字符编码(ASCII,Unicode和UTF-8) 和 大小端

本文包括2部分内容:“ASCII,Unicode和UTF-8” 和 “Big Endian和Little Endian”。

第1部分 ASCII,Unicode和UTF-8 介绍

1. ASCII码

我们知道,在计算机内部,所有的信息最终都表示为一个二进制的字符串。每一个二进制位(bit)有0和1两种状态,因此八个二进制位就可以组合出256种状态,这被称为一个字节(byte)。也就是说,一个字节一共可以用来表示256种不同的状态,每一个状态对应一个符号,就是256个符号,从0000000到11111111。

上个世纪60年代,美国制定了一套字符编码,对英语字符与二进制位之间的关系,做了统一规定。这被称为ASCII码,一直沿用至今。

ASCII码一共规定了128个字符的编码,比如空格"SPACE"是32(二进制00100000),大写的字母A是65(二进制01000001)。这128个符号(包括32个不能打印出来的控制符号),只占用了一个字节的后面7位,最前面的1位统一规定为0。

2、非ASCII编码

英语用128个符号编码就够了,但是用来表示其他语言,128个符号是不够的。比如,在法语中,字母上方有注音符号,它就无法用ASCII码表示。于是,一些欧洲国家就决定,利用字节中闲置的最高位编入新的符号。比如,法语中的é的编码为130(二进制10000010)。这样一来,这些欧洲国家使用的编码体系,可以表示最多256个符号。

但是,这里又出现了新的问题。不同的国家有不同的字母,因此,哪怕它们都使用256个符号的编码方式,代表的字母却不一样。比如,130在法语编码中代表了é,在希伯来语编码中却代表了字母Gimel (ג),在俄语编码中又会代表另一个符号。但是不管怎样,所有这些编码方式中,0--127表示的符号是一样的,不一样的只是128--255的这一段。

至于亚洲国家的文字,使用的符号就更多了,汉字就多达10万左右。一个字节只能表示256种符号,肯定是不够的,就必须使用多个字节表达一个符号。比如,简体中文常见的编码方式是GB2312,使用两个字节表示一个汉字,所以理论上最多可以表示256x256=65536个符号。

中文编码的问题需要专文讨论,这篇笔记不涉及。这里只指出,虽然都是用多个字节表示一个符号,但是GB类的汉字编码与后文的Unicode和UTF-8是毫无关系的。

3.Unicode

正如上一节所说,世界上存在着多种编码方式,同一个二进制数字可以被解释成不同的符号。因此,要想打开一个文本文件,就必须知道它的编码方式,否则用错误的编码方式解读,就会出现乱码。为什么电子邮件常常出现乱码?就是因为发信人和收信人使用的编码方式不一样。

可以想象,如果有一种编码,将世界上所有的符号都纳入其中。每一个符号都给予一个独一无二的编码,那么乱码问题就会消失。这就是Unicode,就像它的名字都表示的,这是一种所有符号的编码。

Unicode当然是一个很大的集合,现在的规模可以容纳100多万个符号。每个符号的编码都不一样,比如,U+0639表示阿拉伯字母Ain,U+0041表示英语的大写字母A,U+4E25表示汉字"严"。具体的符号对应表,可以查询unicode.org,或者专门的汉字对应表

4. Unicode的问题

需要注意的是,Unicode只是一个符号集,它只规定了符号的二进制代码,却没有规定这个二进制代码应该如何存储。

比如,汉字"严"的unicode是十六进制数4E25,转换成二进制数足足有15位(100111000100101),也就是说这个符号的表示至少需要2个字节。表示其他更大的符号,可能需要3个字节或者4个字节,甚至更多。

这里就有两个严重的问题,第一个问题是,如何才能区别Unicode和ASCII?计算机怎么知道三个字节表示一个符号,而不是分别表示三个符号呢?第二个问题是,我们已经知道,英文字母只用一个字节表示就够了,如果Unicode统一规定,每个符号用三个或四个字节表示,那么每个英文字母前都必然有二到三个字节是0,这对于存储来说是极大的浪费,文本文件的大小会因此大出二三倍,这是无法接受的。

