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更新时间:2016-05-02
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字符编码:ASCII,Unicode和UTF-8以及GBK

来源:互联网   作者:东坡网搜集整理   发布日期:2016-06-20 15:56:05   阅读次数:406

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。

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。

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"。

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(字符用两个字节或四个字节表示)和UTF-32(字符用四个字节表示),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

跟据上表,解读UTF-8编码非常简单。如果一个字节的第一位是0,则这个字节单独就是一个字符;如果第一位是1,则连续有多少个1,就表示当前字符占用多少个字节。

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。

bg2007102801.jpg

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。

8、GBK编码

 汉字内码扩展规范,称GBK,全名为《汉字内码扩展规范(GBK)》1.0版,由中华人民共和国全国信息技术标准化技术委员会1995年12月1日制订,国家技术监督局标准化司和电子工业部科技与质量监督司1995年12月15日联合以《技术标函[1995]229号》文件的形式公布。

字符有一字节和双字节编码,00–7F范围内是第一个字节,和ASCII保持一致,此范围内严格上说有96个文字和32个控制符号。

之后的双字节中,前一字节是双字节的第一位。总体上说第一字节的范围是81–FE(也就是不含80和FF),第二字节的一部分领域在40–7E,其他领域在80–FE。

GBK向下完全兼容GB2312-80编码。支持GB2312-80编码不支持的部分中文姓,中文繁体,日文假名,还包括希腊字母以及俄语字母等字母。不过这种编码不支持韩国字,也是其在实际使用中与unicode编码相比欠缺的部分。

上述GBK/1和GBK/2的领域即GB 2312-80用通常方法编码的区域。GB 2312(正确说法是其根据EUC-CN的编码)和ISO/IEC 2022中调用GR其他的94?字符集一样,A1–FE的范围开始读取字节对。这是上图中右下角的部分。但是,GB 2312中对于AA–AF和F8–FE区域是空的,没有赋予编码。于是GBK就在这些领域里进行拓展。二者剩余部分作为用户定义区。

更重要的是,GBK进行了字节范围的扩展。ISO/IEC 2022中GR区域的字数有94?=8,836字的限制。只要放弃ISO/IEC 2022中针对图形文字和控制文字赋予严格的范围的模式,下位字节为单字节文字,上位字节对保留对应字符的功能,潜在的128?=16,384的代码位置就可以使用。GBK采用其中的一部分,第一个字节从A1–FE(每个字节有94个选项)扩展成81–FE(126个选项),第二字节的范围是40–FE(191个选项),总共有24066(126*191)个位置。

微软的CP936通常被视为等同GBK,连IANA也以“CP936”为“GBK”之别名[1]。事实上比较起来,GBK定义之字符较CP936多出95字(15个非汉字及80个汉字),皆为其时未收入ISO 10646 / Unicode之符号。

9、常用概念

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。

10、php编码相关的常用函数

int ord ( string $string ) //返回字符串 string 第一个字符的 ASCII 码值。
string chr ( int $ascii ) //返回相对应于 ascii所指定的单个字符。
string mb_convert_encoding ( string str, string to_encoding [, mixed from_encoding] )
string iconv ( string in_charset, string out_charset, string str )

iconv第二个参数,除了可以指定要转化到的编码以外,还可以增加两个后缀://TRANSLIT 和 //IGNORE,其中://TRANSLIT 会自动将不能直接转化的字符变成一个或多个近似的字符,//IGNORE 会忽略掉不能转化的字符,而默认效果是从第一个非法字符截断。

执行效率mb_convert_encoding 比iconv差。一般情况下用iconv,只有当遇到无法确定原编码是何种编码,或者iconv转化后无法正常显示时才用mb_convert_encoding 函数。

string decbin ( int $number ) //十进制转换为二进制,所能转换的最大数值为十进制的 4294967295,其结果为 32 个 1 的字符串。
string decoct ( int $number ) //十进制转换为八进制,所能转换的最大数值为十进制的 4294967295,其结果为 "37777777777"。
string dechex ( int $number ) //十进制转换为十六进制,所能转换的最大数值为十进制的 4294967295,其结果为 "ffffffff"。
string bin2hex ( string $str ) //将二进制数据转换成十六进制表示,返回 ASCII 字符串,为参数 str的十六进制表示。转换使用字节方式,高四位字节优先。
number bindec ( string $binary_string ) //将一个二进制数转换成 integer。可转换的最大的数为 31 位 1 或者说十进制的 2147483647。
string base_convert ( string $number , int $frombase , int $tobase ) //在任意进制之间转换数字,number本身的进制由 frombase 指定。frombase和 tobase 都只能在 2 和 36 之间(包括 2 和 36)。高于十进制的数字用字母 a-z 表示,例如 a 表示 10,b 表示 11 以及 z 表示 35。
//汉字转换为16进制编码
function hexEncode($s){
	return preg_replace('/(.)/es',"str_pad(dechex(ord('\\1')),2,'0',STR_PAD_LEFT)",$s);
}
//16进制编码转换为汉字
function hexDecode($s){
	return preg_replace('/(\w{2})/e',"chr(hexdec('\\1'))",$s);
}
//将汉字切割成数组
function mb_string_to_array($str,$charset,$num){
	$strlen=mb_strlen($str,$charset);
	$array=array();
	while($strlen){
		$array[]=mb_substr($str,0,$num,$charset);
		$str=mb_substr($str,$num,$strlen,$charset);
		$strlen=mb_strlen($str);
	}
	return $array;
}
//截取汉字
function hz_substr($str,$start,$length=null){
	$res=substr($str,$start,$length);
	$strlen=strlen($str);
	if($start>=0){
		$next_start=$start+$length;
		$next_len=$next_start+6<=$strlen?6:$strlen-$next_start;
		$next_segm=substr($str,$next_start,$next_len);
		$prev_start=$start-6>0?$start-6:0;
		$prev_segm=substr($str,$prev_start,$start-$prev_start);
	}
	else{
		$next_start=$strlen+$start+$length;
		$next_len=$next_start+6<=$strlen?6:$strlen-$next_start;
		$next_segm=substr($str,$next_start,$next_len);
		$start=$strlen+$start;
		$prev_start=$start-6>0?$start-6:0;
		$prev_segm=substr($str,$prev_start,$start-$prev_start);
	}
	if(preg_match('@^([\x80-\xBF]{0,5})[\xC0-\xFD]?@',$next_segm,$bytes)){
		if(!empty($bytes[1])){
			$bytes=$bytes[1];
			$res.=$bytes;
		}
	}
	$ord0=ord($res[0]);
	if(128<=$ord0&&191>=$ord0){
		if(preg_match('@[\xC0-\xFD][\x80-\xBF]{0,5}$@',$prev_segm,$bytes)){
			if(!empty($bytes[0])){
				$bytes=$bytes[0];
				$res=$bytes.$res;
			}
		}
	}
	return $res;
}
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