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计算机字符编码从0/1到UTF-8

haoran_10
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发布于 2016/07/15 16:35
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在计算机内部,所有的信息终于都是表示为0和1去展示,但是如何表达出那么多的字符呢?

一、二进制位(bit) 
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。

二、字节(byte) 
通过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。

三、ASCII码 
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 
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。

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。比如拉丁文中的α,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。 
(1)、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。 
(2)、至于亚洲国家的文字,使用的符号就更多了,比如我们的汉字就多达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。

所以又有了一些新的编码方式。 
比如简体中文常见的编码方式是GBK和GB2312,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。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。

但是问题来了,各种各样的编码方式,太多了,需要一种统一的方式来兼容各种文字和符号。

五、Unicode字符集 
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。

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,不像ASCII编码,GB2312编码,都是和每个字符集表一一对应的,Unicode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。

六、UTF-8编码 
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字符集编码实现方式之一。 
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。

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