它们造成的结果是:1)出现了Unicode的多种存储方式,也就是说有许多种不同的二进制格式,可以用来表示Unicode。2)Unicode在很长一段时间内无法推广,直到互联网的出现。

5.UTF-8

互联网的普及,强烈要求出现一种统一的编码方式。UTF-8就是在互联网上使用最广的一种Unicode的实现方式。其他实现方式还包括UTF-16(字符用两个字节或四个字节表示)和UTF-32(字符用四个字节表示),不过在互联网上基本不用。重复一遍,这里的关系是,UTF-8是Unicode的实现方式之一。

UTF-8最大的一个特点,就是它是一种变长的编码方式。它可以使用1~4个字节表示一个符号,根据不同的符号而变化字节长度。

UTF-8的编码规则很简单,只有二条:

1)对于单字节的符号,字节的第一位设为0,后面7位为这个符号的unicode码。因此对于英语字母,UTF-8编码和ASCII码是相同的。

2)对于n字节的符号(n>1),第一个字节的前n位都设为1,第n+1位设为0,后面字节的前两位一律设为10。剩下的没有提及的二进制位,全部为这个符号的unicode码。

下表总结了编码规则,字母x表示可用编码的位。

Unicode符号范围          |   UTF-8编码方式
(十六进制)                      | (二进制)
--------------------+---------------------------------------------
0000 0000-0000 007F   | 0xxxxxxx
0000 0080-0000 07FF   | 110xxxxx 10xxxxxx
0000 0800-0000 FFFF  | 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
0001 0000-0010 FFFF  | 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

跟据上表,解读UTF-8编码非常简单。如果一个字节的第一位是0,则这个字节单独就是一个字符;如果第一位是1,则连续有多少个1,就表示当前字符占用多少个字节。

下面,还是以汉字"严"为例,演示如何实现UTF-8编码。

已知"严"的unicode是4E25(100111000100101),根据上表,可以发现4E25处在第三行的范围内(0000 0800-0000 FFFF),因此"严"的UTF-8编码需要三个字节,即格式是"1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx"。然后,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。

第2部分 big endian 和 little endian介绍

big endian(大端法)是指低地址存放最高有效字节(MSB),而little endian(小端法)则是低地址存放最低有效字节(LSB)。

通过文字理解可能比较抽象,下面用图像加以说明。下图是“0x12345678在两种字节序中的存储顺序”:

Big Endian

   低地址                                            高地址
----------------------------------------->
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| | | | |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

说明:上面是0x12345678对应big endian的存储方式。

(01) 0x12345678是int整数,它共有4个字节:分别是0x12, 0x34, 0x56, 0x78;其中,0x12是最高有效字节,0x78是最低有效字节。int占4个字节,这个是常识;0x12是十六进制的表示方式,0x12对应的二进制是00010010,正好是8位,也就是1个字节;因此0x12, 0x34, 0x56, 0x78共是4个字节。

(02) big endian是将最高有效字节存储在低地址中,因为就是0x12(最高有效地址),存在低地址;那么,从低往高地址依次存放0x12  -->  0x34 -->  0x56  --> 0x78。也就是上面图像中的存储方式。

Little Endian

   低地址                                            高地址
----------------------------------------->
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
| | | | |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

说明:上面是0x12345678对应little endian的存储方式。

(01) 0x12345678是int整数,它共有4个字节:分别是0x12, 0x34, 0x56, 0x78;其中,0x12是最高有效字节,0x78是最低有效字节

(02) little endian是将最低有效字节存储在低地址中,因为就是0x78(最低有效地址),存在低地址;从低往高地址依次存放0x78 --> 0x56  -->  0x34 -->  0x12。也就是上面图像中的存储方式。

big endian 和 little endian判断方式

下面,我们通过示例程序来判断CPU是大端存储还是小端存储。
源码如下(endian.c):

void main() {
int i = 0x12345678;
char* pc = (char*)&i;
if (*pc == 0x12) {
printf("Big Endian\n");
} else if (*pc == 0x78) {
printf("Little Endian\n");
}
}

我在ubuntu12.04系统下,运行的结果是“Little Endian”。


参考文献:字符编码笔记:ASCII,Unicode和UTF-8

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