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个人的奋斗还是历史的进程?

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从UTF-8开始了解常见编码

编码的历史可以分为三个时期:原始时期、战国时期、大一统时期,毫无疑问,我们现在处于大一统的时期,一个UTF-8轻轻松松搞定国际化

原始时期

原始时期的编码是最好理解的,计算机发明之初只需要学习它的“母语”——英语,所以就产生了ANSI的ASCII字符集编码,它使用7 bits来表示一个字符,总共表示128个字符,其中包括了英文字母、数字、标点符号等常用字符。之后,又进行扩展,使用8 bits表示一个字符,可以表示256个字符,主要在原来的7 bits字符集的基础上加入了一些特殊符号例如制表符,新增出来的128个码位被称为“扩展ASCII”。

后来,由于各国语言的加入,ASCII已经不能满足信息交流的需要,因此,为了能够表示其它国家的文字,各国在ASCII的基础上制定了自己的字符集,这些从ANSI标准派生的字符集被习惯的统称为ANSI字符集,它们正式的名称应该是MBCS(Multi-Byte Chactacter System,即多字节字符系统)。

战国时期

这些派生字符集的特点是以ASCII 127 bits为基础,兼容ASCII 127,他们使用大于128的编码作为一个Leading Byte,紧跟在Leading Byte后的第二(甚至第三)个字符与Leading Byte一起作为实际的编码,简单来说就是利用了“扩展ASCII”。这样的字符集有很多,我们常见的GB2312就是其中之一。

但是由于特殊的国情,除了GB2312-80,台湾使用是Big5,香港使用的是HKSCS,后面两者都是繁体中文的编码标准,之间也不尽相同

这三套编码标准都采用了扩展ASCII的方法,利用的是扩展ASCII没有真正标准化这一点,把一个中文字符用两个扩展ASCII字符来表示,它们均与ACSII兼容,但是彼此之间互不兼容,而且编码区间也各有不同

因为GB2312支持的汉字太少,后来,又制定了针对中文的统一字符集GBK和GB18030。1995年的汉字扩展规范GBK收录了21886个符号,它分为汉字区和图形符号区。汉字区包括21003个字符。2000年的GB18030是取代GBK的正式国家标准。该标准收录了27484个汉字,同时还收录了藏文、蒙文、维吾尔文等主要的少数民族文字

从ASCII、GB2312、GBK到GB18030,这些编码方法是向下兼容的,即同一个字符在这些方案中总是有相同的编码,后面的标准支持更多的字符。在这些编码中,英文和中文可以统一地处理

由于每种语言都制定了自己的字符集,导致最后存在的各种字符集实在太多,在国际交流中要经常转换字符集非常不便。因此,提出了Unicode字符集,它固定使用16 bits(两个字节、一个字)来表示一个字符,共可以表示65536个字符。将世界上几乎所有语言的常用字符收录其中,方便了信息交流。

大一统时期

Unicode的学名是”Universal Multiple-Octet Coded Character Set”,简称为UCS。UCS可以看作是”Unicode Character Set”的缩写。UCS有两种格式,一套叫UCS-2(Unicode-16),用2个字节为字符编码,另一套叫UCS-4(Unicode-32),用4个字节为字符编码

根据维基百科全书(http://zh.wikipedia.org/wiki/)的记载:历史上存在两个试图独立设计Unicode的组织,即国际标准化组织(ISO)和一个软件制造商的协会(unicode.org)。ISO开发了ISO10646项目,Unicode协会开发了Unicode项目。在1991年前后,双方都认识到世界不需要两个不兼容的字符集。于是它们开始合并双方的工作成果,并为创立一个单一编码表而协同工作。从Unicode2.0开始,Unicode项目采用了与ISO10646-1相同的字库和字码。目前两个项目仍都存在,并独立地公布各自的标准

UCS-2有 \(2^{16}=65535\) 个码位,UCS-4有 \(2^{31}=2147483648\) 个码位

UCS-4根据最高位为0的最高字节分成2^7=128个group。每个group再根据次高字节分为256个plane。每个plane根据第3个字节分为256行(rows),每行包含256个cells。当然同一行的cells只是最后一个字节不同,其余都相同。group 0的plane 0被称作Basic Multilingual Plane,即BMP。或者说UCS-4中,高两个字节为0的码位被称作BMP。 将UCS-4的BMP去掉前面的两个零字节就得到了UCS-2。在UCS-2的两个字节前加上两个零字节,就得到了UCS-4的BMP。而目前的UCS-4规范中还没有任何字符被分配在BMP之外。

