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字符集与字符编码

微机原理 彭东稳 9122次浏览 已收录 0个评论

一、为什么会出现乱码?

乱码的英文说法是mojibake,简单地说乱码的出现是因为:编码和解码时用了不同或者不兼容的字符集。对应到真实生活中,就好比是一个英国人为了表示祝福在纸上写了bless(编码过程)。而一个法国人拿到了这张纸,由于在法语中bless表示受伤的意思,所以认为他想表达的是受伤(解码过程)。这个就是一个现实生活中的乱码情况。在计算机科学中一样,一个用UTF-8编码后的字符,用GBK去解码。由于两个字符集的字库表不一样,同一个汉字在两个字符表的位置也不同,最终就会出现乱码。

我们来看一个例子:假设我们用UTF-8编码存储很屌两个字,会有如下转换:

字符集与字符编码

于是我们得到了E5BE88E5B18C这么一串数值。而显示时我们用GBK解码进行展示,通过查表我们获得以下信息:

字符集与字符编码

解码后我们就得到了寰堝睂这么一个错误的结果,更要命的是连字符个数都变了。

二、字符集和字符编码

2.1 基础

首先要理解当我们在计算机屏幕上看到的是实体化的文字,其实在计算机存储介质中存放的实际是二进制的比特流。那么文字与二进制比特流这两者之间的转换就需要一个规则(这就是编码),当有了规则之后就需要有标准(这就是字符集)。所以在字体显示程序与存储之间就有这么一种标准,如果没有这种标准的规则来做字符的转换,那么就会出现我们常见的乱码。简单地说字符集就规定了某个文字对应的二进制数字存放方式(编码)和某串二进制数值代表了哪个文字(解码)的转换关系。

字符(Character):是一个信息单位,在计算机里面,一个中文汉字是一个字符,一个英文字母是一个字符,一个阿拉伯数字是一个字符,一个标点符号也是一个字符。

字符集(Charset):是一个系统支持的所有抽象字符的集合。通常以二维表的形式存在,二维表的内容和大小是由使用者的语言而定,可以是英语,是汉语,或者阿拉伯语。

字符编码(Character Encoding):是一套法则,使用该法则能够对自然语言的字符的一个集合(如字母表或音节表),与其他东西的一个集合(如号码或电脉冲)进行配对。在这里我们把字符集中的字符编码为特定的二进制数,以便在计算机中存储。编码方式一般就是对二维表的横纵坐标进行变换的算法。即在符号集合与数字系统之间建立对应关系,它是信息处理的一项基本技术。即:字符——–(翻译过程)——->二进制数。

2.2 常用字符集和字符编码

字符集和字符编码一般都是成对出现的,如ASCII、GBK、Unicode、UTF-8等,都是即表示了字符集又表示了对应的字符编码,以后统称为编码。

那么为什么会有那么多字符集呢?这个问题实际非常容易回答。问问自己为什么我们的插头拿到英国就不能用了呢?为什么显示器同时有DVI,VGA,HDMI,DP这么多接口呢?很多规范和标准在最初制定时并不会意识到这将会是以后全球普适的准则,或者处于组织本身利益就想从本质上区别于现有标准。于是,就产生了那么多具有相同效果但又不相互兼容的标准了。

三、ASCII编码

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(2的8次方),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,开始计算机只在美国用。所以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,他们把其中的编号从0开始的32种状态分别规定了特殊的用途,一但终端、打印机遇上约定好的这些字节被传过来时,就要做一些约定的动作。遇上0×10, 终端就换行,遇上0×07,终端就向人们嘟嘟叫,例好遇上0x1b,打印机就打印反白的字,或者终端就用彩色显示字母。他们看到这样很好,于是就把这些0×20以下的字节状态称为”控制码”。

他们又把所有的空格、标点符号、数字、大小写字母分别用连续的字节状态表示,一直编到了第127号。这样计算机就可以用不同字节来存储英语的文字了,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,最前面的一位统一规定为0。大家看到这样,都感觉很好,于是大家都把这个方案叫做ANSI的”Ascii”编码(American Standard Code for Information Interchange,美国信息互换标准代码)。

四、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130编码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。所以从128到255这一页的编码被称”扩展编码“。

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/GB18030,使用两个字节表示一个汉字,所以理论上最多可以表示256 x 256 = 65536个符号。

中文编码的问题比较复杂,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。

五、字符编码过渡期

上面在说了ASCII编码的问题之后,当计算机传到了亚洲,尤其是东亚,国际标准被秒杀了,路边小孩随便说句话,256个码位就不够用了。于是各个国家都制定了自己国家相关的字符编码。Unicode没出现之前字符编码是一片混乱。

5.1 GB2312

中国人们得到计算机时,已经没有可以利用的字节状态来表示汉字,况且有6000多个常用汉字需要保存呢。但是这难不倒智慧的中国人民,我们不客气地把那些127号之后的奇异符号们直接取消掉,规定:一个小于127的字符的意义与原来的ASCII字符集相同,但两个大于127的字符连在一起时,就表示一个汉字,前面的一个字节(他称之为高字节)从0xA1用到 0xF7,后面一个字节(低字节)从0xA1到0xFE,这样我们就可以组合出大约7000多个简体汉字了。在这些编码里,我们还把数学符号、罗马希腊的字母、日文的假名们都编进去了,连在 ASCII 里本来就有的数字、标点、字母都统统重新编了两个字节长的编码,这就是常说的”全角”字符,而原来在127号以下的那些就叫”半角”字符了。中国人民看到这样很不错,于是就把这种汉字方案叫做 “GB2312“。GB2312 是对 ASCII 的中文扩展。

