计算机基础之编码

Posted 2022-04-28 ys-python

引子

通过上一节讲的二进制的知识，大家已经知道计算机只认识二进制，生活中的数字要想让计算机理解就必须转换成二进制。十进制到二进制的转换只能解决计算机理解数字的问题，那么文字要怎么让计算机理解呢？

于是我们就选择了一种曲线救国的方式，既然数字可以转换成十进制，我们只要想办法把文字转换成数字，这样文字不就可以表示成二进制了么？

可是文字应该怎么转换成数字呢？就是强制转换啊，简单粗暴呀。 我们自己强行约定了一个表，把文字和数字对应上，这张表就相当于翻译，我们可以拿着一个数字来对比对应表找到相应的文字，反之亦然。

ASCII码

这张表就是计算机显示各种文字、符号的基石呀

ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码）是基于拉丁字母的一套电脑编码系统，主要用于显示现代英语和其他西欧语言。它是现今最通用的单字节编码系统，并等同于国际标准ISO/IEC 646。

由于计算机是美国人发明的，因此，最早只有127个字母被编码到计算机里，也就是大小写英文字母、数字和一些符号，这个编码表被称为ASCII编码，比如大写字母 A的编码是65，小写字母 z的编码是122。后128个称为扩展ASCII码。

 

那现在我们就知道了上面的字母符号和数字对应的表是早就存在的。那么根据现在有的一些十进制，我们就可以转换成二进制的编码串。

比如:

1. 一个空格对应的数字是0 翻译成二进制就是0（注意字符‘0‘和整数0是不同的）
2. 一个对勾√对应的数字是251 翻译成二进制就是11111011

提问：假如我们要打印两个空格一个对勾 写作二进制就应该是 0011111011， 但是问题来了，我们怎么知道从哪儿到哪儿是一个字符呢？

论断句的重要性与必要性：

上次在网上看到个新闻，讲是个小偷在上海被捕时高喊道：“我一定要当上海贼王！”

正是由于这些字符串长的长，短的短，写在一起让我们难以分清每一个字符的起止位置，所以聪明的人类就想出了一个解决办法，既然一共就这255个字符，那最长的也不过是11111111八位，不如我们就把所有的二进制都转换成8位的，不足的用0来替换。

这样一来，刚刚的两个空格一个对勾就写作000000000000000011111011，读取的时候只要每次读8个字符就能知道每个字符的二进制值啦。

在这里，每一位0或者1所占的空间单位为bit(比特)，这是计算机中最小的表示单位

每8个bit组成一个字节，这是计算机中最小的存储单位(毕竟你是没有办法存储半个字符的)orz～

bit           位，计算机中最小的表示单位
8bit = 1bytes 字节，最小的存储单位，1bytes缩写为1B
1KB=1024B
1MB=1024KB
1GB=1024MB
1TB=1024GB
1PB=1024TB

GB2312 & GBK

英文问题是解决了， 我们中文如何显示呢？ 美国佬设计ASSCII码的时候应该是没考虑中国人有一天也能用上电脑， 所以根本没考虑中文的问题，上世界80年代，电脑进入中国，把砖家们难倒了，妈的你个一ASSCII只能存256个字符，我常用汉字就几千个，怎么玩？？？勒紧裤腰带还苏联贷款的时候我们都挺过来啦，这点小事难不到我们， 既然美帝的ASCII不支持中文，那我们自己搞张编码表不就行了， 于是我们设计出了GB2312编码表，长成下面的样子。一共存了6763个汉字。

这个表格比较大，像上面的一块块的文字区域有72个，这导致通过一个字节是没办法表示一个汉字的(因为一个字节最多允许256个字符变种，你现在6千多个，只能2个字节啦，2**16=65535个变种)。

有了gb2312，我们就能愉快的写中文啦。

但我们写字竟然会出现中英混杂的情况，比如“我是小猿圈，我的英文名叫Apeland.”， 这种你怎么办？这就要求你必须在gb2312里同时支持英文，但是还不能是2个字节表示一个英文字母。人家ASCII用一个字符，你用2个，那一个2mb大小的英文文档只要一改编码，就立刻变成4mb, 太坑爹，中国人你有钱也不能这么造呀。 所以中国砖家们又通过神奇手段兼容了ASSCII, 即遇到中文用2个字节，遇到英文直接用ASCII的编码。怎么做到的呢？

