刨根究底字符编码之十一——UTF-8编码方式与字节序标记

Posted 2020-09-21 刨根究底学编程

UTF-8编码方式与字节序标记

 

 

一、UTF-8编码方式

1.

接下来将分别介绍Unicode字符集的三种编码方式：UTF-8、UTF-16、UTF-32。这里先介绍应用最为广泛的UTF-8。

为满足基于ASCII、面向字节的字符处理的需要，Unicode标准中定义了UTF-8编码方式。UTF-8应该是目前应用最广泛的一种Unicode编码方式(但不是最早面世的，UTF-16要早于UTF-8面世)。它是一种使用8位码元(即单字节码元)的变宽(即变长或不定长)码元序列的编码方式。

由于UTF-16对于ASCII字符也必须使用两个字节(因为是16位码元)进行编码，存储和处理效率相对低下，并且由于ASCII字符经过UTF-16编码后得到的两个字节，高字节始终是0x00，很多C语言的函数都将此字节视为字符串末尾从而导致无法正确解析文本。

因此，UTF-16一开始推出的时候就遭到很多西方国家的抵制，大大影响了Unicode的推行。于是后来又设计了UTF-8编码方式，才解决了这些问题。

2.

UTF-8的码元由8位单字节组成；在UTF-8中，因为码元较小的缘故，Unicode码点值被映射到一个、两个、三个或四个码元；换言之，UTF-8使用一个至四个8位单字节码元的序列来表示Unicode字符。

UTF-8编码方式对所有ASCII码点值(0x00~0x7F)具有透明性。所谓透明性，具体指的是在U+0000到U+007F范围内(十进制为0~127)的Unicode码点值，被直接转换为UTF-8单一字节码元0x00~0x7F，与ASCII码没有区别。

并且，0x00~0x7F不会出现在UTF-8编码的非ASCII字符的首字节与非首字节的任意一个字节中(非ASCII字符的UTF-8编码为由多个单字节码元所组成的码元序列)，这样就保证了与早已应用广泛且已成为工业标准的ASCII码的完全兼容，避免了歧义，同时纠错能力也强。

 

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3.

UTF-8同其他的多字节码元编码方式相比具有以下优点：

a)  UTF-8的编码空间足够大，未来Unicode新标准收录更多字符，UTF-8也能适应，因此不会再出现UTF-16那样的尴尬。

(注：这里所指的编码空间并不是前文所提到的编号空间Code Space，编号空间属于编号字符集CCS里的概念，而编码空间属于字符编码方式CEF里的概念，两者不能等同；这里的编码空间可理解为编码方式的未来可扩展性、高适应性，详见后文《UTF-8究竟是怎么编码的——UTF-8的编码算法介绍》以及《UTF-16究竟是怎么编码的——UTF-16的编码算法介绍》)

b)  UTF-8是变长编码(准确地说是变长码元序列，而码元本身是固定长度为8位单字节的，也就是说，UTF-8采用的单字节码元)，比如一个字节足以容纳所有的ASCII字符，就用一个字节来存储，不必在高位补0以浪费更多的字节来存储，因此在英语作为国际语言的现实情况下，UTF-8因其ASCII字符的单字节编码这一特性可节省空间。

c)  UTF-8完全直接兼容ASCII码，而非不完全间接兼容。

d)  UTF-8的码元序列的第一个字节指明了后面所跟的字节的数目(即带有前缀码)，这对字节流的前向解析非常有效(详见后文《UTF-8究竟是怎么编码的——UTF-8的编码算法介绍》)。

e)  也因为UTF-8编码带有前缀码，所以容错性好，即使在传输过程中发生局部的字节错误，比如即便丢失、增加、改变了某些字节，也不会导致所有后续字符全部错乱这样传递性、连锁性的错误问题(否则，若存在错误传递性、连锁性的话，一旦中间某些字节出错，则必须丢弃从出错点开始到结尾的所有编码字节，比如GB码、UTF-32码就是如此)，因此很容易重新同步，具有很强的鲁棒性(即健壮性)。

f)  由于UTF-8编码没有状态，从UTF-8字节流的任意位置开始可以有效地找到一个字符的起始位置，字符边界很容易界定、检测出来，所以具有很好的“自同步性”。

g)  UTF-8已经成为互联网所采用的字符编码方式的事实标准。

h)  UTF-8是字节顺序无关的(因为是单字节码元，而非像UTF-16、UTF-32这样的多字节码元)，它的字节顺序在所有系统中都是一样的，其码元序列与字节序列相同，因此它实际上并不需要字节顺序标记BOM(Byte-Orde Mark)，虽然Windows系统经常“多此一举”地加上BOM。（有关字节序标记BOM的介绍见下文）

字节序问题在进行信息交换时会带来不小的麻烦。如果字节序未协商好，将导致乱码；若协商结果为双方一个采用大端一个采用小端，则必然有一方要进行大小端转换，性能损失不可避免(字节序的大小端问题其实不像看起来那么简单，有时会涉及硬件、操作系统、上层应用软件多个层次，可能会导致多次转换，详见前文中有关字节序Byte-Orde的介绍)。

i)  字节FE(二进制为1111 1110)和FF(二进制为1111 1111)在UTF-8编码中永远不会出现(因为UTF-8编码方式中，每个字节只能以0、110、1110、11110或10开头，详见后文介绍)。因此可以用称之为零宽度不中断空格(ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE)的字符(Unicode字符名称为U+FEFF)作为字节顺序标记BOM来标明UTF-16或UTF-32文本的字节序。

(Windows系统中BOM有时也用在UTF-8编码的文本文件的开头，虽然UTF-8编码不存在字节序问题，但Windows却用BOM来表明该文本文件的编码格式为UTF-8，看起来这有点“多此一举”，其具体原因详见后文)

j)  UTF-8编码可以通过屏蔽位和移位操作快速读写。

k)  字符串比较时strcmp()和wcscmp()的返回结果相同，因此使排序变得更加容易。

4.

