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gbk, gb2312,big5,unicode,utf-8,utf-16之间的关系

最近和同事讨论unicode的相关知识,同事说unicode指utf-16,和utf-8相区别;而我的理解是unicode只是一种规范,而utf-16,utf-8等都是它的具体实现,互相也说不准。于是在网上搜索资料,最后发现其实双方都有道理,只是个人理解不一样罢了,的确通常来说的unicode是指utf-16的实现方式。这下面是搜索到的资料:

以前收藏的一篇

标题 谈谈Unicode编码,简要解释UCS、UTF、BMP、BOM等名词 选择自 fmddlmyy 的 Blog
关键字 谈谈Unicode编码,简要解释UCS、UTF、BMP、BOM等名词

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)
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/)。



Unicode,GBK,GB2312,UTF-8概念基础
本部分采用重用,转载一篇文章来完成这部分的目标。
来源:holen'blog   对字符编码与Unicode,ISO 10646,UCS,UTF8,UTF16,GBK,GB2312的理解
地址:http://blog.donews.com/holen/archive/2004/11/30/188182.aspx
 
Unicode:

unicode.org制定的编码机制, 要将全世界常用文字都函括进去.
在1.0中是16位编码, 由U+0000到U+FFFF. 每个2byte码对应一个字符; 在2.0开始抛弃了16位限制, 原来的16位作为基本位平面, 另外增加了16个位平面, 相当于20位编码, 编码范围0到0x10FFFF.

UCS:

ISO制定的ISO10646标准所定义的 Universal Character Set, 采用4byte编码.

Unicode与UCS的关系:

ISO与unicode.org是两个不同的组织, 因此最初制定了不同的标准; 但自从unicode2.0开始, unicode采用了与ISO 10646-1相同的字库和字码, ISO也承诺ISO10646将不会给超出0x10FFFF的UCS-4编码赋值, 使得两者保持一致.

UCS的编码方式:

  • UCS-2, 与unicode的2byte编码基本一样.
  • UCS-4, 4byte编码, 目前是在UCS-2前加上2个全零的byte.

    UTF: Unicode/UCS Transformation Format
  • UTF-8, 8bit编码, ASCII不作变换, 其他字符做变长编码, 每个字符1-3 byte. 通常作为外码. 有以下优点:
    * 与CPU字节顺序无关, 可以在不同平台之间交流
    * 容错能力高, 任何一个字节损坏后, 最多只会导致一个编码码位损失, 不会链锁错误(如GB码错一个字节就会整行乱码)
  • UTF-16, 16bit编码, 是变长码, 大致相当于20位编码, 值在0到0x10FFFF之间, 基本上就是unicode编码的实现. 它是变长码, 与CPU字序有关, 但因为最省空间, 常作为网络传输的外码.
    UTF-16是unicode的preferred encoding.
  • UTF-32, 仅使用了unicode范围(0到0x10FFFF)的32位编码, 相当于UCS-4的子集.

    UTF与unicode的关系:

    Unicode是一个字符集, 可以看作为内码.
    而UTF是一种编码方式, 它的出现是因为unicode不适宜在某些场合直接传输和处理. UTF-16直接就是unicode编码, 没有变换, 但它包含了0x00在编码内, 头256字节码的第一个byte都是0x00, 在操作系统(C语言)中有特殊意义, 会引起问题. 采用UTF-8编码对unicode的直接编码作些变换可以避免这问题, 并带来一些优点.

    中国国标编码:
  • GB 13000: 完全等同于ISO 10646-1/Unicode 2.1, 今后也将随ISO 10646/Unicode的标准更改而同步更改.
  • GBK: 对GB2312的扩充, 以容纳GB2312字符集范围以外的Unicode 2.1的统一汉字部分, 并且增加了部分unicode中没有的字符.
  • GB 18030-2000: 基于GB 13000, 作为Unicode 3.0的GBK扩展版本, 覆盖了所有unicode编码, 地位等同于UTF-8, UTF-16, 是一种unicode编码形式. 变长编码, 用单字节/双字节/4字节对字符编码. GB18030向下兼容GB2312/GBK.
    GB 18030是中国所有非手持/嵌入式计算机系统的强制实施标准.


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    什么是 UCS 和 ISO 10646?

