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ASCII、GB2312、GBK、Unicode、UTF-8介紹和轉換

1、ASCII碼

        上個世紀60年代,美國製定了一套字元編碼,對英語字元與二進位制位之間的關係,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個字元的編碼,比如空格SPACE是32(二進位制00100000),大寫的字母A是65(二進位制01000001)。這128個符號(包括32個不能打印出來的控制符號),只佔用了一個位元組的後面7位,最前面的一位統一規定為0。

2、GB2312

        因為ASCII只用了前面128個位置。因此GB2312對其進行了擴充套件,兩個大於127的字元連在一起時,就表示一個漢字,前面的一個位元組(稱之為高位元組)從0xA1用到0xF7,後面一個位元組(低位元組)從0xA1到0xFE,這樣我們就可以組合出大約7000多個簡體漢字了。
3、GBK

        GB2312只能表示大約7000多個漢字,但是中國的漢字太多了,我們很快就就發現有許多人的人名沒有辦法在這裡打出來,不得不繼續把 GB2312 沒有用到的碼位找出來用上。後來還是不夠用,於是乾脆不再要求低位元組一定是127號之後的內碼,只要第一個位元組是大於127就固定表示這是一個漢字的開始,不管後面跟的是不是擴充套件字符集裡的內容。結果擴充套件之後的編碼方案被稱為 “GBK” 標準,GBK 包括了 GB2312 的所有內容,同時又增加了近20000個新的漢字(包括繁體字)和符號。

4、Unicode

        世界上存在著多種編碼方式,同一個二進位制數字可以被解釋成不同的符號。因此,要想開啟一個文字檔案,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。為什麼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,那麼亂碼問題就會消失。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http://www.unicode.org/

5、Unicode存在的問題

        Unicode 只是一個符號集,它只規定了符號的二進位制程式碼,卻沒有規定這個二進位制程式碼的儲存方式。

        比如,漢字嚴的 Unicode 是十六進位制數4E25,轉換成二進位制數足足有15位(100111000100101),也就是說,這個符號的表示至少需要2個位元組。表示其他更大的符號,可能需要3個位元組或者4個位元組,甚至更多。

        這裡就有兩個嚴重的問題,第一個問題是,如何才能區別 Unicode 和 ASCII ?計算機怎麼知道三個位元組表示一個符號,而不是分別表示三個符號呢?第二個問題是,我們已經知道,英文字母只用一個位元組表示就夠了,如果 Unicode 統一規定,每個符號用三個或四個位元組表示,那麼每個英文字母前都必然有二到三個位元組是0,這對於儲存來說是極大的浪費,文字檔案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 的多種儲存方式。 2)Unicode 在很長一段時間內無法推廣,因為儲存方式不統一。

6、UTF-8

        隨著網際網路發展,出現了UTF-8,它是使用最廣的Unicode儲存方式,類似的還有UTF-16和UTF-32。UTF-8 最大的一個特點,就是它是一種變長的編碼方式。它可以使用1~4個位元組表示一個符號,根據不同的符號而變化位元組長度。
        UTF-8 的編碼規則很簡單,只有二條:

        1)對於單位元組的符號,位元組的第一位設為0,後面7位為這個符號的 Unicode 碼。這和ASCII碼編碼規則一樣,因此對於英語字母,UTF-8 編碼和 ASCII 碼是相同的。

        2)對於n位元組的符號(n > 1),第一個位元組的前n位都設為1,第n + 1位設為0,後面位元組的前兩位一律設為10。剩下的沒有提及的二進位制位,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。

        根據上表可知,如果第一個位元組的第一位為0,那麼這個位元組單獨就表示一個字元。如果第一位是1,則後面連續有幾個1,就表示當前字元佔用幾個位元組。

        如“嚴”的Unicode是是4E25(100111000100101),根據上表,可以發現4E25處在第三行的範圍內(0000 0800 - 0000 FFFF),因此嚴的 UTF-8 編碼需要三個位元組,即格式是1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。然後,從嚴的最後一個二進位制位開始,依次從後向前填入格式中的x,多出的位補0。這樣就得到了,嚴的 UTF-8 編碼是11100100 10111000 10100101,轉換成十六進位制就是E4B8A5

7、(小端)Little endian和(大端)Big endian模式

        檔案的儲存可以分為大端模式和小端模式,Unicode 規定,每一個檔案的最前面分別加入一個表示編碼順序的字元,這個字元的名字叫做"零寬度非換行空格"(zero width no-break space),用FEFF表示。這正好是兩個位元組,而且FF比FE大1。

        如果一個文字檔案的頭兩個位元組是FE FF,就表示該檔案採用大頭方式;如果頭兩個位元組是FF FE,就表示該檔案採用小頭方式。

8、例項

        開啟記事本,新建一個文字檔案,內容就是一個嚴字,依次採用ANSI,Unicode,Unicode big endian和UTF-8編碼方式儲存。然後,用文字編輯軟體UltraEdit 中的"十六進位制功能",觀察該檔案的內部編碼方式。

1)ANSI:檔案的編碼就是兩個位元組D1 CF,這正是嚴的 GB2312 編碼,這也暗示 GB2312 是採用大端方式儲存的。

2)Unicode:編碼是四個位元組FF FE 25 4E,其中FF FE表明是小端方式儲存,真正的編碼是4E25。

3)Unicode big endian:編碼是四個位元組FE FF 4E 25,其中FE FF表明是大端方式儲存。

4)UTF-8:編碼是六個位元組EF BB BF E4 B8 A5,前三個位元組EF BB BF表示這是UTF-8編碼,後三個E4  B8  A5就是嚴的具體編碼,它的儲存順序與編碼順序是一致的。

9、編碼方式在計算機和網際網路之間的轉換

        在計算機記憶體中,統一使用Unicode編碼,當需要儲存到硬碟或者需要傳輸的時候,就轉換為UTF-8編碼。

        用記事本編輯的時候,從檔案讀取的UTF-8字元被轉換為Unicode字元到記憶體裡,編輯完成後,儲存的時候再把Unicode轉換為UTF-8儲存到檔案:

瀏覽網頁的時候,伺服器會把動態生成的Unicode內容轉換為UTF-8再傳輸到瀏覽器:

所以你看到很多網頁的原始碼上會有類似<meta charset="UTF-8" />的資訊,表示該網頁正是用的UTF-8編碼。