汉字编码及区位码查询算法

为了使每一个汉字有一个全国统一的代码,1980年,我国颁布了第一个汉字编码的国家标准:GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集》基本集,这个字符集是我国中文信息处理技术的发展基础,也是目前国内所有汉字系统的统一标准。到了后来又公布了国家标准GB18030-2000《信息交换用汉字编码字符集基本集的扩充》,简称GB18030。由于国标码是四位十六进制,为了便于交流,大家常用的是四位十进制的区位码。所有的国标汉字与符号组成一个94×94的矩阵。在此方阵中,每一行称为一个"区",每一列称为一个"位",因此,这个方阵实际上组成了一个有94个区(区号分别为0 1到94)、每个区内有94个位(位号分别为01到94)的汉字字符集。一个汉字所在的区号和位号简单地组合在一起就构成了该汉字的"区位码"。在汉字的区位码中,高两位为区号,低两位为位号。在区位码中,01-09区为682个特殊字符,16-87区为汉字区,包含6763个汉字 。其中16-55区为一级汉字(3755个最常用的汉字,按拼音字母的次序排列),56-87区为二级汉字(3008个汉字,按部首次序排列)。
    从汉字到区位码的转换。区位码是与汉字一一对应的编码,用四位数字表示, 前两位从01 到94称区码,后两位从01到94称位码。 一个汉字的前一半为“160+区码”的字符,后一半为“160+ 位码”的字符。例如:“刘”的区位码是 3385,其意为区码33位码85,它是由160+33=193和160+85=245的两个字节组成。即 0xC1F5,它就是汉字的 gb2312 编码。
下面程序将汉字 gb2312 转为相应的区位码:

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;
int main()
{
   // temp[0] 为高字节,temp[1] 为低字节
   // 当输入单个 ascii 字符时,只存进 temp[0]
   // 当输入的不是中文或单个 ascii 字符时,程序退出
   unsigned char temp[2];
   cin >> temp;
   while(temp[1])
   {
      cout << setw(2) << setfill('0') << temp[0] - 160;  // 高 2 位
      cout << setw(2) << setfill('0') << temp[1] - 160 << endl; // 低 2 位
      // 输入下一个字符前,先将 temp[1] 清零
      temp[1] = 0;
      cin >> temp;
   }
   return 0;
}

