编码问题相关
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鲜鲜 发表于3年前
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摘要: 这是在学习python时,看到的一篇与python编码有关的文章,很有参考价值,尤其是我这种对不同编码格式完全没有概念的人

字符编码

我们已经讲过了,字符串也是一种数据类型,但是,字符串比较特殊的是还有一个编码问题。

因为计算机只能处理数字,如果要处理文本,就必须先把文本转换为数字才能处理。最早的计算机在设计时采用8个比特(bit)作为一个字节(byte),所以,一个字节能表示的最大的整数就是255(二进制11111111=十进制255),如果要表示更大的整数,就必须用更多的字节。比如两个字节可以表示的最大整数是65535,4个字节可以表示的最大整数是4294967295

由于计算机是美国人发明的,因此,最早只有127个字母被编码到计算机里,也就是大小写英文字母、数字和一些符号,这个编码表被称为ASCII编码,比如大写字母A的编码是65,小写字母z的编码是122

但是要处理中文显然一个字节是不够的,至少需要两个字节,而且还不能和ASCII编码冲突,所以,中国制定了GB2312编码,用来把中文编进去。

你可以想得到的是,全世界有上百种语言,日本把日文编到Shift_JIS里,韩国把韩文编到Euc-kr里,各国有各国的标准,就会不可避免地出现冲突,结果就是,在多语言混合的文本中,显示出来会有乱码。

char-encoding-problem

因此,Unicode应运而生。Unicode把所有语言都统一到一套编码里,这样就不会再有乱码问题了。

Unicode标准也在不断发展,但最常用的是用两个字节表示一个字符(如果要用到非常偏僻的字符,就需要4个字节)。现代操作系统和大多数编程语言都直接支持Unicode。

现在,捋一捋ASCII编码和Unicode编码的区别:ASCII编码是1个字节,而Unicode编码通常是2个字节。

字母A用ASCII编码是十进制的65,二进制的01000001

字符0用ASCII编码是十进制的48,二进制的00110000,注意字符'0'和整数0是不同的;

汉字已经超出了ASCII编码的范围,用Unicode编码是十进制的20013,二进制的01001110 00101101

你可以猜测,如果把ASCII编码的A用Unicode编码,只需要在前面补0就可以,因此,A的Unicode编码是00000000 01000001

新的问题又出现了:如果统一成Unicode编码,乱码问题从此消失了。但是,如果你写的文本基本上全部是英文的话,用Unicode编码比ASCII编码需要多一倍的存储空间,在存储和传输上就十分不划算。

所以,本着节约的精神,又出现了把Unicode编码转化为“可变长编码”的UTF-8编码。UTF-8编码把一个Unicode字符根据不同的数字大小编码成1-6个字节,常用的英文字母被编码成1个字节,汉字通常是3个字节,只有很生僻的字符才会被编码成4-6个字节。如果你要传输的文本包含大量英文字符,用UTF-8编码就能节省空间:

字符            ASCII                             Unicode                                 UTF-8

A                01000001         00000000 01000001                         01000001

中                    x                   01001110 00101101                        11100100 10111000 10101101

从上面的表格还可以发现,UTF-8编码有一个额外的好处,就是ASCII编码实际上可以被看成是UTF-8编码的一部分,所以,大量只支持ASCII编码的历史遗留软件可以在UTF-8编码下继续工作。

搞清楚了ASCII、Unicode和UTF-8的关系,我们就可以总结一下现在计算机系统通用的字符编码工作方式:

在计算机内存中,统一使用Unicode编码,当需要保存到硬盘或者需要传输的时候,就转换为UTF-8编码。

用记事本编辑的时候,从文件读取的UTF-8字符被转换为Unicode字符到内存里,编辑完成后,保存的时候再把Unicode转换为UTF-8保存到文件:

rw-file-utf-8

浏览网页的时候,服务器会把动态生成的Unicode内容转换为UTF-8再传输到浏览器:

web-utf-8

所以你看到很多网页的源码上会有类似<meta charset="UTF-8" />的信息,表示该网页正是用的UTF-8编码。

Python的字符串

搞清楚了令人头疼的字符编码问题后,我们再来研究Python对Unicode的支持。

因为Python的诞生比Unicode标准发布的时间还要早,所以最早的Python只支持ASCII编码,普通的字符串'ABC'在Python内部都是ASCII编码的。Python提供了ord()和chr()函数,可以把字母和对应的数字相互转换:

>>> ord('A')
65
>>> chr(65)
'A'