    国际标准 ISO 10646 定义了 通用字符集 (Universal Character Set, UCS). UCS 是所有其他字符集标准的一个超集. 它保证与其他字符集是双向兼容的. 就是说, 如果你将任何文本字符串翻译到 UCS格式, 然后再翻译回原编码, 你不会丢失任何信息.

    UCS 包含了用于表达所有已知语言的字符. 不仅包括拉丁语,希腊语, 斯拉夫语,希伯来语,阿拉伯语,亚美尼亚语和乔治亚语的描述, 还包括中文, 日文和韩文这样的象形文字, 以及 平假名, 片假名, 孟加拉语, 旁遮普语果鲁穆奇字符(Gurmukhi), 泰米尔语, 印.埃纳德语(Kannada), Malayalam, 泰国语, 老挝语, 汉语拼音(Bopomofo), Hangul, Devangari, Gujarati, Oriya, Telugu 以及其他数也数不清的语. 对于还没有加入的语言, 由于正在研究怎样在计算机中最好地编码它们, 因而最终它们都将被加入. 这些语言包括 Tibetian, 高棉语, Runic(古代北欧文字), 埃塞俄比亚语, 其他象形文字, 以及各种各样的印-欧语系的语言, 还包括挑选出来的艺术语言比如 Tengwar, Cirth 和 克林贡语(Klingon). UCS 还包括大量的图形的, 印刷用的, 数学用的和科学用的符号, 包括所有由 TeX, Postscript, MS-DOS,MS-Windows, Macintosh, OCR 字体, 以及许多其他字处理和出版系统提供的字符.

    ISO 10646 定义了一个 31 位的字符集. 然而, 在这巨大的编码空间中, 迄今为止只分配了前 65534 个码位 (0x0000 到 0xFFFD). 这个 UCS 的 16位子集称为 基本多语言面 (Basic Multilingual Plane, BMP). 将被编码在 16 位 BMP 以外的字符都属于非常特殊的字符(比如象形文字), 且只有专家在历史和科学领域里才会用到它们. 按当前的计划, 将来也许再也不会有字符被分配到从 0x000000 到 0x10FFFF 这个覆盖了超过 100 万个潜在的未来字符的 21 位的编码空间以外去了. ISO 10646-1 标准第一次发表于 1993 年, 定义了字符集与 BMP 中内容的架构. 定义 BMP 以外的字符编码的第二部分 ISO 10646-2 正在准备中, 但也许要过好几年才能完成. 新的字符仍源源不断地加入到 BMP 中, 但已经存在的字符是稳定的且不会再改变了.

    UCS 不仅给每个字符分配一个代码, 而且赋予了一个正式的名字. 表示一个 UCS 或 Unicode 值的十六进制数, 通常在前面加上 "U+", 就象 U+0041 代表字符"拉丁大写字母A". UCS 字符 U+0000 到 U+007F 与 US-ASCII(ISO 646) 是一致的, U+0000 到 U+00FF 与 ISO 8859-1(Latin-1) 也是一致的. 从 U+E000 到 U+F8FF, 已经 BMP 以外的大范围的编码是为私用保留的.

    什么是组合字符?

    UCS里有些编码点分配给了 组合字符.它们类似于打字机上的无间隔重音键. 单个的组合字符不是一个完整的字符. 它是一个类似于重音符或其他指示标记, 加在前一个字符后面. 因而, 重音符可以加在任何字符后面. 那些最重要的被加重的字符, 就象普通语言的正字法(orthographies of common languages)里用到的那种, 在 UCS 里都有自己的位置, 以确保同老的字符集的向后兼容性. 既有自己的编码位置, 又可以表示为一个普通字符跟随一个组合字符的被加重字符, 被称为 预作字符(precomposed characters). UCS 里的预作字符是为了同没有预作字符的旧编码, 比如 ISO 8859, 保持向后兼容性而设的. 组合字符机制允许在任何字符后加上重音符或其他指示标记, 这在科学符号中特别有用, 比如数学方程式和国际音标字母, 可能会需要在一个基本字符后组合上一个或多个指示标记.

    组合字符跟随着被修饰的字符. 比如, 德语中的元音变音字符 ("拉丁大写字母A 加上分音符"), 既可以表示为 UCS 码 U+00C4 的预作字符, 也可以表示成一个普通 "拉丁大写字母A" 跟着一个"组合分音符":U+0041 U+0308 这样的组合. 当需要堆叠多个重音符, 或在一个基本字符的上面和下面都要加上组合标记时, 可以使用多个组合字符. 比如在泰国文中, 一个基本字符最多可加上两个组合字符.

