Unicode(UTF-8, UTF-16)令人混淆的概念

Posted 2023-02-09 wlgy123

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为啥需要Unicode

 

      我们知道计算机其实挺笨的,它只认识0101这样的字符串,当然了我们看这样的01串时肯定会比较头晕的,所以很多时候为了描述简单都用十进制,十六进制,八进制表示.实际上都是等价的,没啥太多不一样.其他啥文字图片之类的其他东东计算机不认识.那为了在计算机上表示这些信息就必须转换成一些数字.你肯定不能想怎么转换就怎么转,必须得有定些规则.于是刚开始的时候就有ASCII字符集(American Standard Code for Information Interchange， "美国信息交换标准码),它使用7 bits来表示一个字符,总共表示128个字符,我们一般都是用字节(byte,即8个01串)来作为基本单位.那么怎么当用一个字节来表示字符时第一个bit总是0,剩下的七个字节就来表示实际内容.后来IBM公司在此基础上进行了扩展，用8bit来表示一个字符，总共可以表示256个字符.也就是当第一个bit是0时仍表示之前那些常用的字符.当为1时就表示其他补充的字符.

        英文字母再加一些其他标点字符之类的也不会超过256个.一个字节表示主足够了.但其他一些文字不止这么多 ,像汉字就上万个.于是又出现了其他各种字符集.这样不同的字符集交换数据时就有问题了.可能你用某个数字表示字符A,但另外的字符集又是用另外一个数字表示A.这样交互起来就麻烦了.于是就出现了Unicode和ISO这样的组织来统一制定一个标准,任何一个字符只对应一个确定的数字.ISO取的名字叫UCS(Universal Character Set),Unicode取的名字就叫unicode了.

      总结起来为啥需要Unicodey就是为了适应全球化的发展,便于不同语言之间的兼容交互,而ASCII不再能胜任此任务了.

 

Unicode详细介绍

 

1.容易产生后歧义的两字节

        unicode的第一个版本是用两个字节(16bit)来表示所有字符

        .实际上这么说容易让人产生歧义,我们总觉得两个字节就代表保存在计算机中时是两个字节.于是任何字符如果用unicode表示的话保存下来都占两个字节.其实这种说法是错误的.

     其实Unicode涉及到两个步骤,首先是定义一个规范,给所有的字符指定一个唯一对应的数字,这完全是数学问题,可以跟计算机没半毛钱关系.第二步才是怎么把字符对应的数字保存在计算机中,这才涉及到实际在计算机中占多少字节空间.

     所以我们也可以这样理解,Unicode是用0至65535之间的数字来表示所有字符.其中0至127这128个数字表示的字符仍然跟ASCII完全一样.65536是2的16次方.这是第一步.第二步就是怎么把0至65535这些数字转化成01串保存到计算机中.这肯定就有不同的保存方式了.于是出现了UTF(unicode transformation format),有UTF-8,UTF-16.

 

2.UTF-8 与UTF-16的区别

    UTF-16比较好理解,就是任何字符对应的数字都用两个字节来保存.我们通常对Unicode的误解就是把Unicode与UTF-16等同了.但是很显然如果都是英文字母这做有点浪费.明明用一个字节能表示一个字符为啥整两个啊.

   于是又有个UTF-8,这里的8非常容易误导人,8不是指一个字节,难道一个字节表示一个字符?实际上不是.当用UTF-8时表示一个字符是可变的,有可能是用一个字节表示一个字符,也可能是两个,三个.当然最多不能超过3个字节了.反正是根据字符对应的数字大小来确定.

   于是UTF-8和UTF-16的优劣很容易就看出来了.如果全部英文或英文与其他文字混合,但英文占绝大部分,用UTF-8就比UTF-16节省了很多空间.而如果全部是中文这样类似的字符或者混合字符中中文占绝大多数.UTF-16就占优势了,可以节省很多空间.另外还有个容错问题,等会再讲

  看的有点晕了吧,举个例子.假如中文字"汉"对应的unicode是6C49(这是用十六进制表示,用十进制表示是27721为啥不用十进制表示呢?很明显用十六进制表示要短点.其实都是等价的没啥不一样.就跟你说60分钟和1小时一样.).你可能会问当用程序打开一个文件时我们怎么知道那是用的UTF-8还是UTF-16啊.自然会有点啥标志,在文件的开头几个字节就是标志.

EF BB BF 表示UTF-8

FE FF 表示UTF-16.

 

用UTF-16表示"汉"

假如用UTF-16表示的话就是01101100   01001001(共16 bit,两个字节).程序解析的时候知道是UTF-16就把两个字节当成一个单元来解析.这个很简单.

用UTF-8表示"汉"

用UTF-8就有复杂点.因为此时程序是把一个字节一个字节的来读取,然后再根据字节中开头的bit标志来识别是该把1个还是两个或三个字节做为一个单元来处理.

0xxxxxxx,如果是这样的01串,也就是以0开头后面是啥就不用管了XX代表任意bit.就表示把一个字节做为一个单元.就跟ASCII完全一样.

110xxxxx 10xxxxxx.如果是这样的格式,则把两个字节当一个单元

1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 如果是这种格式则是三个字节当一个单元.

这是约定的规则.你用UTF-8来表示时必须遵守这样的规则.我们知道UTF-16不需要用啥字符来做标志,所以两字节也就是2的16次能表示65536个字符.

而UTF-8由于里面有额外的标志信息,所有一个字节只能表示2的7次方128个字符,两个字节只能表示2的11次方2048个字符.而三个字节能表示2的16次方,65536个字符.

由于"汉"的编码27721大于2048了所有两个字节还不够,只能用三个字节来表示.

所有要用1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx这种格式.把27721对应的二进制从左到右填充XXX符号(实际上不一定从左到右,也可以从右到左,这是涉及到另外一个问题.等会说.

刚说到填充方式可以不一样,于是就出现了Big-Endian,Little-Endian的术语.Big-Endian就是从左到右,Little-Endian是从右到左.

由上面我们可以看出UTF-8需要判断每个字节中的开头标志信息,所以如果一当某个字节在传送过程中出错了,就会导致后面的字节也会解析出错.而UTF-16不会判断开头标志,即使错也只会错一个字符,所以容错能力强.

 

Unicode版本2

    前面说的都是unicode的第一个版本.但65536显然不算太多的数字,用它来表示常用的字符是没一点问题.足够了,但如果加上很多特殊的就也不够了.于是从1996年开始又来了第二个版本.用四个字节表示所有字符.这样就出现了UTF-8,UTF16,UTF-32.原理和之前肯定是完全一样的,UTF-32就是把所有的字符都用32bit也就是4个字节来表示.然后UTF-8,UTF-16就视情况而定了.UTF-8可以选择1至8个字节中的任一个来表示.而UTF-16只能是选两字节或四字节..由于unicode版本2的原理完全是一样的,就不多说了.

前面说了要知道具体是哪种编码方式,需要判断文本开头的标志,下面是所有编码对应的开头标志

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.

其中的UCS就是前面说的ISO制定的标准,和Unicode是完全一样的,只不过名字不一样.ucs-2对应utf-16,ucs-4对应UTF-32.UTF-8是没有对应的UCS