Python在后来添加了对Unicode的支持,以Unicode表示的字符串用u'...'表示,比如:

>>> print u'中文'
中文
>>> u'中'
u'\u4e2d'

u'中'u'\u4e2d'是一样的,\u后面是十六进制的Unicode码。因此,u'A'u'\u0041'也是一样的。

两种字符串如何相互转换?字符串'xxx'虽然是ASCII编码,但也可以看成是UTF-8编码,而u'xxx'则只能是Unicode编码。

u'xxx'转换为UTF-8编码的'xxx'encode('utf-8')方法:

>>> u'ABC'.encode('utf-8')
'ABC'
>>> u'中文'.encode('utf-8')
'\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'

英文字符转换后表示的UTF-8的值和Unicode值相等(但占用的存储空间不同),而中文字符转换后1个Unicode字符将变为3个UTF-8字符,你看到的\xe4就是其中一个字节,因为它的值是228,没有对应的字母可以显示,所以以十六进制显示字节的数值。len()函数可以返回字符串的长度:

>>> len(u'ABC')
3
>>> len('ABC')
3
>>> len(u'中文')
2
>>> len('\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87')
6

反过来,把UTF-8编码表示的字符串'xxx'转换为Unicode字符串u'xxx'decode('utf-8')方法:

>>> 'abc'.decode('utf-8')
u'abc'
>>> '\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'.decode('utf-8')
u'\u4e2d\u6587'
>>> print '\xe4\xb8\xad\xe6\x96\x87'.decode('utf-8')
中文

由于Python源代码也是一个文本文件,所以,当你的源代码中包含中文的时候,在保存源代码时,就需要务必指定保存为UTF-8编码。当Python解释器读取源代码时,为了让它按UTF-8编码读取,我们通常在文件开头写上这两行:

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

第一行注释是为了告诉Linux/OS X系统,这是一个Python可执行程序,Windows系统会忽略这个注释;

第二行注释是为了告诉Python解释器,按照UTF-8编码读取源代码,否则,你在源代码中写的中文输出可能会有乱码。

格式化

最后一个常见的问题是如何输出格式化的字符串。我们经常会输出类似'亲爱的xxx你好!你xx月的话费是xx,余额是xx'之类的字符串,而xxx的内容都是根据变量变化的,所以,需要一种简便的格式化字符串的方式。

py-str-format

在Python中,采用的格式化方式和C语言是一致的,用%实现,举例如下:

>>> 'Hello, %s' % 'world'
'Hello, world'
>>> 'Hi, %s, you have $%d.' % ('Michael', 1000000)
'Hi, Michael, you have $1000000.'

你可能猜到了,%运算符就是用来格式化字符串的。在字符串内部,%s表示用字符串替换,%d表示用整数替换,有几个%?占位符,后面就跟几个变量或者值,顺序要对应好。如果只有一个%?,括号可以省略。

常见的占位符有:

%d            整数

%f              浮点数

%s               字符串

%x            十六进制整数

其中,格式化整数和浮点数还可以指定是否补0和整数与小数的位数:

>>> '%2d-%02d' % (3, 1)
' 3-01'
>>> '%.2f' % 3.1415926
'3.14'

如果你不太确定应该用什么,%s永远起作用,它会把任何数据类型转换为字符串:

>>> 'Age: %s. Gender: %s' % (25, True)
'Age: 25. Gender: True'

对于Unicode字符串,用法完全一样,但最好确保替换的字符串也是Unicode字符串:

>>> u'Hi, %s' % u'Michael'
u'Hi, Michael'

有些时候,字符串里面的%是一个普通字符怎么办?这个时候就需要转义,用%%来表示一个%

>>> 'growth rate: %d %%' % 7
'growth rate: 7 %'

小结

由于历史遗留问题,Python 2.x版本虽然支持Unicode,但在语法上需要'xxx'u'xxx'两种字符串表示方式。

Python当然也支持其他编码方式,比如把Unicode编码成GB2312:

>>> u'中文'.encode('gb2312')
'\xd6\xd0\xce\xc4'

但这种方式纯属自找麻烦,如果没有特殊业务要求,请牢记仅使用Unicode和UTF-8这两种编码方式。

在Python 3.x版本中,把'xxx'u'xxx'统一成Unicode编码,即写不写前缀u都是一样的,而以字节形式表示的字符串则必须加上b前缀:b'xxx'

格式化字符串的时候,可以用Python的交互式命令行测试,方便快捷。


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