    什么是 UCS 实现级别?

    不是所有的系统都需要支持象组合字符这样的 UCS 里所有的先进机制. 因此 ISO 10646 指定了下列三种实现级别:

    级别1
    不支持组合字符和 Hangul Jamo 字符 (一种特别的, 更加复杂的韩国文的编码, 使用两个或三个子字符来编码一个韩文音节)
    级别2
    类似于级别1, 但在某些文字中, 允许一列固定的组合字符 (例如, 希伯来文, 阿拉伯文, Devangari, 孟加拉语, 果鲁穆奇语, Gujarati, Oriya, 泰米尔语, Telugo, 印.埃纳德语, Malayalam, 泰国语和老挝语). 如果没有这最起码的几个组合字符, UCS 就不能完整地表达这些语言.
    级别3
    支持所有的 UCS 字符, 例如数学家可以在任意一个字符上加上一个 tilde(颚化符号,西班牙语字母上面的~)或一个箭头(或两者都加).

    什么是 Unicode?

    历史上, 有两个独立的, 创立单一字符集的尝试. 一个是国际标准化组织(ISO)的 ISO 10646 项目, 另一个是由(一开始大多是美国的)多语言软件制造商组成的协会组织的 Unicode 项目. 幸运的是, 1991年前后, 两个项目的参与者都认识到, 世界不需要两个不同的单一字符集. 它们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. 两个项目仍都存在并独立地公布各自的标准, 但 Unicode 协会和 ISO/IEC JTC1/SC2 都同意保持 Unicode 和 ISO 10646 标准的码表兼容, 并紧密地共同调整任何未来的扩展.

    那么 Unicode 和 ISO 10646 不同在什么地方?

    Unicode 协会公布的 Unicode 标准 严密地包含了 ISO 10646-1 实现级别3的基本多语言面. 在两个标准里所有的字符都在相同的位置并且有相同的名字.

    Unicode 标准额外定义了许多与字符有关的语义符号学, 一般而言是对于实现高质量的印刷出版系统的更好的参考. Unicode 详细说明了绘制某些语言(比如阿拉伯语)表达形式的算法, 处理双向文字(比如拉丁与希伯来文混合文字)的算法和 排序与字符串比较 所需的算法, 以及其他许多东西.

    另一方面, ISO 10646 标准, 就象广为人知的 ISO 8859 标准一样, 只不过是一个简单的字符集表. 它指定了一些与标准有关的术语, 定义了一些编码的别名, 并包括了规范说明, 指定了怎样使用 UCS 连接其他 ISO 标准的实现, 比如 ISO 6429 和 ISO 2022. 还有一些与 ISO 紧密相关的, 比如 ISO 14651 是关于 UCS 字符串排序的.

    考虑到 Unicode 标准有一个易记的名字, 且在任何好的书店里的 Addison-Wesley 里有, 只花费 ISO 版本的一小部分, 且包括更多的辅助信息, 因而它成为使用广泛得多的参考也就不足为奇了. 然而, 一般认为, 用于打印 ISO 10646-1 标准的字体在某些方面的质量要高于用于打印 Unicode 2.0的. 专业字体设计者总是被建议说要两个标准都实现, 但一些提供的样例字形有显著的区别. ISO 10646-1 标准同样使用四种不同的风格变体来显示表意文字如中文, 日文和韩文 (CJK), 而 Unicode 2.0 的表里只有中文的变体. 这导致了普遍的认为 Unicode 对日本用户来说是不可接收的传说, 尽管是错误的.

    什么是 UTF-8?

    首先 UCS 和 Unicode 只是分配整数给字符的编码表. 现在存在好几种将一串字符表示为一串字节的方法. 最显而易见的两种方法是将 Unicode 文本存储为 2 个 或 4 个字节序列的串. 这两种方法的正式名称分别为 UCS-2 和 UCS-4. 除非另外指定, 否则大多数的字节都是这样的(Bigendian convention). 将一个 ASCII 或 Latin-1 的文件转换成 UCS-2 只需简单地在每个 ASCII 字节前插入 0x00. 如果要转换成 UCS-4, 则必须在每个 ASCII 字节前插入三个 0x00.

