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Unicode編碼 解釋UCS、UTF、BMP、BOM

2019-11-18 11:59:08
字體：大 中 小
來源：轉載
供稿：網友

　　這是一篇程序員寫給程序員的趣味讀物。所謂趣味是指可以比較輕松地了解一些原來不清楚的概念，增進知識，類似于打RPG游戲的升級。整理這篇文章的動機是兩個問題：
　　
　　問題一：
　　
　　使用Windows記事本的“另存為”，可以在GBK、Unicode、Unicode big endian和UTF-8這幾種編碼方式間相互轉換。同樣是txt文件，Windows是怎樣識別編碼方式的呢？
　　
　　我很早前就發現Unicode、Unicode big endian和UTF-8編碼的txt文件的開頭會多出幾個字節，分別是FF、FE（Unicode）,FE、FF（Unicode big endian）,EF、BB、BF（UTF-8）。但這些標記是基于什么標準呢？
　　
　　問題二：
　　
　　最近在網上看到一個ConvertUTF.c，實現了UTF-32、UTF-16和UTF-8這三種編碼方式的相互轉換。對于Unicode(UCS2)、GBK、UTF-8這些編碼方式，我原來就了解。但這個程序讓我有些糊涂，想不起來UTF-16和UCS2有什么關系。
　　
　　查了查相關資料，總算將這些問題弄清楚了，順帶也了解了一些Unicode的細節。寫成一篇文章，送給有過類似疑問的朋友。本文在寫作時盡量做到通俗易懂，但要求讀者知道什么是字節，什么是十六進制。
　　
　　0、big endian和little endian
　　
　　big endian和little endian是CPU處理多字節數的不同方式。例如“漢”字的Unicode編碼是6C49。那么寫到文件里時，究竟是將6C寫在前面，還是將49寫在前面？假如將6C寫在前面，就是big endian。假如將49寫在前面，就是little endian。
　　
　　“endian”這個詞出自《格列佛游記》。小人國的內戰就源于吃雞蛋時是究竟從大頭(Big-Endian)敲開還是從小頭(Little-Endian)敲開，由此曾發生過六次叛亂，一個皇帝送了命，另一個丟了王位。
　　
　　我們一般將endian翻譯成“字節序”，將big endian和little endian稱作“大尾”和“小尾”。
　　
　　1、字符編碼、內碼，順帶介紹漢字編碼
　　
　　字符必須編碼后才能被計算機處理。計算機使用的缺省編碼方式就是計算機的內碼。早期的計算機使用7位的ASCII編碼，為了處理漢字，程序員設計了用于簡體中文的GB2312和用于繁體中文的big5。
　　
　　GB2312(1980年)一共收錄了7445個字符，包括6763個漢字和682個其它符號。漢字區的內碼范圍高字節從B0-F7，低字節從A1-FE，占用的碼位是72*94=6768。其中有5個空位是D7FA-D7FE。
　　
　　GB2312支持的漢字太少。1995年的漢字擴展規范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個字符。
　　
　　從ASCII、GB2312到GBK，這些編碼方法是向下兼容的，即同一個字符在這些方案中總是有相同的編碼，后面的標準支持更多的字符。在這些編碼中，英文和中文可以統一地處理。區分中文編碼的方法是高字節的最高位不為0。按照程序員的稱呼，GB2312、GBK都屬于雙字節字符集 (DBCS)。
　　
　　2000年的GB18030是取代GBK1.0的正式國家標準。該標準收錄了27484個漢字，同時還收錄了藏文、蒙文、維吾爾文等主要的少數民族文字。從漢字字匯上說，GB18030在GB13000.1的20902個漢字的基礎上增加了CJK擴展A的6582個漢字（Unicode碼0x3400-0x4db5），一共收錄了27484個漢字。
　　
　　CJK就是中日韓的意思。Unicode為了節省碼位，將中日韓三國語言中的文字統一編碼。GB13000.1就是ISO/IEC 10646-1的中文版，相當于Unicode 1.1。
　　
　　GB18030的編碼采用單字節、雙字節和4字節方案。其中單字節、雙字節和GBK是完全兼容的。4字節編碼的碼位就是收錄了CJK擴展A的6582個漢字。 例如：UCS的0x3400在GB18030中的編碼應該是8139EF30，UCS的0x3401在GB18030中的編碼應該是8139EF31。
　　
　　微軟提供了GB18030的升級包，但這個升級包只是提供了一套支持CJK擴展A的6582個漢字的新字體：新宋體-18030，并不改變內碼。Windows 的內碼仍然是GBK。
　　
　　這里還有一些細節：
　　
　　GB2312的原文還是區位碼，從區位碼到內碼，需要在高字節和低字節上分別加上A0。
　　
　　對于任何字符編碼，編碼單元的順序是由編碼方案指定的，與endian無關。例如GBK的編碼單元是字節，用兩個字節表示一個漢字。 這兩個字節的順序是固定的，不受CPU字節序的影響。UTF-16的編碼單元是Word（雙字節），word之間的順序是編碼方案指定的，word內部的字節排列才會受到endian的影響。后面還會介紹UTF-16。
　　
　　GB2312的兩個字節的最高位都是1。但符合這個條件的碼位只有128*128=16384個。所以GBK和GB18030的低字節最高位都可能不是1。不過這不影響DBCS字符流的解析：在讀取DBCS字符流時，只要碰到高位為1的字節，就可以將下兩個字節作為一個雙字節編碼，而不用管低字節的高位是什么。
　　
　　2、Unicode、UCS和UTF
　　
　　前面提到從ASCII、GB2312、GBK到GB18030的編碼方法是向下兼容的。而Unicode只與ASCII兼容（更準確地說，是與ISO-8859-1兼容），與GB碼不兼容。例如“漢”字的Unicode編碼是6C49，而GB碼是BABA。