在Unicode里,所有的字符被一视同仁。汉字不再使用“两个扩展ASCII”,而是使用“1个Unicode”,注意,现在的汉字是“一个字符”了,于是,拆字、统计字数这些问题也就自然而然的解决了

但是,要从ASCII编码过渡到Unicode,必须考虑两者之间的兼容问题,因为,以前处理ASCII的那套机制不能被用来处理Unicode了。除此之外,还有比如,C语言使用’/0’作为字符串结尾,而Unicode里恰恰有很多字符都有一个字节为0,这样一来,C语言的字符串函数将无法正常处理Unicode,除非把世界上所有用C写的程序以及他们所用的函数库全部换掉

于是UTF诞生了,它全称是UCS Transformation Format,它是将Unicode编码规则和计算机的实际编码对应起来的一个规则。现在流行的UTF有2种——UTF-8和UTF-16,标准的Unicode称为UTF-16。后来为了双字节的Unicode能够在现存的处理单字节的系统上正确传输,出现了UTF-8,使用类似MBCS的方式对Unicode进行编码。注意UTF-8是编码,它属于Unicode字符集。Unicode字符集有多种编码形式,而ASCII只有一种,大多数MBCS(包括GB-2312)也只有一种。

终于说到UTF-8了

其中UTF-16和上面提到的Unicode本身的编码规范是一致的,而UTF-8不同,它定义了一种“区间规则”,这种规则可以和ASCII编码保持最大程度的兼容

UTF-8

UTF-8就是以8位为单元对UCS进行编码。从UCS-2到UTF-8的编码方式如下:

UCS-2编码(16进制) UTF-8 字节流(二进制)
0000 - 007F 0xxxxxxx
0080 - 07FF 110xxxxx 10xxxxxx
0800 - FFFF 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

例如“汉”字的Unicode编码是6C49。6C49在0800-FFFF之间,所以肯定要用3字节模板了:1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将6C49写成二进制是:0110 110001 001001,用这个比特流依次代替模板中的x,得到:11100110 10110001 10001001,即E6 B1 89。

在UTF-8里,英文字符仍然跟ASCII编码一样,因此原先的函数库可以继续使用。而中文的编码范围是在0080-07FF之间,因此是2个字节表示(但这两个字节和GB编码的两个字节是不同的),用专门的Unicode处理类可以对UTF编码进行处理

UTF的字节序和BOM

UTF-8以字节为编码单元,没有字节序的问题。UTF-16以两个字节为编码单元,在解释一个UTF-16文本前,首先要弄清楚每个编码单元的字节序。例如收到一个“奎”的Unicode编码是594E,“乙”的Unicode编码是4E59。如果我们收到UTF-16字节流“594E”,那么这是“奎”还是“乙”?

Unicode规范中推荐的标记字节顺序的方法是BOM。BOM不是“Bill Of Material”的BOM表,而是Byte Order Mark。BOM是一个有点小聪明的想法:

在UCS编码中有一个叫做”ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE”的字符,它的编码是FEFF。而FFFE在UCS中是不存在的字符,所以不应该出现在实际传输中。UCS规范建议我们在传输字节流前,先传输字符”ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE”。

这样如果接收者收到FEFF,就表明这个字节流是Big-Endian的;如果收到FFFE,就表明这个字节流是Little-Endian的。因此字符”ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE”又被称作BOM。

UTF-8不需要BOM来表明字节顺序,但可以用BOM来表明编码方式。字符”ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE”的UTF-8编码是EF BB BF。所以如果接收者收到以EF BB BF开头的字节流,就知道这是UTF-8编码了。

当一个软件打开一个文本时,它要做的第一件事是决定这个文本究竟是使用哪种字符集的哪种编码保存的。软件有三种途径来决定文本的字符集和编码:

最标准的途径是检测文本最开头的几个字节,如下表:

开头字节 Charset/encoding
EF BB BF UTF-8
FE FF UTF-16/UCS-2, little endian
FF FE UTF-16/UCS-2, big endian
FF FE 00 00 UTF-32/UCS-4, little endian
00 00 FE FF UTF-32/UCS-4, big-endian

big endian和little endian

big endian和little endian是CPU处理多字节数的不同方式。例如“汉”字的Unicode编码是6C49。那么写到文件里时,究竟是将6C写在前面,还是将49写在前面?如果将6C写在前面,就是big endian。如果将49写在前面,就是little endian。

“endian”这个词出自《格列佛游记》。小人国的内战就源于吃鸡蛋时是究竟从大头(Big-Endian)敲开还是从小头(Little-Endian)敲开,由此曾发生过六次叛乱,其中一个皇帝送了命,另一个丢了王位。

我们一般将endian翻译成“字节序”,将big endian和little endian称作“大尾”和“小尾”。