    在 Unix 下使用 UCS-2 (或 UCS-4) 会导致非常严重的问题. 用这些编码的字符串会包含一些特殊的字符, 比如 '\0' 或 '/', 它们在 文件名和其他 C 库函数参数里都有特别的含义. 另外, 大多数使用 ASCII 文件的 UNIX 下的工具, 如果不进行重大修改是无法读取 16 位的字符的. 基于这些原因, 在文件名, 文本文件, 环境变量等地方, UCS-2 不适合作为 Unicode 的外部编码.

    在 ISO 10646-1 Annex RRFC 2279 里定义的 UTF-8 编码没有这些问题. 它是在 Unix 风格的操作系统下使用 Unicode 的明显的方法.

    UTF-8 有一下特性:

    • UCS 字符 U+0000 到 U+007F (ASCII) 被编码为字节 0x00 到 0x7F (ASCII 兼容). 这意味着只包含 7 位 ASCII 字符的文件在 ASCII 和 UTF-8 两种编码方式下是一样的.
    • 所有 >U+007F 的 UCS 字符被编码为一个多个字节的串, 每个字节都有标记位集. 因此, ASCII 字节 (0x00-0x7F) 不可能作为任何其他字符的一部分.
    • 表示非 ASCII 字符的多字节串的第一个字节总是在 0xC0 到 0xFD 的范围里, 并指出这个字符包含多少个字节. 多字节串的其余字节都在 0x80 到 0xBF 范围里. 这使得重新同步非常容易, 并使编码无国界, 且很少受丢失字节的影响.
    • 可以编入所有可能的 231个 UCS 代码
    • UTF-8 编码字符理论上可以最多到 6 个字节长, 然而 16 位 BMP 字符最多只用到 3 字节长.
    • Bigendian UCS-4 字节串的排列顺序是预定的.
    • 字节 0xFE 和 0xFF 在 UTF-8 编码中从未用到.

    下列字节串用来表示一个字符. 用到哪个串取决于该字符在 Unicode 中的序号.

    U-00000000 - U-0000007F: 0xxxxxxx
    U-00000080 - U-000007FF: 110xxxxx 10xxxxxx
    U-00000800 - U-0000FFFF: 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
    U-00010000 - U-001FFFFF: 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
    U-00200000 - U-03FFFFFF: 111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
    U-04000000 - U-7FFFFFFF: 1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

    xxx 的位置由字符编码数的二进制表示的位填入. 越靠右的 x 具有越少的特殊意义. 只用最短的那个足够表达一个字符编码数的多字节串. 注意在多字节串中, 第一个字节的开头"1"的数目就是整个串中字节的数目.

    例如: Unicode 字符 U+00A9 = 1010 1001 (版权符号) 在 UTF-8 里的编码为:

    11000010 10101001 = 0xC2 0xA9

    而字符 U+2260 = 0010 0010 0110 0000 (不等于) 编码为:

    11100010 10001001 10100000 = 0xE2 0x89 0xA0

    这种编码的官方名字拼写为 UTF-8, 其中 UTF 代表 UCS Transformation Format. 请勿在任何文档中用其他名字 (比如 utf8 或 UTF_8) 来表示 UTF-8, 当然除非你指的是一个变量名而不是这种编码本身.

    什么编程语言支持 Unicode?

    在大约 1993 年之后开发的大多数现代编程语言都有一个特别的数据类型, 叫做 Unicode/ISO 10646-1 字符. 在 Ada95 中叫 Wide_Character, 在 Java 中叫 char.

    ISO C 也详细说明了处理多字节编码和宽字符 (wide characters) 的机制, 1994 年 9 月 Amendment 1 to ISO C 发表时又加入了更多. 这些机制主要是为各类东亚编码而设计的, 它们比处理 UCS 所需的要健壮得多. UTF-8 是 ISO C 标准调用多字节字符串的编码的一个例子, wchar_t 类型可以用来存放 Unicode 字符.


