字符编码

Unicode

What Unicode ?

Unicode源于一个很简单的想法:将全世界所有的字符包含在一个集合里,计算机只要支持这一个字符集,就能显示所有的字符,再也不会有乱码了。
Unicode源于一个很简单的想法:将全世界所有的字符包含在一个集合里,计算机只要支持这一个字符集,就能显示所有的字符,再也不会有乱码了。
U+0000 = null
U+表示紧跟在后面的十六进制数是Unicode的码点

Unicode 编号规则

Unicode
  1. 1.
    从 0 开始编号 U+0000 = null
  2. 3.
    共计137,374个符号,包含CJK字符74500个(68%)
  3. 4.
    2^16(65535)个号码组成一个平面
  4. 5.
    目前有17个平面,整个空间大小:2^21
  5. 6.
    1个基本平面(BMP):U+0000 ~ U+FFFF
  6. 7.
    16个辅助平面(SMP): U+010000 ~ U+10FFFF
中日韩文字为74500个。可以近似认为,全世界现有的符号当中,三分之二以上来自东亚文字。比如,中文"好"的码点是十六进制的597D
U+597D = 好

分区

这么多符号,Unicode不是一次性定义的,而是分区定义。每个区可以存放65536个(216)字符,称为一个平面(plane)。目前,一共有17个(25)平面,也就是说,整个Unicode字符集的大小现在是221。
Unicode
最前面的65536个字符位,称为基本平面(缩写BMP),它的码点范围是从0一直到(2^16)-1,写成16进制就是从U+0000U+FFFF。所有最常见的字符都放在这个平面,这是Unicode最先定义和公布的一个平面。
剩下的字符都放在辅助平面(缩写SMP),码点范围从U+010000一直到U+10FFFF

UTF-32 VS UTF-8

Unicode只规定了每个字符的码点,到底用什么样的字节序表示这个码点,就涉及到编码方法
最直观的编码方法是,每个码点使用四个字节表示,字节内容一一对应码点。这种编码方法就叫做UTF-32。比如,码点0就用四个字节的0表示,码点597D就在前面加两个字节的0。
U+0000 = 0x0000 0000
U+597D = 0x0000 597D

UTF-32 编码

utf-32
  1. 1.
    4个字节表示一个字符
  2. 2.
    完全对应 Unicode 编码(比如:字母a=0x00000061
  3. 3.
    Pro: 查找效率高,时间复杂度o(1)
  4. 4.
    Con: 浪费空间。比相同 ASCII 编码文件大4倍
UTF-32的优点在于,转换规则简单直观,查找效率高。缺点在于浪费空间,同样内容的英语文本,它会比ASCII编码大四倍。这个缺点很致命,导致实际上没有人使用这种编码方法,HTML 5标准就明文规定,网页不得编码成UTF-32。

如何节省空间的表示法?

人们真正需要的是一种节省空间的编码方法,这导致了UTF-8的诞生。UTF-8是一种变长的编码方法,字符长度从1个字节到4个字节不等。越是常用的字符,字节越短,最前面的128个字符,只使用1个字节表示,与ASCII码完全相同
编号范围
字节
0x0080 - 0x07FF
2
0x0800 - 0xFFFF
3
0x010000 - 0x10FFFF
4
由于UTF-8这种节省空间的特性,导致它成为互联网上最常见的网页编码。不过,参考《字符编码笔记》