UTF-8编码方式也并非完美无缺，大致上有如下缺点：

a)  无法根据字符数直接判断出UTF-8文本的字节数，因为UTF-8是一种变长编码方式(码元虽然固定为8位单字节，但码元序列是变长的，可能是单个码元共8位，比如ASCII字符；也可能是两个码元共16位、三个码元共24位、四个码元共32位等)。因此，无论是计算字符数，还是执行索引操作，效率都不高。

b)  需要用2个字节编码那些在扩展ASCII(即EASCII)字符集中只需1个字节编码的扩展字符。

c)  以8位单字节码元编码的UTF-8字符会被Email网关过滤，因为Internet上的信息传输最初设计为7位ASCII码字符(ASCII仅用到了1个字节的低7位)的传输。因此产生了UTF-7编码(类似于同样为Email传输而设计的Base64编码或quoted-printable编码，由于Base64编码或quoted-printable编码各有其不足，因此又设计了UTF-7编码)。

d)  UTF-8在它的表示中使用值100xxxxx的几率超过50%，而现存的实现如ISO 2022、4873、6429和8859系统，会把它错认为是C1控制码。因此产生了UTF-7.5编码。

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二、字节序标记BOM

 

1.

在将逻辑形式的码元序列(或可称之为逻辑编码)映射为物理形式的字节序列(或可称之为物理编码)时，因系统平台的差异，存在一个字节序(Byte-Order字节顺序)的问题。Unicode/UCS规范中推荐的标记字节顺序的方法是BOM字节序标记(Byte-Order Mark字节顺序标记)。

字节序标记BOM是Unicode码点值为FEFF(十进制为65279，二进制为1111 1110 1111 1111)的字符的别名。

最初，字符U+FEFF如果出现在字节流的开头，则用来标识该字节流的字节序——是高位在前还是低位在前；如果它出现在字节流的中间，则表达为该字符的原义——零宽度不中断空格(ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE零宽度无断空白)。该字符名义上是个空格，实际上是零宽度的，即相当于是不可见也不可打印字符(平常使用较多的是ASCII空格字符，是非零宽度的，需要占用一个字符的宽度，为可见不可打印字符)。

从Unicode 3.2开始，U+FEFF只能出现在字节流的开头，且只能用于标识字节序，就如它的别名——字节序标记——所表示的意思一样；除此以外的用法已被舍弃。取而代之的是，使用U+2060来表示零宽度不中断空格。

2.

如果UTF-16编码的字节序列为大端序，则该字节序标记在字节流的开头呈现为0xFE 0xFF；若字节序列为小端序，则该字节序标记在字节流的开头呈现为0xFF 0xFE。如果UTF-32编码的字节序列为大端序，则该字节序标记在字节流的开头呈现为0x00 0x00 0xFE 0xFF；若字节序列为小端序，则该字节序标记在字节流的开头呈现为0xFF 0xFE 0x00 0x00。

UTF-8编码本身没有字节序的问题，但仍然有可能会用到BOM——有时被用来标示某文本是UTF-8编码格式的文本；再强调一遍：在UFT-8编码格式的文本中，如果添加了BOM，则只用它来标示该文本是由UTF-8编码方式编码的，而不用来说明字节序，因为UTF-8编码不存在字节序问题。

3.

许多Windows程序(包含记事本)会添加BOM到UTF-8编码格式的文件中(至于为什么要添加BOM，可参看后续《微软跟联通有仇？》一文)。然而，在类Unix系统中，这种作法则不被建议采用。

因为它会影响到无法识别它的编程语言，如gcc会报告源码文件开头有无法识别的字符；而在php中，如果没有激活输出缓冲(output buffering)，它会使得页面内容开始被送往浏览器(即header头被提交)，这使PHP脚本无法指定header头(HTTP Header)。

对于已在IANA注册的字符编码(这里的字符编码实际为字符编码模式CES)UTF-16BE、UTF-16LE、UTF-32BE和UTF-32LE等来说，不可使用BOM。因为其名称本身已决定了其字节顺序。对于已注册的字符编码(这里的字符编码实际为字符编码方式CEF)UTF-16和UTF-32来说，则必须在文本开头使用BOM。

4.

不同编码的字节序列中所使用的字节序标记BOM本身的字节序列呈现：

 

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三、小结

1.

由于UTF-8编码方式以一个字节(8位)作为码元，属于单字节码元，在计算机处理、存储和传输时不存在字节序问题(字节序问题只跟多字节码元有关)，因此避免了平台依赖性，跨平台兼容性好。

它相对于其他编码方式对英语更为友好，同样也对计算机语言(如C++、Java、C#、javascript、PHP、html等)更为友好。它在处理ASCII等常用字符集时很少会比UTF-16低效。

2.

所以，UTF-8是较为平衡、较为理想的Unicode编码方式。虽然Windows平台由于历史的原因API缺乏对UTF-8的原生支持(Windows原生支持的是UTF-16，因为UTF-16早于UTF-8面世)，导致UTF-8推出后的早期使用不广，但目前是应用最为广泛的三大UTF编码方式之一。

因此，应该尽量使用UTF-8(准确地说，应该尽量使用UTF-8 without BOM，即不带字节顺序标记BOM的UTF-8)。

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（未完待续）

 

【预告：本《刨根究底字符编码》系列的下一篇将重点剖析UTF-8究竟是怎么编码的(即UTF-8的编码算法介绍)；而《刨根究底正则表达式》系列的下一篇为正则表达式简介(上)，包括正则表达式的概念、功能、简史、流派介绍，敬请关注！】