字符编码

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Orange Summer

2023 年 02 月 13 日

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技术

字节(Byte)

1字节代表8比特(bit)，例如 00001111为1字节。

字符

任何一个文字或符号都是一个字符，但所占的字节不一定相同。除了常见的字母汉字还有特殊字符例如货币字符￥等。

字符集

字符的集合就叫字符集。

字符编码(charset encoding，简写为 encoding)

定义字符集中的字符如何编码为特定的二进制数。

字符集和字符编码一般一一对应，GBK 字符集对应 GBK 编码，ASCii 字符集对应 ASCii 编码，但 Unicode 字符集有 UTF-8、UTF-16 和 UTF-32 三种编码方式。

Unicode

Unicode 编码定义了世界上几乎所有的字符。

码点/码位(code point)

码点是编码中为某个字符设定的数值，具有唯一性和一一对应性。码点只定义了一个字符对应的数值，没有定义这个数值是怎么存储的，这个由具体的编码方式决定。

U+XXXXXX 是码点的表示形式，X 代表一个十六进制数字，u 后面可以有4-6位，不足4位往前补0，所以码点的取值范围为 U+0000 ~ U+10FFFF，但实际 unicode 至今才扩展到二进制21位，而且21位代表的1114112个码点中并不是都代表着一个字符，只有大约10%的空间被使用。

例如字符A的ASCII码是65，65转换为16进制为41，所以字符A的码点表示就是 U+0041。

可以在这个网址查询字符的的unicode相关信息：Unicode Character Search

码元(code unit)

码点经过映射后得到的二进制串的转换格式单位称为码元，码点就是一串二进制数，码元就是切分这个二进制数的方法。

例如一个字符的码点二进制表示有n字节（8*n位），其码元为8位，那么其码元就有n个。

平面

为了更好管理这么多码点，把每65536个码点作为一个平面，总共17个平面。

BMP(Basic Multilingual Plane)

这些平面编号从0开始，第一个平面就是 BMP（基本多语言平面），也叫 Plane 0，它的码点范围是 U+0000 ~ U+FFFF，平常用的绝大多数字符都落在这个平面内。

UTF-16 只需要用两字节编码此平面内的字符。

SP(Supplementary Planes)

后续的16个平面称为 SP，这些码点超出 U+FFFF，UTF-16 只需要用四字节编码此平面内的字符。

编码方案

Unicode 只是给每个字符分配了个码点，但是码点转换为二进制存储时可能占1-4个字节，产生了定界问题：如何确定用几个字节表示一个字符。不同的解决方法对应不同的编码方案。

UTF-32

UTF-32 就是说它的码元是32位，每32位读一次码点，而码点最长才21位，所以每个 UTF-32 值都能表示一个码点。固定用4 byte 表示一个字符。

UTF-16

UTF-16 就是说它的码元是16位，每16位读一次码点，获取码点的前16位数字，直到读取完成。用2 byte 或者4 byte 表示一个字符。

代理区

Unicode 标准规定U+D800 ~ U+DFFF的值不对应于任何字符，UTF-16利用这个空白区域进行编码的转换。UTF-16将代理区进一步划分成两部分，0xD800 ~ 0xDBFF 分区称为高半代理，0xDC00 ~ 0xDFFF 分区称为低半代理。这两个区组成一个二维的表格，共有 $1024*1024=2^{10}*2^{10}=2^{4}*2^{16}=16*65536$，恰好可以表示16个 SP 中的所有字符。

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因此将 Unicode 分为了两个范围，通过不同的方式进行存储：

Unicode 范围	UTF-16 编码方式
U+0000 ~ U+FFFF	2 byte 存储，编码后等于 unicode 值。
U+100000 ~ U+10FFFF	4 byte 存储，将 unicode 码点减去 0x010000，得到20 bit 的值，分为高10位和低10位，高10位加上 0xD800 得到高位代理也叫前导代理；低10位加上 0xDC00 得到低位代理也叫后尾代理。两个代理组合在一起就是最终在内存中存储的值。

UTF-8

用1~4 byte 编码 Unicode 字符

Unicode 范围	UTF-8 编码方式
U+0000 ~ U+007F	0xxxxxxx
U+0080 ~ U+07FF	110xxxxx 10xxxxxx
U+0800 ~ U+FFFF	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
U+010000 ~ U+10FFFF	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

将 unicode 码点转换为二进制后，按照对应的范围从后往前截取出表中空出来的位数，依次从后往前填充进去，空的位数填0，就得到在内存中存储的值。

字符“严”的 Unicode 是4E25（100111000100101），根据上表可以发现 4E25 处于第三行的范围，因此从“严”的最后一个二进制位开始，依次从后向前填入格式中的 x，多出的位补0。这样就得到了“严”的 UTF-8 编码是11100100 10111000 10100101，转换成十六进制就是E4B8A5。