UTF-16 简介

UTF-16编码介于UTF-32与UTF-8之间,同时结合了定长和变长两种编码方法的特点。
它的编码规则很简单:基本平面的字符占用2个字节,辅助平面的字符占用4个字节。也就是说,UTF-16的编码长度要么是2个字节(U+0000到U+FFFF),要么是4个字节(U+010000到U+10FFFF)。
utf-16
于是就有一个问题,当我们遇到两个字节,怎么看出它本身是一个字符,还是需要跟其他两个字节放在一起解读?
说来很巧妙,我也不知道是不是故意的设计,在基本平面内,从U+D800到U+DFFF是一个空段,即这些码点不对应任何字符。因此,这个空段可以用来映射辅助平面的字符。
具体来说,辅助平面的字符位共有220个,也就是说,对应这些字符至少需要20个二进制位。UTF-16将这20位拆成两半,前10位映射在U+D800到U+DBFF(空间大小210),称为高位(H),后10位映射在U+DC00到U+DFFF(空间大小210),称为低位(L)。这意味着,一个辅助平面的字符,被拆成两个基本平面的字符表示。
utf-16
所以,当我们遇到两个字节,发现它的码点在U+D800到U+DBFF之间,就可以断定,紧跟在后面的两个字节的码点,应该在U+DC00到U+DFFF之间,这四个字节必须放在一起解读。

UTF-16的转码公式

Unicode码点转成UTF-16的时候,首先区分这是基本平面字符,还是辅助平面字符。如果是前者,直接将码点转为对应的十六进制形式,长度为两字节。
U+597D = 0x597D
如果是辅助平面字符,Unicode 3.0版给出了转码公式
H = Math.floor((c-0x10000) / 0x400)+0xD800
L = (c - 0x10000) % 0x400 + 0xDC00
si
以字符(三+-)为例,它是一个辅助平面字符,码点为U+1D306,将其转为UTF-16的计算过程如下。
H = Math.floor((0x1D306-0x10000)/0x400)+0xD800 = 0xD834
L = (0x1D306-0x10000) % 0x400+0xDC00 = 0xDF06
所以,字符(三+-)的UTF-16编码就是0xD834 DF06,长度为四个字节。
si

JavaScript使用哪一种编码?

js-encoding
JavaScript语言采用Unicode字符集,但是只支持一种编码方法。
这种编码既不是UTF-16,也不是UTF-8,更不是UTF-32。上面那些编码方法,JavaScript都不用。
JavaScript用的是UCS-2!
usc-2

UCS-2编码

怎么突然杀出一个UCS-2?这就需要讲一点历史。
互联网还没出现的年代,曾经有两个团队,不约而同想搞统一字符集。一个是1988年成立的Unicode团队,另一个是1989年成立的UCS团队。等到他们发现了对方的存在,很快就达成一致:世界上不需要两套统一字符集。
1991年10月,两个团队决定合并字符集。也就是说,从今以后只发布一套字符集,就是Unicode,并且修订此前发布的字符集,UCS的码点将与Unicode完全一致。
UCS的开发进度快于Unicode,1990年就公布了第一套编码方法UCS-2,使用2个字节表示已经有码点的字符。(那个时候只有一个平面,就是基本平面,所以2个字节就够用了。)UTF-16编码迟至1996年7月才公布,明确宣布是UCS-2的超集,即基本平面字符沿用UCS-2编码,辅助平面字符定义了4个字节的表示方法。
两者的关系简单说,就是UTF-16取代了UCS-2,或者说UCS-2整合进了UTF-16。所以,现在只有UTF-16,没有UCS-2。

JavaScript的诞生背景

那么,为什么JavaScript不选择更高级的UTF-16,而用了已经被淘汰的UCS-2呢?
答案很简单:非不想也,是不能也。因为在JavaScript语言出现的时候,还没有UTF-16编码。
1995年5月,Brendan Eich用了10天设计了JavaScript语言;10月,第一个解释引擎问世;次年11月,Netscape正式向ECMA提交语言标准(整个过程详见《JavaScript诞生记》)。对比UTF-16的发布时间(1996年7月),就会明白Netscape公司那时没有其他选择,只有UCS-2一种编码方法可用!
usc-2

