关于编码的问题

在做程序的时候难免会遇到些编码问题，如果对字符码有一些了解，相信解决起来时就会得心应手些了

 

从ASCII码说起

 

说到字符编码，不得不说ASCII码的简史。计算机一开始发明的时候是用来解决数字计算的问题，后来人们发现，计算机还可以做更多的事，例如文本处 理。但由于计算机只识“数”，因此人们必须告诉计算机哪个数字来代表哪个特定字符，例如65代表字母‘A’，66代表字母‘B’，以此类推。但是计算机之间字符-数字的对应关系必须得一致，否则就会造成同一段数字在不同计算机上显示出来的字符不一样 。因此美国国家标准协会ANSI制定了一个标准，规定了常用字符的集合以及每个字符对应的编号，这就是ASCII字符集（Character Set），也称ASCII码。

当时的计算机普遍使用8比特字节作为最小的存储和处理单元，加之当时用到的字符也很少，26个大小写英文字母还有数字再加上其他常用符号，也不到100个，因此使用7个比特位就可以高效的存储和处理ASCII码，剩下最高位1比特被用作一些通讯系统的奇偶校验。

注意，字节代表系统能够处理的最小单位，不一定是8比特。只是现代计算机的事实标准就是用8比特来代表一个字节。在很多技术规格文献中，为了避免产 生歧义，更倾向于使用8位组（Octet）而不是字节（Byte）这个术语来强调8个比特的二进制流。下文中为了便于理解，我会延用大家熟悉的“字节”这 个概念。

ASCII字符集由95个可打印字符（0x20-0x7E）和33个控制字符（0x00-0x19，0x7F）组成。可打印字符用于显示在输出设备 上，例如荧屏或者打印纸上，控制字符用于向计算机发出一些特殊指令，例如0x07会让计算机发出哔的一声，0x00通常用于指示字符串的结束，0x0D和 0x0A用于指示打印机的打印针头退到行首（回车）并移到下一行（换行）。

那时候的字符编解码系统非常简单，就是简单的查表过程。例如将字符序列编码为二进制流写入存储设备，只需要在ASCII字符集中依次找到字符对应的字节，然后直接将该字节写入存储设备即可。解码二进制流的过程也是类似。

OEM字符集的衍生

当计算机开始发展起来的时候，人们逐渐发现，ASCII字符集里那可怜的128个字符已经不能再满足他们的需求了。人们就在想，一个字节能够表示的 数字（编号）有256个，而ASCII字符只用到了0x00~0x7F，也就是占用了前128个，后面128个数字不用白不用，因此很多人打起了后面这 128个数字的主意。可是问题在于，很多人同时有这样的想法，但是大家对于0x80-0xFF这后面的128个数字分别对应什么样的字符，却有各自的想 法。这就导致了当时销往世界各地的机器上出现了大量各式各样的OEM字符集。

下面这张表是IBM-PC机推出的其中一个OEM字符集，字符集的前128个字符和ASCII字符集的基本一致（为什么说基本一致呢，是因为前32 个控制字符在某些情况下会被IBM-PC机当作可打印字符解释），后面128个字符空间加入了一些欧洲国家用到的重音字符，以及一些用于画线条画的字符。

事实上，大部分OEM字符集是兼容ASCII字符集的，也就是说，大家对于0x00~0x7F这个范围的解释基本是相同的，而对于后半部分0x80~0xFF的解释却不一定相同。甚至有时候同样的字符在不同OEM字符集中对应的字节也是不同的。

不同的OEM字符集导致人们无法跨机器交流各种文档。例如职员甲发了一封简历résumés给职员乙，结果职员乙看到的却是r sum s，因为é字符在职员甲机器上的OEM字符集中对应的字节是0x82，而在职员乙的机器上，由于使用的OEM字符集不同，对0x82字节解码后得到的字符却是 。

多字节字符集（MBCS）和中文字符集

上面我们提到的字符集都是基于单字节编码，也就是说，一个字节翻译成一个字符。这对于拉丁语系国家来说可能没有什么问题，因为他们通过扩展第8个比 特，就可以得到256个字符了，足够用了。但是对于亚洲国家来说，256个字符是远远不够用的。因此这些国家的人为了用上电脑，又要保持和ASCII字符 集的兼容，就发明了多字节编码方式，相应的字符集就称为多字节字符集。例如中国使用的就是双字节字符集编码（DBCS，Double Byte Character Set）。

对于单字节字符集来说，代码页中只需要有一张码表即可，上面记录着256个数字代表的字符。程序只需要做简单的查表操作就可以完成编解码的过程。

代码页是字符集编码的具体实现，你可以把他理解为一张“字符-字节”映射表，通过查表实现“字符-字节”的翻译。下面会有更详细的描述。

而对于多字节字符集，代码页中通常会有很多码表。那么程序怎么知道该使用哪张码表去解码二进制流呢？答案是，根据第一个字节来选择不同的码表进行解析 。

例如目前最常用的中文字符集GB2312，涵盖了所有简体字符以及一部分其他字符；GBK（K代表扩展的意思）则在GB2312的基础上加入了对繁 体字符等其他非简体字符（GB18030字符集不是双字节字符集，我们在讲Unicode的时候会提到）。这两个字符集的字符都是使用1-2个字节来表 示。Windows系统采用936代码页来实现对GBK字符集的编解码。在解析字节流的时候，如果遇到字节的最高位是0的话，那么就使用936代码页中的 第1张码表进行解码，这就和单字节字符集的编解码方式一致了。

当字节的高位是1的时候，确切的说，当第一个字节位于0x81 –0xFE之间时，根据第一个字节不同找到代码页中的相应的码表，例如当第一个字节是0x81，那么对应936中的下面这张码表：