　　
　　Unicode也是一種字符編碼方法，不過它是由國際組織設計，可以容納全世界所有語言文字的編碼方案。Unicode的學名是"Universal Multiple-Octet Coded Character Set"，簡稱為UCS。UCS可以看作是"Unicode Character Set"的縮寫。
　　
　　根據維基百科全書(http://zh.wikipedia.org/wiki/)的記載：歷史上存在兩個試圖獨立設計Unicode的組織，即國際標準化組織（ISO）和一個軟件制造商的協會（unicode.org）。ISO開發了ISO 10646項目，Unicode協會開發了Unicode項目。
　　
　　在1991年前后，雙方都熟悉到世界不需要兩個不兼容的字符集。于是它們開始合并雙方的工作成果，并為創立一個單一編碼表而協同工作。從Unicode2.0開始，Unicode項目采用了與ISO 10646-1相同的字庫和字碼。
　　
　　目前兩個項目仍都存在，并獨立地公布各自的標準。Unicode協會現在的最新版本是2005年的Unicode 4.1.0。ISO的最新標準是ISO 10646-3:2003。
　　
　　UCS只是規定如何編碼，并沒有規定如何傳輸、保存這個編碼。例如“漢”字的UCS編碼是6C49，我可以用4個ascii數字來傳輸、保存這個編碼；也可以用utf-8編碼:3個連續的字節E6 B1 89來表示它。要害在于通信雙方都要認可。UTF-8、UTF-7、UTF-16都是被廣泛接受的方案。UTF-8的一個非凡的好處是它與ISO-8859-1完全兼容。UTF是“UCS Transformation Format”的縮寫。
　　
　　IETF的RFC2781和RFC3629以RFC的一貫風格，清楚、明快又不失嚴謹地描述了UTF-16和UTF-8的編碼方法。我總是記不得IETF是Internet Engineering Task Force的縮寫。但IETF負責維護的RFC是Internet上一切規范的基礎。
　　
　　2.1、內碼和code page
　　
　　目前Windows的內核已經支持Unicode字符集，這樣在內核上可以支持全世界所有的語言文字。但是由于現有的大量程序和文檔都采用了某種特定語言的編碼，例如GBK，Windows不可能不支持現有的編碼，而全部改用Unicode。
　　
　　Windows使用代碼頁(code page)來適應各個國家和地區。code page可以被理解為前面提到的內碼。GBK對應的code page是CP936。
　　
　　微軟也為GB18030定義了code page：CP54936。但是由于GB18030有一部分4字節編碼，而Windows的代碼頁只支持單字節和雙字節編碼，所以這個code page是無法真正使用的。
　　
　　3、UCS-2、UCS-4、BMP
　　
　　UCS有兩種格式：UCS-2和UCS-4。顧名思義，UCS-2就是用兩個字節編碼，UCS-4就是用4個字節（實際上只用了31位，最高位必須為0）編碼。下面讓我們做一些簡單的數學游戲：
　　
　　UCS-2有2^16=65536個碼位，UCS-4有2^31=2147483648個碼位。
　　
　　UCS-4根據最高位為0的最高字節分成2^7=128個group。每個group再根據次高字節分為256個plane。每個plane根據第3個字節分為256行 (rows)，每行包含256個cells。當然同一行的cells只是最后一個字節不同，其余都相同。
　　
　　group 0的plane 0被稱作Basic Multilingual Plane, 即BMP?；蛘哒fUCS-4中，高兩個字節為0的碼位被稱作BMP。
　　
　　將UCS-4的BMP去掉前面的兩個零字節就得到了UCS-2。在UCS-2的兩個字節前加上兩個零字節，就得到了UCS-4的BMP。而目前的UCS-4規范中還沒有任何字符被分配在BMP之外。
　　
　　4、UTF編碼
　　
　　UTF-8就是以8位為單元對UCS進行編碼。從UCS-2到UTF-8的編碼方式如下：
　　
　　UCS-2編碼(16進制)　　UTF-8 字節流(二進制)
　　
　　0000 - 007F　　0xxxxxxx
　　
　　0080 - 07FF　　110xxxxx 10xxxxxx
　　
　　0800 - FFFF　　1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
　　
　　例如“漢”字的Unicode編碼是6C49。6C49在0800-FFFF之間，所以肯定要用3字節模板了：1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。將6C49寫成二進制是：0110 110001 001001， 用這個比特流依次代替模板中的x，得到：11100110 10110001 10001001，即E6 B1 89。
　　
　　讀者可以用記事本測試一下我們的編碼是否正確。需要注重，UltraEdit在打開utf-8編碼的文本文件時會自動轉換為UTF-16，可能產生混淆。你可以在設置中關掉這個選項。更好的工具是Hex Workshop。
　　
　　UTF-16以16位為單元對UCS進行編碼。對于小于0x10000的UCS碼，UTF-16編碼就等于UCS碼對應的16位無符號整數。對于不小于0x10000的UCS碼，定義了一個算法。不過由于實際使用的UCS2，或者UCS4的BMP必然小于0x10000，所以就目前而言，可以認為UTF-16和UCS-2基本相同。但UCS-2只是一個編碼方案，UTF-16卻要用于實際的傳輸，所以就不得不考慮字節序的問題。
　　
　　5、UTF的字節序和BOM
　　
　　UTF-8以字

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