JavaScript字符函数的局限

由于JavaScript只能处理UCS-2编码,造成所有字符在这门语言中都是2个字节,如果是4个字节的字符,会当作两个双字节的字符处理。JavaScript的字符函数都受到这一点的影响,无法返回正确结果。
usc-2
还是以字符(三+-)为例,它的UTF-16编码是4个字节的0xD834 DF06。问题就来了,4个字节的编码不属于UCS-2,JavaScript不认识,只会把它看作单独的两个字符U+D834和U+DF06。前面说过,这两个码点是空的,所以JavaScript会认为是两个空字符组成的字符串!
usc-2
上面代码表示,JavaScript认为字符的长度是2,取到的第一个字符是空字符,取到的第一个字符的码点是0xDB34。这些结果都不正确!
usc-2
解决这个问题,必须对码点做一个判断,然后手动调整。下面是正确的遍历字符串的写法。
while (++index < length) {
// ...
if (charCode >= 0xD800 && charCode <= 0xDBFF) {
output.push(character + string.charAt(++index));
} else {
output.push(character);
}
}
上面代码表示,遍历字符串的时候,必须对码点做一个判断,只要落在0xD800到0xDBFF的区间,就要连同后面2个字节一起读取。
类似的问题存在于所有的JavaScript字符操作函数。
String.prototype.replace()
String.prototype.substring()
String.prototype.slice()
...
上面的函数都只对2字节的码点有效。要正确处理4字节的码点,就必须逐一部署自己的版本,判断一下当前字符的码点范围。

ECMAScript 6

usc-2
JavaScript的下一个版本ECMAScript 6(简称ES6),大幅增强了Unicode支持,基本上解决了这个问题。
正确识别字符
ES6可以自动识别4字节的码点。因此,遍历字符串就简单多了。
for (let s of string ) {
// ...
}
但是,为了保持兼容,length属性还是原来的行为方式。为了得到字符串的正确长度,可以用下面的方式。
Array.from(string).length
码点表示法
JavaScript允许直接用码点表示Unicode字符,写法是"反斜杠+u+码点"。
'好' === '\u597D' // true
但是,这种表示法对4字节的码点无效。ES6修正了这个问题,只要将码点放在大括号内,就能正确识别。
es6-unicode
字符串处理函数
ES6新增了几个专门处理4字节码点的函数。
String.fromCodePoint():从Unicode码点返回对应字符
String.prototype.codePointAt():从字符返回对应的码点
String.prototype.at():返回字符串给定位置的字符
正则表达式
ES6提供了u修饰符,对正则表达式添加4字节码点的支持。
regular
Unicode正规化
有些字符除了字母以外,还有附加符号。比如,汉语拼音的Ǒ,字母上面的声调就是附加符号。对于许多欧洲语言来说,声调符号是非常重要的。
combine-sign
Unicode提供了两种表示方法。一种是带附加符号的单个字符,即一个码点表示一个字符,比如Ǒ的码点是U+01D1;另一种是将附加符号单独作为一个码点,与主体字符复合显示,即两个码点表示一个字符,比如Ǒ可以写成O(U+004F) + ˇ(U+030C)。
// 方法一
'\u01D1'
// 'Ǒ'
// 方法二
'\u004F\u030C'
// 'Ǒ'
这两种表示方法,视觉和语义都完全一样,理应作为等同情况处理。但是,JavaScript无法辨别。
'\u01D1'==='\u004F\u030C'
//false
ES6提供了normalize方法,允许"Unicode正规化",即将两种方法转为同样的序列。
'\u01D1'.normalize() === '\u004F\u030C'.normalize()
// true

ASCII 码

我们知道,计算机内部,所有信息最终都是一个二进制值。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00000000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

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 256 x 256 = 65536 个符号。
中文编码的问题需要专文讨论,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。

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。

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。
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。

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。
Windows平台,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。
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编码这里指的是notepad.exe使用的 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。

Little endian 和 Big endian

上一节已经提到,UCS-2 格式可以存储 Unicode 码(码点不超过0xFFFF)。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,这就是 Big endian 方式;25在前,4E在后,这是 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。
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。

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。

延伸阅读

Last modified 3yr ago