如何区别连在一起的2个字节是代表2个英文字母，还是一个中文汉字呢？ 中国人如此聪明，决定，如果2个字节连在一起，且每个字节的第1位(也就是相当于128的那个2进制位)如果是1，就代表这是个中文，这个首位是128的字节被称为高字节。 也就是2个高字节连在一起，必然就是一个中文。 你怎么如此笃定？因为0-127已经表示了英文的绝大部分字符，128-255是ASCII的扩展表，表示的都是极特殊的字符，一般没什么用。所以中国人就直接拿来用了。

自1980年发布gb2312之后，中文一直用着没啥问题，随着个人电脑进入千家万户，有人发现，自己的名字竟然打印不出来，因为起的太生僻了。

于是1995年， 砖家们又升级了gb2312, 加入更多字符，连什么藏语、维吾尔语、日语、韩语、蒙古语什么的统统都包含进去了，国家统一亚洲的野心从这些基础工作中就可见一斑哈。 这个编码叫GBK，一直到现在，我们的windows电脑中文版本的编码就是GBK.

编码混战时代

中国人在搞自己编码的同时，世界上其它非英语国家也得用电脑呀，于是都搞出了自己的编码，你可以想得到的是，全世界有上百种语言，日本把日文编到Shift_JIS里，韩国把韩文编到Euc-kr里，

各国有各国的标准，就会不可避免地出现冲突，结果就是，在多语言混合的文本中，显示出来会有乱码。之前你从玩个日本游戏，往自己电脑上一装，就显示乱码了。

这么乱极大了阻碍了不同国家的信息传递，于是联合国出面，发誓要解决这个混乱局面。

因此，Unicode应运而生。Unicode把所有语言都统一到一套编码里，这样就不会再有乱码问题了。Unicode 2-4字节 已经收录136690个字符，并还在一直不断扩张中…

Unicode标准也在不断发展，但最常用的是用两个字节表示一个字符（如果要用到非常偏僻的字符，就需要4个字节）。现代操作系统和大多数编程语言都直接支持Unicode。

Unicode有2个特点：

　　1.支持全球所有语言

　　2.可以跟各种语言的编码自由转换，也就是说，即使你gbk编码的文字 ，想转成unicode很容易。

为何unicode可以跟其它语言互相转换呢？ 因为有跟所有语言都有对应关系哈，这样做的好处是可以让那些已经用gbk或其它编码写好的软件容易的转成unicode编码 ，利于unicode的推广。 下图就是unicode跟中文编码的对应关系

 

 

UTF-8

新的问题又出现了：如果统一成Unicode编码，乱码问题从此消失了。但是，如果你写的文本基本上全部是英文的话，用Unicode编码比ASCII编码需要多一倍的存储空间，由于计算机的内存比较大，并且字符串在内容中表示时也不会特别大，所以内容可以使用unicode来处理，但是存储和网络传输时一般数据都会非常多，那么增加1倍将是无法容忍的！！！

为了解决存储和网络传输的问题，出现了Unicode Transformation Format，学术名UTF，即：对unicode字符进行转换，以便于在存储和网络传输时可以节省空间! 

• UTF-8： 使用1、2、3、4个字节表示所有字符；优先使用1个字符、无法满足则使增加一个字节，最多4个字节。英文占1个字节、欧洲语系占2个、东亚占3个，其它及特殊字符占4个

• UTF-16： 使用2、4个字节表示所有字符；优先使用2个字节，否则使用4个字节表示。

• UTF-32： 使用4个字节表示所有字符；

 

总结：UTF 是为unicode编码 设计 的一种 在存储 和传输时节省空间的编码方案。

如果你要传输的文本包含大量英文字符，用UTF-8编码就能节省空间：

字符	ASCII	Unicode	UTF-8
A	01000001	00000000 01000001	01000001
中	x	01001110 00101101	11100100 10111000 10101101

 

 

从上面的表格还可以发现，UTF-8编码有一个额外的好处，就是ASCII编码实际上可以被看成是UTF-8编码的一部分，所以，大量只支持ASCII编码的历史遗留软件可以在UTF-8编码下继续工作。