（关于936代码页中完整的码表信息，参见MSDN：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/cc194913%28v=MSDN.10%29.aspx .）

按照936代码页的码表，当程序遇到连续字节流0x81 0x40的时候，就会解码为“丂”字符。

ANSI标准、国家标准、ISO标准

不同ASCII衍生字符集的出现，让文档交流变得非常困难，因此各种组织都陆续进行了标准化流程。例如美国ANSI组织制定了ANSI标准字符编码（注意，我们现在通常说到ANSI编码，通常指的是平台的默认编码，例如英文操作系统中是ISO-8859-1，中文系统是GBK ），ISO组织制定的各种ISO标准字符编码，还有各国也会制定一些国家标准字符集，例如中国的GBK，GB2312和GB18030。

操作系统在发布的时候，通常会往机器里预装这些标准的字符集还有平台专用的字符集，这样只要你的文档是使用标准字符集编写的，通用性就比较高了。例 如你用GB2312字符集编写的文档，在中国大陆内的任何机器上都能正确显示。同时，我们也可以在一台机器上阅读多个国家不同语言的文档了，前提是本机必 须安装该文档使用的字符集。

Unicode的出现

虽然通过使用不同字符集，我们可以在一台机器上查阅不同语言的文档，但是我们仍然无法解决一个问题：在一份文档中显示所有字符 。为了解决这个问题，我们需要一个全人类达成共识的巨大的字符集，这就是Unicode字符集。

Unicode字符集概述

Unicode字符集涵盖了目前人类使用的所有字符，并为每个字符进行统一编号，分配唯一的字符码（Code Point）。Unicode字符集将所有字符按照使用上的频繁度划分为17个层面（Plane），每个层面上有2¹⁶ =65536个字符码空间。

其中第0个层面BMP，基本涵盖了当今世界用到的所有字符。其他的层面要么是用来表示一些远古时期的文字，要么是留作扩展。我们平常用到的Unicode字符，一般都是位于BMP层面上的。目前Unicode字符集中尚有大量字符空间未使用。

编码系统的变化

在Unicode出现之前，所有的字符集都是和具体编码方案绑定在一起的，都是直接将字符和最终字节流绑定死了，例如ASCII编码系统规定使用7 比特来编码ASCII字符集；GB2312以及GBK字符集，限定了使用最多2个字节来编码所有字符，并且规定了字节序。这样的编码系统通常用简单的查 表，也就是通过代码页就可以直接将字符映射为存储设备上的字节流了。例如下面这个例子：

这种方式的缺点在于，字符和字节流之间耦合得太紧密了，从而限定了字符集的扩展能力。假设以后火星人入住地球了，要往现有字符集中加入火星文就变得很难甚至不可能了，而且很容易破坏现有的编码规则。

因此Unicode在设计上考虑到了这一点，将字符集和字符编码方案分离开。

也就是说，虽然每个字符在Unicode字符集中都能找到唯一确定的编号（字符码，又称Unicode码），但是决定最终字节流的却是具体的字符编码 。例如同样是对Unicode字符“A”进行编码，UTF-8字符编码得到的字节流是0x41，而UTF-16（大端模式）得到的是0x00 0x41。

常见的Unicode编码

UCS-2/UTF-16

如果要我们来实现Unicode字符集中BMP字符的编码方案，我们会怎么实现？由于BMP层面上有2¹⁶ =65536个字符码，因此我们只需要两个字节就可以完全表示这所有的字符了。

举个例子，“中”的Unicode字符码是0x4E2D(01001110 00101101)，那么我们可以编码为01001110 00101101（大端）或者00101101 01001110 （小端）。

UCS-2和UTF-16对于BMP层面的字符均是使用2个字节来表示，并且编码得到的结果完全一致。不同之处在于，UCS- 2最初设计的时候只考虑到BMP字符，因此使用固定2个字节长度，也就是说，他无法表示Unicode其他层面上的字符，而UTF-16为了解除这个限 制，支持Unicode全字符集的编解码，采用了变长编码，最少使用2个字节，如果要编码BMP以外的字符，则需要4个字节结对 ，这里就不讨论那么远，有兴趣可以参考维基百科：UTF-16/UCS-2 。

Windows从NT时代开始就采用了UTF-16编码，很多流行的编程平台，例如.Net，Java，Qt还有Mac下的Cocoa等都是使用UTF-16作为基础的字符编码。例如代码中的字符串，在内存中相应的字节流就是用UTF-16编码过的。

UTF-8

UTF-8应该是目前应用最广泛的一种Unicode编码方案。由于UCS-2/UTF-16对于ASCII字符使用两个字节进行编码，存储和处理 效率相对低下，并且由于ASCII字符经过UTF-16编码后得到的两个字节，高字节始终是0x00，很多C语言的函数都将此字节视为字符串末尾从而导致 无法正确解析文本。因此一开始推出的时候遭到很多西方国家的抵触，大大影响了Unicode的推行。后来聪明的人们发明了UTF-8编码，解决了这个问 题。

UTF-8编码方案采用1-4个字节来编码字符，方法其实也非常简单。

（上图中的x代表Unicode码的低8位，y代表高8位）

对于ASCII字符的编码使用单字节，和ASCII 编码一摸一样，这样所有原先使用ASCII编解码的文档就可以直接转到UTF-8编码了。对于其他字符，则使用2-4个字节来表示，其中，首字节前置1的 数目代表正确解析所需要的字节数，剩余字节的高2位始终是10。例如首字节是1110yyyy，前置有3个1，说明正确解析总共需要3个字节，需要和后面 2个以10开头的字节结合才能正确解析得到字符 。