淺析計算機字符集和編碼

什么是字符集呢?

我們知道,在計算機內部,所有信息都是二進制表示的,二進制對于計算機來說是極為重要的,可以想象成一個開關的閉開信號,只有 0 1兩種狀態。計算機中 8個二進制(8位)代表一個字節,也就是說一個字節可以代表256種可能,于是上個世紀60年代,美國制定了一套字符集,對英語字符與二進制位之間的關系,做了統一規定。這被稱為ASCII碼,一直沿用至今,ASCII碼一共規定了128個字符的編碼,比如空格"SPACE"是32(二進制00100000),大寫的字母A是65(二進制01000001)。這128個符號(包括32個不能打印出來的控制符號),只占用了一個字節的后面7位,最前面的1位統一規定為0。

英語用128個字符就夠了,但是世界上還有各種各樣的語言字符,如中文,就有上萬個。這樣子,即使是256個也不夠用,而且也無法統一。比如,一個二進制數可能會對應著各個國家不同的符號,這樣子我們打開一個文件,如果不知道這個文件的編碼方式,那就會亂碼,完全看不懂。

這樣子,Unicode 字符集就出現了,它將世界上所有的字符都納入其中了,在unicode字符集中,每一個符號都對應著一個獨一無二的編碼,如4E25表示漢字

Unicode的問題

需要注意的是,Unicode只是一個符號集,它只規定了符號的二進制代碼,卻沒有規定這個二進制代碼應該如何存儲
比如,漢字unicode是十六進制數4E25,轉換成二進制數足足有15位(100111000100101),也就是說這個符號的表示至少需要2個字節。表示其他更大的符號,可能需要3個字節或者4個字節,甚至更多。
這里就有兩個嚴重的問題:

  • 第一個問題是,如何才能區別UnicodeASCII?計算機怎么知道三個字節表示一個符號,而不是分別表示三個符號呢?
  • 第二個問題是,我們已經知道,英文字母只用一個字節表示就夠了,如果Unicode統一規定,每個符號用三個或四個字節表示,那么每個英文字母前都必然有二到三個字節是0,這對于存儲來說是極大的浪費,文本文件的大小會因此大出二三倍,這是無法接受的。

它們造成的結果是:

  • 出現了Unicode的多種存儲方式,也就是說有許多種不同的二進制格式,可以用來表示Unicode。
  • Unicode在很長一段時間內無法推廣,直到互聯網的出現。

編碼和字符集的區別

如上文所說,符號集只規定了符號的二進制代碼,卻沒有規定這個二進制代碼應該如何存儲,而編碼則可以說是指定字符集的具體實現方式,如 UTF-8UTF-16就是Unicode字符集的實現方式

UTF-8

互聯網的普及,強烈要求出現一種統一的編碼方式。UTF-8就是在互聯網上使用最廣的一種Unicode的實現方式。其他實現方式還包括UTF-16(字符用兩個字節或四個字節表示)和UTF-32(字符用四個字節表示),不過在互聯網上基本不用。重復一遍,這里的關系是,UTF-8Unicode的實現方式之一。
UTF-8最大的一個特點,就是它是一種變長的編碼方式。它可以使用1~4個字節表示一個符號,根據不同的符號而變化字節長度。
UTF-8的編碼規則很簡單,只有二條:

  • 對于單字節的符號,字節的第一位設為0,后面7位為這個符號的unicode碼。因此對于英語字母,UTF-8編碼和ASCII碼是相同的。
  • 對于n字節的符號(n>1),第一個字節的前n位都設為1,第n+1位設為0,后面字節的前兩位一律設為10。剩下的沒有提及的二進制位,全部為這個符號的unicode碼。
下表總結了編碼規則,字母x表示可用編碼的位。
Unicode符號范圍(十六進制) UTF-8編碼方式(二進制)
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

跟據上表,解讀UTF-8編碼非常簡單。如果一個字節的第一位是0,則這個字節單獨就是一個字符;如果第一位是1,則連續有多少個1,就表示當前字符占用多少個字節。
下面,還是以漢字為例,演示如何實現UTF-8編碼。
已知的unicode是4E25(100111000100101),根據上表,可以發現4E25處在第三行的范圍內(0000 0800-0000 FFFF),因此的UTF-8編碼需要三個字節,即格式是1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。然后,從的最后一個二進制位開始,依次從后向前填入格式中的x,多出的位補0。這樣就得到了,的UTF-8編碼是11100100 10111000 10100101,轉換成十六進制就是E4B8A5

