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幾種常見的編碼格式 碼錶

字元編碼簡介:ASCII,Unicode,UTF-8,GB2312


1. ASCII碼


我們知道,在計算機內部,所有的資訊最終都表示為一個二進位制的字串。每一個二進位制位(bit)有0和 1兩種狀態,因此八個二進位制位就可以組合出256種狀態,這被稱為一個位元組(byte)。也就是說,一個位元組一共可以用來表示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碼錶示。於是,一些歐洲國家就決定,利用位元組中閒置的最高位編入新的符號。比如,法語中的é的編碼為130(二進位制 10000010)。這樣一來,這些歐洲國家使用的編碼體系,可以表示最多256個符號。


但是,這裡又出現了新的問題。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 (),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。



至於亞洲國家的文字,使用的符號就更多了,漢字就多達10萬左右。一個位元組只能表示256種符號,肯定是不夠的,就必須使用多個位元組表達一個符號。比如,簡體中文常見的編碼方式是GB2312,使用兩個位元組表示一個漢字,所以理論上最多可以表示 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。這裡只指出,雖然都是用多個位元組表示一個符號,但是GB類的漢字編碼與後文的Unicode和UTF-8是毫無關係的。


3、Unicode


Unicode字符集(簡稱為UCS),國際標準組織於1984年4月成立ISO/IEC JTC1/SC2/WG2工作組,針對各國文字、符號進行統一性編碼。1991年美國跨國公司成立Unicode Consortium,並於1991年10月與WG2達成協議,採用同一編碼字集。目前Unicode是採用16位編碼體系,其字符集內容與 ISO10646的BMP(Basic Multilingual Plane)相同。Unicode於1992年6月通過DIS(Draf International Standard),目前版本V2.0於1996公佈,內容包含符號6811個,漢字20902個,韓文拼音11172個,造字區6400個,保留 20249個,共計65534個。Unicode編碼後的大小是一樣的.例如一個英文字母 "a" 和 一個漢字 "好",編碼後都是佔用的空間大小是一樣的,都是兩個位元組!



Unicode可以用來表示所有語言的字元,而且是定長雙位元組(也有四位元組的)編碼,包括英文字母在內。所以可以說它是不相容iso8859-1編碼的,也不相容任何編碼。不過,相對於iso8859-1編碼來說,uniocode編碼只是在前面增加了一個0位元組,比如字母'a'為"00 61"。


需要說明的是,定長編碼便於計算機處理(注意GB2312/GBK不是定長編碼),而unicode又可以用來表示所有字元,所以在很多軟體內部是使用unicode編碼來處理的,比如java。


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。 http://www.chi2ko.com/tool/CJK.htm


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位制程式碼,卻沒有規定這個二進位制程式碼應該如何儲存。


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,也就是說有許多種不同的二進位制格式,可以用來表示unicode。2)unicode在很長一段時間內無法推廣,直到網際網路的出現。


5.UTF-8

網際網路的普及,強烈要求出現一種統一的編碼方式。UTF-8就是在網際網路上使用最廣的一種unicode的實現方式。其他實現方式還包括UTF-16和UTF-32,不過在網際網路上基本不用。重複一遍,這裡的關係是,UTF-8是Unicode的實現方式之一。


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。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。

Unicode符號範圍 | UTF-8編碼方式
(十六進位制) | (二進位制)
--------------------+---------------------------------------------
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。


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式實現。


在Windows平臺下,有一個最簡單的轉化方法,就是使用內建的記事本小程式Notepad.exe。開啟檔案後,點選“檔案”選單中的“另存為”命令,會跳出一個對話方塊,在最底部有一個“編碼”的下拉條。



裡面有四個選項:ANSI,Unicode,Unicode big endian 和 UTF-8。

1)ANSI是預設的編碼方式。對於英文檔案是ASCII編碼,對於簡體中文檔案是GB2312編碼(只針對Windows簡體中文版,如果是繁體中文版會採用Big5碼)。

