也谈 Python 的中文编码处理

最近业务中需要用 Python 写一些脚本。尽管脚本的交互只是命令行 + 日志输出，但是为了让界面友好些，我还是决定用中文输出日志信息。

很快，我就遇到了异常：

1. UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)

为了解决问题，我花时间去研究了一下 Python 的字符编码处理。网上也有不少文章讲 Python 的字符编码，但是我看过一遍，觉得自己可以讲得更明白些。

下面先复述一下 Python 字符串的基础，熟悉此内容的可以跳过。

http://in355hz.iteye.com/blog/1860787

对应 C/C++ 的 char 和 wchar_t, Python 也有两种字符串类型，str 与 unicode：

1. # -*- coding: utf-8 -*-
2. # file: example1.py
3. import string
4. # 这个是 str 的字符串
5. s = '关关雎鸠'
6. # 这个是 unicode 的字符串
7. u = u'关关雎鸠'
8. print isinstance(s, str)      # True
9. print isinstance(u, unicode)  # True
10. print s.__class__   # <type 'str'>
11. print u.__class__   # <type 'unicode'>

前面的申明：# -*- coding: utf-8 -*- 表明，上面的 Python 代码由 utf-8 编码。

为了保证输出不会在 linux 终端上显示乱码，需要设置好 linux 的环境变量：export LANG=en_US.UTF-8

如果你和我一样是使用 SecureCRT，请设置 Session Options/Terminal/Appearance/Character Encoding 为 UTF-8 ，保证能够正确的解码 linux 终端的输出。

两个 Python 字符串类型间可以用 encode / decode 方法转换：

1. # 从 str 转换成 unicode
2. print s.decode('utf-8')   # 关关雎鸠
3. # 从 unicode 转换成 str
4. print u.encode('utf-8')   # 关关雎鸠

为什么从 unicode 转 str 是 encode，而反过来叫 decode?

因为 Python 认为 16 位的 unicode 才是字符的唯一内码，而大家常用的字符集如 gb2312，gb18030/gbk，utf-8，以及 ascii 都是字符的二进制（字节）编码形式。把字符从 unicode 转换成二进制编码，当然是要 encode。

反过来，在 Python 中出现的 str 都是用字符集编码的 ansi 字符串。Python 本身并不知道 str 的编码，需要由开发者指定正确的字符集 decode。

(补充一句，其实 Python 是可以知道 str 编码的。因为我们在代码前面申明了 # -*- coding: utf-8 -*-，这表明代码中的 str 都是用 utf-8 编码的，我不知道 Python 为什么不这样做。)

如果用错误的字符集来 encode/decode 会怎样？

1. # 用 ascii 编码含中文的 unicode 字符串
2. u.encode('ascii')  # 错误，因为中文无法用 ascii 字符集编码
3. # UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)
4. # 用 gbk 编码含中文的 unicode 字符串
5. u.encode('gbk')  # 正确，因为 '关关雎鸠' 可以用中文 gbk 字符集表示
6. # '\xb9\xd8\xb9\xd8\xf6\xc2\xf0\xaf'
7. # 直接 print 上面的 str 会显示乱码，修改环境变量为 zh_CN.GBK 可以看到结果是对的
8. # 用 ascii 解码 utf-8 字符串
9. s.decode('ascii')  # 错误，中文 utf-8 字符无法用 ascii 解码
10. # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)
11. # 用 gbk 解码 utf-8 字符串
12. s.decode('gbk')  # 不出错，但是用 gbk 解码 utf-8 字符流的结果，显然只是乱码
13. # u'\u934f\u51b2\u53e7\u95c6\u5ea8\u7b2d'

这就遇到了我在本文开头贴出的异常：UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)

