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字符编码

ASCII 码

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

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

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。具体的符号对应表,可以查询 unicode.org,或者专门的 汉字对应表

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:

  • 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?
  • 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。

程序验证

使用 Java 单元测试,测试汉字“严”的 UTF-8 编码,测试代码如下:

@Test
public void testUtf8() {
    String s = "严";
    byte[] bytes = s.getBytes(StandardCharsets.UTF_8);
    System.out.println(Arrays.toString(bytes));
    for (byte b : bytes) {
        System.out.print(Integer.toBinaryString(b).substring(24, 32) + " ");
    }
}

输出结果为:

[-28, -72, -91]
11100100 10111000 10100101 

我们可以看到和上述分析一致。编码为11100100 10111000 10100101,第一个字节 11100100,前三位为 1,标识这个 Unicode 一共有 3 位。11100100 去掉前 3 位,10111000 去掉前 2 位,10100101 去掉前 2 位,最终字符编码为 1001110 00100101,即为最终的 Unicode 编码 4E25。

总结

  • ASCII 编码只能表示 127 个字符,表示英文足够,但是无法表示其他语言字符;
  • Unicode 是所有符号的编码,是一个很大的集合,只规定了符号的二进制代码,并没有规定这些二进制代码应该如何存储;
  • UTF-8 是一种变长的编码方式,是 Unicode 的实现方式之一。

参考链接

GitHub 项目

Java 编程思想-最全思维导图-GitHub 下载链接,需要的小伙伴可以自取~

原创不易,希望大家转载时请先联系我,并标注原文链接。

posted @ 2021-10-04 11:43  Yano_nankai  阅读(156)  评论(2编辑  收藏  举报