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4 Dec.2007

字符编码详解 夜晚

作者: 我就是个世界   分类:技术&学习   出处:本站原创            | |
这是一篇程序员写给程序员的趣味读物。所谓趣味是指可以比较轻松地了解一些原来不清楚的概念,增进知识,类似于打RPG游戏的升级。整理这篇文章的动机是两个问题:

问题一:
    使用Windows记事本的“另存为”,可以在GBK、Unicode、Unicode big endian和UTF-8这几种编码方式间相互转换。同样是txt文件,Windows是怎样识别编码方式的呢?

    我很早前就发现Unicode、Unicode big endian和UTF-8编码的txt文件的开头会多出几个字节,分别是FF、FE(Unicode),FE、FF(Unicode big endian),EF、BB、BF(UTF-8)。但这些标记是基于什么标准呢?


问题二:
    最近在网上看到一个ConvertUTF.c,实现了UTF-32、UTF-16和UTF-8这三种编码方式的相互转换。对于Unicode (UCS2)、 GBK、UTF-8这些编码方式,我原来就了解。但这个程序让我有些糊涂,想不起来UTF-16和UCS2有什么关系。

查了查相关资料,总算将这些问题弄清楚了,顺带也了解了一些Unicode的细节。写成一篇文章,送给有过类似疑问的朋友。本文在写作时尽量做到通俗易懂,但要求读者知道什么是字节,什么是十六进制。


0、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,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”。


1、字符编码、内码,顺带介绍汉字编码

字符必须编码后才能被计算机处理。计算机使用的缺省编码方式就是计算机的内码。早期的计算机使用7位的ASCII编码,为了处理汉字,程序员设计了用于简体中文的GB2312和用于繁体中文的big5。

GB2312(1980年)一共收录了7445个字符,包括6763个汉字和682个其它符号。汉字区的内码范围高字节从B0-F7,低字节从A1-FE,占用的码位是72*94=6768。其中有5个空位是D7FA-D7FE。

GB2312支持的汉字太少。1995年的汉字扩展规范GBK1.0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。

从ASCII、 GB2312到GBK,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。区分中文编码的方法是高字节的最高位不为0。按照程序员的称呼,GB2312、GBK都属于双字节字符集 (DBCS)。

2000 年的GB18030是取代GBK1.0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。从汉字字汇上说,GB18030在GB13000.1的20902个汉字的基础上增加了CJK扩展A的6582个汉字(Unicode码 0x3400-0x4db5),一共收录了27484个汉字。

CJK就是中日韩的意思。Unicode为了节省码位,将中日韩三国语言中的文字统一编码。GB13000.1就是ISO/IEC 10646-1的中文版,相当于Unicode 1.1。

GB18030 的编码采用单字节、双字节和4字节方案。其中单字节、双字节和GBK是完全兼容的。4字节编码的码位就是收录了CJK扩展A的6582个汉字。例如:UCS的0x3400在GB18030中的编码应该是8139EF30,UCS的0x3401在GB18030中的编码应该是8139EF31。

微软提供了GB18030的升级包,但这个升级包只是提供了一套支持CJK扩展A的6582个汉字的新字体:新宋体-18030,并不改变内码。Windows 的内码仍然是GBK。

这里还有一些细节:

    *GB2312的原文还是区位码,从区位码到内码,需要在高字节和低字节上分别加上A0。
    *对于任何字符编码,编码单元的顺序是由编码方案指定的,与endian无关。例如GBK的编码单元是字节,用两个字节表示一个汉字。这两个字节的顺序是固定的,不受CPU字节序的影响。UTF-16的编码单元是word(双字节),word之间的顺序是编码方案指定的,word内部的字节排列才会受到endian的影响。后面还会介绍UTF-16。
    *GB2312 的两个字节的最高位都是1。但符合这个条件的码位只有128*128=16384个。所以GBK和GB18030的低字节最高位都可能不是1。不过这不影响DBCS字符流的解析:在读取DBCS字符流时,只要遇到高位为1的字节,就可以将下两个字节作为一个双字节编码,而不用管低字节的高位是什么。

2、Unicode、UCS和UTF

前面提到从ASCII、GB2312、GBK到GB18030的编码方法是向下兼容的。而Unicode只与ASCII兼容(更准确地说,是与ISO-8859-1兼容),与GB码不兼容。例如“汉”字的Unicode编码是6C49,而GB码是BABA。

Unicode 也是一种字符编码方法,不过它是由国际组织设计,可以容纳全世界所有语言文字的编码方案。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。

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ISO 10646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ISO 10646-1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。Unicode协会现在的最新版本是2005年的Unicode 4.1.0。ISO的最新标准是ISO 10646-3:2003。

UCS 只是规定如何编码,并没有规定如何传输、保存这个编码。例如“汉”字的UCS编码是6C49,我可以用4个ascii数字来传输、保存这个编码;也可以用 utf-8编码:3个连续的字节E6B1 89来表示它。关键在于通信双方都要认可。UTF-8、UTF-7、UTF-16都是被广泛接受的方案。UTF-8的一个特别的好处是它与ISO- 8859-1完全兼容。UTF是“UCS Transformation Format”的缩写。

IETF的RFC2781和 RFC3629以RFC的一贯风格,清晰、明快又不失严谨地描述了UTF-16和UTF-8的编码方法。我总是记不得IETF是Internet Engineering Task Force的缩写。但IETF负责维护的RFC是Internet上一切规范的基础。
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