上的“GB2312”，通常都是指“EUC-CN”表示法。

每个汉字及符号以两个字节来表示。第一个字节称为“高位字节”，第二个字节称为“低位字节”。

“高位字节”使用了0xA1-0xF7（把01-87区的区号加上0xA0），“低位字节”使用了0xA1-0xFE（把01-94加上0xA0）。由于一级汉字从16区起始，汉字区的“高位字节”的范围是0xB0-0xF7，“低位字节”的范围是0xA1-0xFE，占用的码位是72*94=6768。其中有5个空位是D7FA-D7FE。

例如“啊”字在大多数程序中，会以两个字节，0xB0（第一个字节）0xA1（第二个字节）储存。（与区位码对比：0xB0=0xA0+16,0xA1=0xA0+1）。

 

 

在中国，大陆最常用的就是GBK18030编码，除此之外还有GBK，GB2312，这几个编码的关系是这样的。

最早制定的汉字编码是GB2312，包括6763个汉字和682个其它符号。

95年重新修订了编码，命名GBK1.0，共收录了21886个符号。

之后又推出了GBK18030编码，共收录了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WINDOWS平台必需要支持GBK18030编码。

按照GBK18030、GBK、GB2312的顺序，３种编码是向下兼容，同一个汉字在三个编码方案中是相同的编码。

 

6.字符编码相关的问题领域
简单来说，只要是在计算机中处理文本（字符串），就必然与字符编码相关。在此粗略梳理一下与字符编码关系密切的几个问题领域。

 

1. 输入与输出（显示）

这是人机交互的必备元素。

输入法定义了一个或一组按键与一个字符的对应关系。输入法程序需要把这个字符以正确的字符编码转换为字节流输入到一个应用程序（编辑器、浏览器、聊天工具等）中。

字体文件定义了每个字符在屏幕或打印机下的显示方式（每个字符本质上是一个点阵或矢量图）。

当一个人对着电脑打出一个字，整个人机系统的处理是这样的：

  人按键 --(输入法)--> 字符 --(字符编码)--> 字节 --(字符编码)--> 字符 --(字体库)--> 人在屏幕上看到

 

2. 文本文件

对于计算机来说，不存在文本文件与二进制文件的区别（都是字节流）。只不过是人类为了使用方便，把经常需要用文本编辑器来编辑操作的文件视为一种与一般二进制文件不同的特殊形式。人们把人类容易理解(human-readable)的文本以指定字符编码转换为字节流写入文件，这便是文本文件。比如在Windows的notepad中，通过“另存为”文件对话框，可以选择字符编码，其中，ANSI、Unicode、Unicode big endian、UTF-8分别对应系统代码页（在区域和语言设置中设定。简体中文系统为代码页936，即cp936/gbk）、UCS-2LE、UCS-2BE、UTF-8四种字符编码（后三种编码默认都会写BOM）。

当一个文本编辑器在打开一个文本文件时，则需要识别该文件使用的字符编码。依然以notepad为例，若一个文件没有BOM，则为ANSI（系统代码页）编码，若一个文件带有BOM，根据BOM的不同，记事本程序可以判断是哪一种Unicode编码。

然而这只是Windows一家的标准。一个来自互联网的文本文件可能创建于各种操作系统平台，并不一定都会写BOM。于是现代的文本编辑器需要用更聪明的方式识别字符编码，即根据不同字符编码的特征来识别。只是根据特征来识别并不能做到完全精准，特别是当文件内容比较少的时候（特征可能不够明确）。比如现在的notepad已经做到了这根据特征识别编码一点，一个网上盛传的趣闻是在notepad中只写“联通”两个字，保存之后再打开，会显示为黑框，原因正是“联通”二字在gbk编码下的字节符合UTF-8的特征，从而导致notepad错误地识别为UTF-8，如果再多打几个字则不会有问题，因为不可能这些字的编码都符合UTF-8的特征。

（另外，文本文件通常都会包含换行符(EOL)，关于Windows、Unix/Linux、Mac系统在这一点上的不同可自行参看维基条目，这个问题与字符编码关系不大，但也是文本文件编辑中必须考虑的问题，特此一提。）

文本文件并不仅仅指TXT的纯文本，事实上各种源代码文件（c/sql/html/java等）也都是文本文件。编写源代码文件时也必须考虑字符编码（除非你只用ASCII字符），否则编译器或解释器（Web浏览器可视为HTML的解释器）可能会按照不是你所希望的方式去解析你的代码。

 

3. 网络通信

网络通信是在不同的计算机系统之间传递信息，因而字符编码的统一约定尤其重要。

通信问题还会涉及到编码解码(encode/decode)和加密解密(encrypt/decrypt)。前者的编码涉及多种情况，或是为了避免使用一些特殊用途的字符（如base64、URL encoding），或是为了增加信息传递的准确性（校验码和纠错码）；后者是为了保证信息传递的安全性。这两种情况都是对字节流进行处理，即字符编码的下一环节。不要混淆。

 

4. 信息系统

信息系统的前端部分，不管是C/S还是B/S，都是网络通信的特殊形式。客户端必须以正确的编码来解析，才能正常看到页面的文本，同样，客户端提交给服务器的数据，服务器端也必须以正确的编码才能正常解析。这就要求开发前端程序时使用统一的字符编码约定。

信息系统的后端部分，即数据存储层，也需要采用约定的字符编码来存储文本信息。

以SQL Server为例，服务器的区域设置和数据库的排序规则决定了该数据库使用的代码页（参看联机丛书：安装程序中的排序规则设置），varchar/char类型使用该代码页的字符编码，nvarchar/nchar类型使用UCS-2LE的字符编码（字符编码与代码页无关，但数据的排序与排序规则设定有关）。如示例-4所示（注意Unicode码位与UCS-2LE编码的区别）。