2012-04-06
字符編碼是計算機技術的基石，想要熟練使用計算機，就必須懂得一點字符編碼的知識。
1. ASCII碼
我們知道，在計算機內部，所有的信息終都表示為一個二進制的字符串。每一個二進制位（bit）有0和1兩種狀態，因此八個二進制位就可以組合出256種狀態，這被稱為一個字節（byte）。也就是說，一個字節一共可以用來表示256種不同的狀態，每一個狀態對應一個符號，就是256個符號，從0000000到11111111。
上個世紀60年代，美國制定了一套字符編碼，對英語字符與二進制位之間的關系，做了統一規定。這被稱為ASCII碼，一直沿用至今。
ASCII碼一共規定了128個字符的編碼，比如空格“SPACE”是32（二進制00100000），大寫的字母A是65（二進制01000001）。這128個符號（包括32個不能打印出來的控制符號），只占用了一個字節的后面7位，前面的1位統一規定為0。
2、非ASCII編碼
英語用128個符號編碼就夠了，但是用來表示其他語言，128個符號是不夠的。比如，在法語中，字母上方有注音符號，它就無法用ASCII碼表示。于是，一些歐洲國家就決定，利用字節中閑置的高位編入新的符號。比如，法語中的é的編碼為130（二進制10000010）。這樣一來，這些歐洲國家使用的編碼體系，可以表示多256個符號。
但是，這里又出現了新的問題。不同的國家有不同的字母，因此，哪怕它們都使用256個符號的編碼方式，代表的字母卻不一樣。比如，130在法語編碼中代表了é，在希伯來語編碼中卻代表了字母Gimel (ג)，在俄語編碼中又會代表另一個符號。但是不管怎樣，所有這些編碼方式中，0—127表示的符號是一樣的，不一樣的只是128—255的這一段。
至于亞洲國家的文字，使用的符號就更多了，漢字就多達10萬左右。一個字節只能表示256種符號，肯定是不夠的，就必須使用多個字節表達一個符號。比如，簡體中文常見的編碼方式是GB2312，使用兩個字節表示一個漢字，所以理論上多可以表示256x256=65536個符號。
中文編碼的問題需要專文討論，這篇筆記不涉及。這里只指出，雖然都是用多個字節表示一個符號，但是GB類的漢字編碼與后文的Unicode和UTF-8是毫無關系的。
3.Unicode
正如上一節所說，世界上存在著多種編碼方式，同一個二進制數字可以被解釋成不同的符號。因此，要想打開一個文本文件，就必須知道它的編碼方式，否則用錯誤的編碼方式解讀，就會出現亂碼。為什么電子郵件常常出現亂碼？就是因為發信人和收信人使用的編碼方式不一樣。
可以想象，如果有一種編碼，將世界上所有的符號都納入其中。每一個符號都給予一個獨一無二的編碼，那么亂碼問題就會消失。這就是Unicode，就像它的名字都表示的，這是一種所有符號的編碼。
Unicode當然是一個很大的集合，現在的規模可以容納100多萬個符號。每個符號的編碼都不一樣，比如，U+0639表示阿拉伯字母Ain，U+0041表示英語的大寫字母A，U+4E25表示漢字“嚴”。具體的符號對應表，可以查詢unicode.org，或者專門的漢字對應表。
4. Unicode的問題
需要注意的是，Unicode只是一個符號集，它只規定了符號的二進制代碼，卻沒有規定這個二進制代碼應該如何存儲。
比如，漢字“嚴”的unicode是十六進制數4E25，轉換成二進制數足足有15位（100111000100101），也就是說這個符號的表示至少需要2個字節。表示其他更大的符號，可能需要3個字節或者4個字節，甚至更多。
這里就有兩個嚴重的問題，第一個問題是，如何才能區別unicode和ascii？計算機怎么知道三個字節表示一個符號，而不是分別表示三個符號呢？第二個問題是，我們已經知道，英文字母只用一個字節表示就夠了，如果unicode統一規定，每個符號用三個或四個字節表示，那么每個英文字母前都必然有二到三個字節是0，這對于存儲來說是極大的浪費，文本文件的大小會因此大出二三倍，這是無法接受的。
它們造成的結果是：1）出現了unicode的多種存儲方式，也就是說有許多種不同的二進制格式，可以用來表示unicode。2）unicode在很長一段時間內無法推廣，直到互聯網的出現。
5.UTF-8
互聯網的普及，強烈要求出現一種統一的編碼方式。UTF-8就是在互聯網上使用廣的一種unicode的實現方式。其他實現方式還包括UTF-16和UTF-32，不過在互聯網上基本不用。重復一遍，這里的關系是，UTF-8是Unicode的實現方式之一。
UTF-8大的一個特點，就是它是一種變長的編碼方式。它可以使用1~4個字節表示一個符號，根據不同的符號而變化字節長度。
UTF-8的編碼規則很簡單，只有二條：
1）對于單字節的符號，字節的第一位設為0，后面7位為這個符號的unicode碼。因此對于英語字母，UTF-8編碼和ASCII碼是相同的。
2）對于n字節的符號（n>1），第一個字節的前n位都設為1，第n+1位設為0，后面字節的前兩位一律設為10。剩下的沒有提及的二進制位，全部為這個符號的unicode碼。
下表總結了編碼規則，字母x表示可用編碼的位。
Unicode符號范圍 | UTF-8編碼方式
(十六進制) | （二進制）
--------------------+---------------------------------------------
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
下面，還是以漢字“嚴”為例，演示如何實現UTF-8編碼。
已知“嚴”的unicode是4E25（100111000100101），根據上表，可以發現4E25處在第三行的范圍內（0000 0800-0000 FFFF），因此“嚴”的UTF-8編碼需要三個字節，即格式是“1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx”。然后，從“嚴”的后一個二進制位開始，依次從后向前填入格式中的x，多出的位補0。這樣就得到了，“嚴”的UTF-8編碼是“11100100 10111000 10100101”，轉換成十六進制就是E4B8A5。
6. Unicode與UTF-8之間的轉換
通過上一節的例子，可以看到“嚴”的Unicode碼是4E25，UTF-8編碼是E4B8A5，兩者是不一樣的。它們之間的轉換可以通過程序實現。
在Windows平臺下，有一個簡單的轉化方法，就是使用內置的記事本小程序Notepad.exe。打開文件后，點擊“文件”菜單中的“另存為”命令，會跳出一個對話框，在底部有一個“編碼”的下拉條。