5.2 GBK

但是中国的汉字太多了,我们很快就就发现有许多人的人名没有办法在这里打出来,特别是某些很会麻烦别人的国家领导人。于是我们不得不继续把 GB2312 没有用到的码位找出来用上。 后来还是不够用,于是干脆不再要求低字节一定是127号之后的内码,只要第一个字节是大于127就固定表示这是一个汉字的开始,不管后面跟的是不是扩展字符集里的内容。结果扩展之后的编码方案被称为”GBK“标准,GBK包括了GB2312 的所有内容,同时又增加了近20000个新的汉字(包括繁体字)和符号。

5.3 GB18030

后来少数民族也要用电脑了,于是我们再扩展,又加了几千个新的少数民族的字,GBK扩成了”GB18030“。从此之后,中华民族的文化就可以在计算机时代中传承了。 中国的程序员们看到这一系列汉字编码的标准是好的,于是通称他们叫做 “DBCS“(Double Byte Charecter Set 双字节字符集)。在DBCS系列标准里,最大的特点是两字节长的汉字字符和一字节长的英文字符并存于同一套编码方案里,因此他们写的程序为了支持中文处理,必须要注意字串里的每一个字节的值,如果这个值是大于127的,那么就认为一个双字节字符集里的字符出现了。那时候凡是受过加持,会编程的计算机僧侣们都要每天念下面这个咒语数百遍: “一个汉字算两个英文字符!一个汉字算两个英文字符……”

5.4 BIG5

因为当时各个国家都像中国这样搞出一套自己的编码标准,结果互相之间谁也不懂谁的编码,谁也不支持别人的编码,比如日本有Shift_JIS、韩国有Euc-kr、连大陆和台湾这样只相隔了150海里,使用着同一种语言的兄弟地区,也分别采用了不同的DBCS编码方案——当时的中国人想让电脑显示汉字,就必须装上一个”汉字系统”,专门用来处理汉字的显示、输入的问题,但是那个台湾的愚昧封建人士写的算命程序就必须加装另一套支持“BIG5”编码的什么”倚天汉字系统”才可以用,装错了字符系统,显示就会乱了套!

六、Unicode字符编码

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就是为了解决传统的字符编码方案的局限而产生的,由ISO(国际标谁化组织)的国际组织决定着手解决这个问题。Unicode是可以容纳世界上所有文字和符号的字符集方案。他们采用的方法很简单:废了所有的地区性编码方案,重新搞一个包括了地球上所有文化、所有字母和符号的编码!它为每种语言中的每个字符设定了统一并且唯一的二进制编码,以满足跨语言、跨平台进行文本转换、处理的要求。1990年开始研发,1994年正式公布。

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。Unicode标准始终使用十六进制数字,每个符号的编码都不一样,而且在书写时在前面加上前缀“U+”。比如,U+0639表示阿拉伯字母AinU+0041表示英语的大写字母AU+4E25表示汉字。具体的符号对应表,可以查询unicode.org,或者专门的汉字对应表

七、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。虽然说Unicode开始制订时,计算机的存储器容量极大地发展了,空间再也不成为问题了。

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。

七、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,UTF全称是“Unicode Transformation Format”的缩写,可以翻译成Unicode转换格式,即怎样将Unicode定义的数字转换成程序数据。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。

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,还是以汉字为例,演示如何实现 UTF-8 编码。

的Unicode是4E25100111000100101),根据上表,可以发现4E25处在第三行的范围内(0000 0800 - 0000 FFFF),因此的 UTF-8编码需要三个字节,即格式是1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。然后,从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,的UTF-8编码是11100100 10111000 10100101,转换成十六进制就是E4B8A5

八、Base64编码

有的电子邮件系统(比如国外信箱)不支持非英文字母(比如汉字)传输,这是历史原因造成的(认为只有美国会使用电子邮件?)。因为一个英文字母使用ASCII编码来存储,占存储器的1个字节(8位),实际上只用了7位2进制来存储,第一位并没有使用,设置为0。所以,这样的系统认为凡是第一位是1的字节都是错误的。而有的编码方案(比如GB2312)不但使用多个字节编码一个字符,并且第一位经常是1,于是邮件系统就把1换成0,这样收到邮件的人就会发现邮件乱码。

为了能让邮件系统正常的收发信件,就需要把由其他编码存储的符号转换成ASCII码来传输。比如,在一端发送GB2312编码->根据Base64规则->转换成ASCII码,接收端收到ASCII码->根据Base64规则->还原到GB2312编码。

九、补充

Unicode:包容万国,优点是字符->数字的转换速度快,缺点是占用空间大。

UTF-8:精准,对不同的字符用不同的长度表示,优点是节省空间,缺点是:字符->数字的转换速度慢,因为每次都需要计算出字符需要多长的Bytes才能够准确表示。

所以一般在内存中使用的编码是unicode,用空间换时间,为了快。因为程序都需要加载到内存才能运行,因而内存应该是尽可能的保证快。但硬盘中或者网络传输用utf-8,网络I/O延迟或磁盘I/O延迟要远大与utf-8的转换延迟,而且I/O应该是尽可能地节省带宽,保证数据传输的稳定性。因为数据的传输,追求的是稳定,高效,数据量越小数据传输就越靠谱,于是都转成utf-8格式的,而不是unicode。

如下图:

字符集与字符编码

<参考>

Python的字符编码

字符编码笔记:ASCII,Unicode 和 UTF-8


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