woaidongmao

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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GBKUnicodeUnicode big endianUTF-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UnicodeUnicode big endianUTF-8编码的txt文件的开头会多出几个字节,分别是FFFEUnicode,FEFFUnicode big endian,EFBBBFUTF-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-32UTF-16UTF-8这三种编码方式的相互转换。对于Unicode(UCS2)GBKUTF-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-16UCS2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。

0big endianlittle endian

big endianlittle endianCPU处理多字节数的不同方式。例如字的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 endianlittle endian称作大尾小尾

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)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

ASCIIGB2312GBKGB18030,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,GB2312GBKGB18030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

·         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GBKGB18030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。

2UnicodeUCSUTF

前面提到从ASCIIGB2312GBKGB18030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UCSUCS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。

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 4.1.0ISO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-8UTF-7UTF-16

IETFRFC2781RFC3629RFC的一贯风格,清晰、明快又不失严谨地描述了UTF-16UTF-8的编码方法。我总是记不得IETFInternet Engineering Task Force的缩写。但IETF负责维护的RFCInternet上一切规范的基础。

3UCS-2UCS-4BMP

UCS有两种格式:UCS-2UCS-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-22^16=65536个码位,UCS-42^31=2147483648个码位。

UCS-4根据最高位为0的最高字节分成2^7=128group。每个group再根据次高字节分为256plane。每个plane根据第3个字节分为256 (rows),每行包含256cells。当然同一行的cells只是最后一个字节不同,其余都相同。

group 0plane 0被称作Basic Multilingual Plane, BMP。或者说UCS-4中,高两个字节为0的码位被称作BMP

UCS-4BMP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-4BMP。而目前的UCS-4规范中还没有任何字符被分配在BMP之外。

4UTF编码

UTF-8就是以8位为单元对UCS进行编码。从UCS-2UTF-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

例如字的Unicode编码是6C496C490800-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-1616位为单元对UCS进行编码。对于小于0x10000UCS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0x10000UCS码,定义了一个算法。不过由于实际使用的UCS2,或者UCS4BMP必然小于0x10000,所以就目前而言,可以认为UTF-16UCS-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。

5UTF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Unicode编码是594EUnicode编码是4E59。如果我们收到UTF-16字节流“594E”,那么这是还是

Unicode规范中推荐的标记字节顺序的方法是BOMBOM不是“Bill Of Material”BOM表,而是Byte Order MarkBOM是一个有点小聪明的想法:

UCS编码中有一个叫做"ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE"的字符,它的编码是FEFF。而FFFEUCS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"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:

  1. "Understanding Unicode A general introduction to the Unicode Standard" (http://scripts.sil.org/cms/scripts/page.php?site_id=nrsi&item_id=IWS-Chapter04a)
  2. "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-8UCS-2GBK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。

 

 

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。

posted on 2008-11-07 22:14 肥仔 阅读(359) 评论(0)  编辑 收藏 引用 所属分类: 字符编码


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