Little endian和Big endian

Unicode碼可以采用兩個字節格式直接存儲。以漢字為例,Unicode碼是4E25,需要用兩個字節存儲,一個字節是4E,另一個字節是25。存儲的時候,4E在前,25在后,就是Big endian方式;25在前,4E在后,就是Little endian方式。
因此,第一個字節在前,就是"大頭方式"(Big endian),第二個字節在前就是"小頭方式"(Little endian)
那么很自然的,就會出現一個問題:計算機怎么知道某一個文件到底采用哪一種方式編碼?
Unicode規范中定義,每一個文件的最前面分別加入一個表示編碼順序的字符(BOM頭),這個字符的名字叫做"零寬度非換行空格"(ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE),用FEFF表示。這正好是兩個字節,而且FF比FE大1。
如果一個文本文件的頭兩個字節是FE FF,就表示該文件采用大頭方式;如果頭兩個字節是FF FE,就表示該文件采用小頭方式。

本文參考阮一峰博客關于編碼的介紹

最后編輯于
?著作權歸作者所有,轉載或內容合作請聯系作者
平臺聲明:文章內容(如有圖片或視頻亦包括在內)由作者上傳并發布,文章內容僅代表作者本人觀點,簡書系信息發布平臺,僅提供信息存儲服務。
  • 序言:七十年代末,一起剝皮案震驚了整個濱河市,隨后出現的幾起案子,更是在濱河造成了極大的恐慌,老刑警劉巖,帶你破解...
    沈念sama閱讀 230,247評論 6 543
  • 序言:濱河連續發生了三起死亡事件,死亡現場離奇詭異,居然都是意外死亡,警方通過查閱死者的電腦和手機,發現死者居然都...
    沈念sama閱讀 99,520評論 3 429
  • 文/潘曉璐 我一進店門,熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來,“玉大人,你說我怎么就攤上這事。” “怎么了?”我有些...
    開封第一講書人閱讀 178,362評論 0 383
  • 文/不壞的土叔 我叫張陵,是天一觀的道長。 經常有香客問我,道長,這世上最難降的妖魔是什么? 我笑而不...
    開封第一講書人閱讀 63,805評論 1 317
  • 正文 為了忘掉前任,我火速辦了婚禮,結果婚禮上,老公的妹妹穿的比我還像新娘。我一直安慰自己,他們只是感情好,可當我...
    茶點故事閱讀 72,541評論 6 412
  • 文/花漫 我一把揭開白布。 她就那樣靜靜地躺著,像睡著了一般。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪。 梳的紋絲不亂的頭發上,一...
    開封第一講書人閱讀 55,896評論 1 328
  • 那天,我揣著相機與錄音,去河邊找鬼。 笑死,一個胖子當著我的面吹牛,可吹牛的內容都是我干的。 我是一名探鬼主播,決...
    沈念sama閱讀 43,887評論 3 447
  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開眼,長吁一口氣:“原來是場噩夢啊……” “哼!你這毒婦竟也來了?” 一聲冷哼從身側響起,我...
    開封第一講書人閱讀 43,062評論 0 290
  • 序言:老撾萬榮一對情侶失蹤,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎,沒想到半個月后,有當地人在樹林里發現了一具尸體,經...
    沈念sama閱讀 49,608評論 1 336
  • 正文 獨居荒郊野嶺守林人離奇死亡,尸身上長有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內容為張勛視角 年9月15日...
    茶點故事閱讀 41,356評論 3 358
  • 正文 我和宋清朗相戀三年,在試婚紗的時候發現自己被綠了。 大學時的朋友給我發了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片。...
    茶點故事閱讀 43,555評論 1 374
  • 序言:一個原本活蹦亂跳的男人離奇死亡,死狀恐怖,靈堂內的尸體忽然破棺而出,到底是詐尸還是另有隱情,我是刑警寧澤,帶...
    沈念sama閱讀 39,077評論 5 364
  • 正文 年R本政府宣布,位于F島的核電站,受9級特大地震影響,放射性物質發生泄漏。R本人自食惡果不足惜,卻給世界環境...
    茶點故事閱讀 44,769評論 3 349
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望。 院中可真熱鬧,春花似錦、人聲如沸。這莊子的主人今日做“春日...
    開封第一講書人閱讀 35,175評論 0 28
  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽。三九已至,卻和暖如春,著一層夾襖步出監牢的瞬間,已是汗流浹背。 一陣腳步聲響...
    開封第一講書人閱讀 36,489評論 1 295
  • 我被黑心中介騙來泰國打工, 沒想到剛下飛機就差點兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道東北人。 一個月前我還...
    沈念sama閱讀 52,289評論 3 400
  • 正文 我出身青樓,卻偏偏與公主長得像,于是被迫代替她去往敵國和親。 傳聞我的和親對象是個殘疾皇子,可洞房花燭夜當晚...
    茶點故事閱讀 48,516評論 2 379

推薦閱讀更多精彩內容