字符编码简介
    Unicode是一种字符编码规范。先从ASCII说起。ASCII是用来表示英文字符的一种编码规范,每个ASCII字符占用1个字节(8bits)。因此,ASCII编码可以表示的最大字符数是256,其实英文字符并没有那么多,一般只用前128个(最高位为0),其中包括了控制字符、数字、大小写字母和其他一些符号 。而最高位为1的另128个字符被成为“扩展ASCII”,一般用来存放英文的制表符、部分音标字符等等的一些其他符号。这种字符编码规范显然用来处理英文没有什么问题。(实际上也可以用来处理法文、德文等一些其他的西欧字符,但是不能和英文通用),但是面对中文、阿拉伯文之类复杂的文字,255个字符显然不够用,于是,各个国家纷纷制定了自己的文字编码规范,其中中文的文字编码规范叫做“GB2312-80”,它是和ASCII兼容的一种编码规范,其实就是利用扩展ASCII没有真正标准化这一点,把一个中文字符用两个扩展ASCII字符来表示。但是这个方法有问题,最大的问题就是,中文文字没有真正属于自己的编码,因为扩展ASCII码虽然没有真正的标准化,但是PC里的ASCII码还是有一个事实标准的(存放着英文制表符),所以很多软件利用这些符号来画表格。这样的软件用到中文系统中,这些表格符就会被误认作中文字,破坏版面。而且,统计中英文混合字符串中的字数,也是比较复杂的,我们必须判断一个ASCII码是否扩展,以及它的下一个ASCII是否扩展,然后才“猜”那可能是一个中文字 。
    总之当时处理中文是很痛苦的。而更痛苦的是GB2312是国家标准,台湾当时有一个Big5编码标准,很多编码和GB是相同的,所以……,嘿嘿。这时候,我们就知道,要真正解决中文问题,不能从扩展ASCII的角度入手,也不能仅靠中国一家来解决。而必须有一个全新的编码系统,这个系统要可以将中文、英文、法文、德文……等等所有的文字统一起来考虑,为每个文字都分配一个单独的编码,这样才不会有上面那种现象出现。于是,Unicode诞生了。
    Unicode有两套标准,一套叫UCS-2(Unicode-16),用2个字节为字符编码,另一套叫UCS-4(Unicode-32),用4个字节为字符编码。以目前常用的UCS-2为例,它可以表示的字符数为2^16=65535,基本上可以容纳所有的欧美字符和绝大部分的亚洲字符 。UTF-8的问题后面会提到。在Unicode里,所有的字符被一视同仁。汉字不再使用“两个扩展ASCII”,而是使用“1个Unicode”,注意,现在的汉字是“一个字符”了,于是,拆字、统计字数这些问题也就自然而然的解决了。但是,这个世界不是理想的,不可能在一夜之间所有的系统都使用Unicode来处理字符,所以Unicode在诞生之日,就必须考虑一个严峻的问题:和ASCII字符集之间的不兼容问题。我们知道,ASCII字符是单个字节的,比如“A”的ASCII是65。而Unicode是双字节的,比如“A”的Unicode是0065,这就造成了一个非常大的问题:以前处理ASCII的那套机制不能被用来处理Unicode了。另一个更加严重的问题是,C语言使用'\0'作为字符串结尾,而Unicode里恰恰有很多字符都有一个字节为0,这样一来,C语言的字符串函数将无法正常处理Unicode,除非把世界上所有用C写的程序以及他们所用的函数库全部换掉。于是,比Unicode更伟大的东东诞生了,之所以说它更伟大是因为它让Unicode不再存在于纸上,而是真实的存在于我们大家的电脑中。那就是:UTF。UTF = UCS Transformation Format UCS转换格式。它是将Unicode编码规则和计算机的实际编码对应起来的一个规则。现在流行的UTF有2种:UTF-8和UTF-16。其中UTF-16和上面提到的Unicode本身的编码规范是一致的,这里不多说了。而UTF-8不同,它定义了一种“区间规则”,这种规则可以和ASCII编码保持最大程度的兼容。UTF-8有点类似于Haffman编码,它将Unicode编码为00000000-0000007F的字符,用单个字节来表示;00000080-000007FF的字符用两个字节表示00000800-0000FFFF的字符用3字节表示。因为目前为止Unicode-16规范没有指定FFFF以上的字符,所以UTF-8最多是使用3个字节来表示一个字符。但理论上来说,UTF-8最多需要用6字节表示一个字符。在UTF-8里,英文字符仍然跟ASCII编码一样,因此原先的函数库可以继续使用。而中文的编码范围是在0080-07FF之间,因此是2个字节表示(但这两个字节和GB编码的两个字节是不同的),用专门的Unicode处理类可以对UTF编码进行处理。
    下面说说中文的问题。由于历史的原因,在Unicode之前,一共存在过3套中文编码标准。GB2312-80,是中国大陆使用的国家标准,其中一共编码了6763个常用简体汉字。Big5,是台湾使用的编码标准,编码了台湾使用的繁体汉字,大概有8千多个。HKSCS,是中国香港使用的编码标准,字体也是繁体,但跟Big5有所不同。这3套编码标准都采用了两个扩展ASCII的方法,因此,几套编码互不兼容,而且编码区间也各有不同。因为其不兼容性,在同一个系统中同时显示GB和Big5基本上是不可能的。后来,由于各方面的原因,国际上又制定了针对中文的统一字符集GBK和GB18030,其中GBK已经在Windows、Linux等多种操作系统中被实现。GBK兼容GB2312,并增加了大量不常用汉字,还加入了几乎所有的Big5中的繁体汉字。但是GBK中的繁体汉字和Big5中的几乎不兼容。GB18030相当于是GBK的超集,比GBK包含的字符更多。
    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?
    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。若是将49写在前面,就是little endian。
 
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。
    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。
    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。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。
 
3、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。
    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。
 
4、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。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。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。

posted on 2010-07-30 09:18 wrh 阅读(633) 评论(0)  编辑 收藏 引用


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