2)Unicode編碼指的是UCS-2編碼方式,即直接用兩個位元組存入字元的Unicode碼。這個選項用的little endian格式。

3)Unicode big endian編碼與上一個選項相對應。我在下一節會解釋little endian和big endian的涵義。

4)UTF-8編碼,也就是上一節談到的編碼方法。


選擇完”編碼方式“後,點選”儲存“按鈕,檔案的編碼方式就立刻轉換好了。


7. Little endian和Big endian


上一節已經提到,Unicode碼可以採用UCS-2格式直接儲存。以漢字”嚴“為例,Unicode 碼是4E25,需要用兩個位元組儲存,一個位元組是4E,另一個位元組是25。儲存的時候,4E在前,25在後,就是Big endian方式;25在前,4E在後,就是Little endian方式。


這兩個古怪的名稱來自英國作家斯威夫特的《格列佛遊記》。在該書中,小人國裡爆發了內戰,戰爭起因是人們爭論,吃雞蛋時究竟是從大頭(Big-Endian)敲開還是從小頭(Little-Endian)敲開。為了這件事情,前後爆發了六次戰爭,一個皇帝送了命,另一個皇帝丟了王位。


因此,第一個位元組在前,就是”大頭方式“(Big endian),第二個位元組在前就是”小頭方式“(Little endian)。


那麼很自然的,就會出現一個問題:計算機怎麼知道某一個檔案到底採用哪一種方式編碼?


Unicode規範中定義,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


下面,舉一個例項。


開啟”記事本“程式Notepad.exe,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是採用大頭方式儲存的。

2)Unicode:編碼是四個位元組“FF FE 25 4E”,其中“FF FE”表明是小頭方式儲存,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”表明是大頭方式儲存。

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“E4B8A5”就是“嚴”的具體編碼,它的儲存順序與編碼順序是一致的。


9 國標


9.1 GB碼

    全稱是GB2312-80《資訊交換用漢字編碼字符集基本集》,1980年釋出,是中文資訊處理的國家標準,在大陸及海外使用簡體中文的地區(如新加坡等)是強制使用的唯一中文編碼。P-Windows3.2和蘋果OS就是以GB2312為基本漢字編碼, Windows 95/98則以GBK為基本漢字編碼、但相容支援GB2312。


雙位元組編碼
範圍:A1A1~FEFE
A1-A9:符號區,包含682個符號
B0-F7:漢字區,包含6763個漢字



9.2 GB2312

    GB2312(1980年)一共收錄了7445個字元,包括6763個漢字和682個其它符號。漢字區的內碼範圍高位元組從B0-F7,低位元組從 A1-FE,佔用的碼位是72*94=6768。其中有5個空位是D7FA-D7FE。GB2312-80中共收錄了7545個字元,用兩個位元組編碼一個字元。每個字元最高位為0。GB2312-80編碼簡稱國標碼。

  GB2312支援的漢字太少。1995年的漢字擴充套件規範GBK1.0收錄了21886個符號,它分為漢字區和圖形符號區。漢字區包括21003個字元。



9.3 GB12345-90

1990年制定了繁體字的編碼標準GB12345-90《資訊交換用漢字編碼字符集第一輔助集》,目的在於規範必須使用繁體字的各種場合,以及古籍整理等。該標準共收錄6866個漢字(比GB2312多103個字,其它廠商的字型檔大多不包括這些字),純繁體的字大概有2200餘個。
雙位元組編碼
範圍:A1A1~FEFE
A1-A9:符號區,增加豎排符號
B0-F9:漢字區,包含6866個漢字



9.4 GBK

    GBK編碼(Chinese Internal Code Specification)是中國大陸制訂的、等同於UCS的新的中文編碼擴充套件國家標準。gbk編碼能夠用來同時表示繁體字和簡體字,而gb2312只能表示簡體字,gbk是相容gb2312編碼的。GBK工作小組於1995年10月,同年12月完成GBK規範。該編碼標準相容GB2312,共收錄漢字 21003個、符號883個,並提供1894個造字碼位,簡、繁體字融於一庫。Windows95/98簡體中文版的字型檔表層編碼就採用的是GBK,通過 GBK與UCS之間一一對應的碼錶與底層字型檔聯絡。
英文名:Chinese Internal Code Specification
中文名:漢字內碼擴充套件規範1.0版
雙位元組編碼,GB2312-80的擴充,在碼位上和GB2312-80相容
範圍:8140~FEFE(剔除xx7F)共23940個碼位
包含21003個漢字,包含了ISO/IEC 10646-1中的全部中日韓漢字