搞清楚了ASCII、Unicode和UTF-8的关系，我们就可以总结一下现在计算机系统通用的字符编码工作方式：

在计算机内存中，统一使用Unicode编码，当需要保存到硬盘或者需要传输的时候，就转换为UTF-8编码。

用记事本编辑的时候，从文件读取的UTF-8字符被转换为Unicode字符到内存里，编辑完成后，保存的时候再把Unicode转换为UTF-8保存到文件。

常用编码介绍一览表

编码	制定时间	作用	所占字节数
ASCII	1967年	表示英语及西欧语言	8bit/1bytes
GB2312	1980年	国家简体中文字符集，兼容ASCII	2bytes
Unicode	1991年	国际标准组织统一标准字符集	2bytes
GBK	1995年	GB2312的扩展字符集，支持繁体字，兼容GB2312	2bytes
UTF-8	1992年	不定长编码	1-3bytes

 

Py2 Vs Py3编码

python生下来的时候 还没有unicode&utf-8, 所以龟叔选用的默认编码只能是ASCII, 一真到py2.7，用的还是ASCII, 导致Py默认只支持英文，想支持其它语言，必须单独配置。

Alexs-MacBook-Pro:day2 alex$ more py2编码_ascii.py 
print("小猿圈")
Alexs-MacBook-Pro:day2 alex$ python2.7 py2编码_ascii.py 
  File "py2编码_ascii.py", line 2
SyntaxError: Non-ASCII character ‘\\xe5‘ in file py2编码_ascii.py on line 2, but no encoding declared; see http://python.org/dev/peps/pep-0263/ for details　

直接写中文执行会报错的。

需在文件开头声明文件的编码才能写中文

# -*- encoding:utf-8 -*-
print("小猿圈")

再执行就不会有错了。

不过注意如果你的电脑 是windows系统 ， 你的系统默认编码是GBK ,你声明的时候要声明成GBK, 不能是utf-8, 否则依然是乱码，因为gbk自然不认识utf-8.

在Py2里编码问题非常头疼，若不是彻底理解编码之间的各种关系，会经常容易出现乱码而不知所措。

到了Py3推出后,终于把默认编码改成了unicode, 同时文件存储编码变成了utf-8，意味着，不用任何声明，你就可以写各种语言文字在你的Python程序里。 从此，程序们手牵手过上了快乐的生活。

 

十六进制

16进制，英文名称Hexadecimal(简写Hex)， 在数学中是一种逢16进1的进位制。一般用数字0到9和字母A到F（或a~f）表示，其中:A~F表示10~15，这些称作十六进制数字，比如十进制13用16进制表示是D, 28用16进制是1C。

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9  A  B  C  D  E  F 
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

16进制在计算机领域应用普遍，常见的有html\\css的颜色表、mac地址、字符编码等都用16进制来表示。 这是因为将4个位元（Bit）化成单独的16进制数字不太困难。1字节可以表示成2个连续的16进制数字。可是，这种混合表示法容易令人混淆，因此需要一些字首、字尾或下标来显示,在C语言、C++、Shell、Python、Java语言及其他相近的语言使用字首“0x”来标示16进制，例如“0x5A3”代表1443。

 

16进制转换10进制

为何“0x5A3”代表1443呢？ 怎么算出来的？

16进制数转10进制数的原理：1000=1X16^3（16的3次方）+0X16^2（16的2次方）+0X16（16的1次方）+0X1（16的0次方）=4096。

A = 10， B = 11,，C =12，D=13，E=14，F= 15。

FFF=15(16^2) + 15(16^1) + 15*(16^0) = 4095。

10进制转换16进制

除16取余数得最低1位，然后把商继续除得第2位，直到商等于0

举例：

65036 除 16，余数 12(C)，商4064
4064 除 16，余数 0(0)，商254
254 除 16，余数 14(E)，商15
15除16，余数 15(F)，商0，结束
得16进制为 FE0C

最后记住 ，16进制只是一种展示手法，相比2进制展示的更短更易换算，就像我们看10进制一样， 计算机底层运行的肯定还是二进制