    附录1 再说说区位码、GB2312、内码和代码页
    有的朋友对文章中这句话还有疑问:
    “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。”

    我再详细解释一下:

    “GB2312的原文”是指国家1980年的一个标准《中华人民共和国国家标准 信息交换用汉字编码字符集 基本集 GB 2312-80》。这个标准用两个数来编码汉字和中文符号。第一个数称为“区”,第二个数称为“位”。所以也称为区位码。1-9区是中文符号,16-55区是一级汉字,56-87区是二级汉字。现在Windows也还有区位输入法,例如输入1601得到“啊”。(这个区位输入法可以自动识别16进制的GB2312和10进制的区位码,也就是说输入B0A1同样会得到“啊”。)

    内码是指操作系统内部的字符编码。早期操作系统的内码是与语言相关的。现在的Windows在系统内部支持Unicode,然后用代码页适应各种语言,“内码”的概念就比较模糊了。微软一般将缺省代码页指定的编码说成是内码。

    内码这个词汇,并没有什么官方的定义,代码页也只是微软这个公司的叫法。作为程序员,我们只要知道它们是什么东西,没有必要过多地考证这些名词。

    所谓代码页(code page)就是针对一种语言文字的字符编码。例如GBK的code page是CP936,BIG5的code page是CP950,GB2312的code page是CP20936。

    Windows中有缺省代码页的概念,即缺省用什么编码来解释字符。例如Windows的记事本打开了一个文本文件,里面的内容是字节流:BA、BA、D7、D6。Windows应该去怎么解释它呢?

    是按照Unicode编码解释、还是按照GBK解释、还是按照BIG5解释,还是按照ISO8859-1去解释?如果按GBK去解释,就会得到“汉字”两个字。按照其它编码解释,可能找不到对应的字符,也可能找到错误的字符。所谓“错误”是指与文本作者的本意不符,这时就产生了乱码。

    答案是Windows按照当前的缺省代码页去解释文本文件里的字节流。缺省代码页可以通过控制面板的区域选项设置。记事本的另存为中有一项ANSI,其实就是按照缺省代码页的编码方法保存。

    Windows的内码是Unicode,它在技术上可以同时支持多个代码页。只要文件能说明自己使用什么编码,用户又安装了对应的代码页,Windows就能正确显示,例如在HTML文件中就可以指定charset。

    有的HTML文件作者,特别是英文作者,认为世界上所有人都使用英文,在文件中不指定charset。如果他使用了0x80-0xff之间的字符,中文Windows又按照缺省的GBK去解释,就会出现乱码。这时只要在这个html文件中加上指定charset的语句,例如:
    <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=ISO8859-1">
    如果原作者使用的代码页和ISO8859-1兼容,就不会出现乱码了。

    再说区位码,啊的区位码是1601,写成16进制是0x10,0x01。这和计算机广泛使用的ASCII编码冲突。为了兼容00-7f的ASCII编码,我们在区位码的高、低字节上分别加上A0。这样“啊”的编码就成为B0A1。我们将加过两个A0的编码也称为GB2312编码,虽然GB2312的原文根本没提到这一点。


    字符编码笔记:ASCII,Unicode和UTF-8


     

    今天中午,我突然想搞清楚Unicode和UTF-8之间的关系,于是就开始在网上查资料。

    结果,这个问题比我想象的复杂,从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。但是,我尽量试图写得通俗易懂,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。

    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

    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

    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. 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)

  • posted on 2008-01-24 09:36 浪迹天涯 阅读(12827) 评论(4)  编辑 收藏 引用 所属分类: Other

    评论

    # re: gbk, gb2312,big5,unicode,utf-8,utf-16之间的关系 2008-01-24 10:07 浪迹天涯

    那么既然统一了编码,如何兼容原先各国的文字编码呢?


      这个时候就需要codepage了。


      什么是codepage?codepage就是各国的文字编码和Unicode之间的映射表。


      比如简体中文和Unicode的映射表就是CP936,点这里查看官方的映射表。


      以下是几个常用的codepage,相应的修改上面的地址的数字即可。


      codepage=936 简体中文GBK


      codepage=950 繁体中文BIG5


      codepage=437 美国/加拿大英语


      codepage=932 日文


      codepage=949 韩文


      codepage=866 俄文


      codepage=65001 Unicode UFT-8


      最后一个65001,据个人理解,应该只是一个虚拟的映射表,实际只是一个算法而已。


      从936中随意取一行,例如:


      0x9993 0x6ABD #CJK UNIFIED IDEOGRAPH


      前面的编码是GBK的编码,后面的是Unicode。
      回复  更多评论   

    # re: gbk, gb2312,big5,unicode,utf-8,utf-16之间的关系 2010-07-09 17:06 TerryEVANS

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