现在我们知道了这是个字符串编码异常。接下来, 为什么 Python 这么容易出现字符串编/解码异常？

这要提到处理 Python 编码时容易遇到的两个陷阱。第一个是有关字符串连接的：

1. # -*- coding: utf-8 -*-
2. # file: example2.py
3. # 这个是 str 的字符串
4. s = '关关雎鸠'
5. # 这个是 unicode 的字符串
6. u = u'关关雎鸠'
7. s + u  # 失败，UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)

简单的字符串连接也会出现解码错误？

陷阱一：在进行同时包含 str 与 unicode 的运算时，Python 一律都把 str 转换成 unicode 再运算，当然，运算结果也都是 unicode。

由于 Python 事先并不知道 str 的编码，它只能使用 sys.getdefaultencoding() 编码去 decode。在我的印象里，sys.getdefaultencoding() 的值总是 'ascii' ——显然，如果需要转换的 str 有中文，一定会出现错误。

除了字符串连接，% 运算的结果也是一样的：

1. # 正确，所有的字符串都是 str, 不需要 decode
2. "中文：%s" % s   # 中文：关关雎鸠
3. # 失败，相当于运行："中文：%s".decode('ascii') % u
4. "中文：%s" % u  # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)
5. # 正确，所有字符串都是 unicode, 不需要 decode
6. u"中文：%s" % u   # 中文：关关雎鸠
7. # 失败，相当于运行：u"中文：%s" % s.decode('ascii')
8. u"中文：%s" % s  # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)

我不理解为什么 sys.getdefaultencoding() 与环境变量 $LANG 全无关系。如果 Python 用 $LANG 设置 sys.getdefaultencoding() 的值，那么至少开发者遇到 UnicodeDecodeError 的几率会降低 50%。

另外，就像前面说的，我也怀疑为什么 Python 在这里不参考 # -*- coding: utf-8 -*- ，因为 Python 在运行前总是会检查你的代码，这保证了代码里定义的 str 一定是 utf-8 。

对于这个问题，我的唯一建议是在代码里的中文字符串前写上 u。另外，在 Python 3 已经取消了 str，让所有的字符串都是 unicode ——这也许是个正确的决定。

其实，sys.getdefaultencoding() 的值是可以用“后门”方式修改的，我不是特别推荐这个解决方案，但是还是贴一下，因为后面有用：

1. # -*- coding: utf-8 -*-
2. # file: example3.py
3. import sys
4. # 这个是 str 的字符串
5. s = '关关雎鸠'
6. # 这个是 unicode 的字符串
7. u = u'关关雎鸠'
8. # 使得 sys.getdefaultencoding() 的值为 'utf-8'
9. reload(sys)                      # reload 才能调用 setdefaultencoding 方法
10. sys.setdefaultencoding('utf-8')  # 设置 'utf-8'
11. # 没问题
12. s + u  # u'\u5173\u5173\u96ce\u9e20\u5173\u5173\u96ce\u9e20'
13. # 同样没问题
14. "中文：%s" % u   # u'\u4e2d\u6587\uff1a\u5173\u5173\u96ce\u9e20'
15. # 还是没问题
16. u"中文：%s" % s  # u'\u4e2d\u6587\uff1a\u5173\u5173\u96ce\u9e20'

可以看到，问题魔术般的解决了。但是注意！ sys.setdefaultencoding() 的效果是全局的，如果你的代码由几个不同编码的 Python 文件组成，用这种方法只是按下了葫芦浮起了瓢，让问题变得复杂。

另一个陷阱是有关标准输出的。

刚刚怎么来着？我一直说要设置正确的 linux $LANG 环境变量。那么，设置错误的 $LANG，比如 zh_CN.GBK 会怎样？（避免终端的影响，请把 SecureCRT 也设置成相同的字符集。）

显然会是乱码，但是不是所有输出都是乱码。

1. # -*- coding: utf-8 -*-
2. # file: example4.py
3. import string
4. # 这个是 str 的字符串
5. s = '关关雎鸠'
6. # 这个是 unicode 的字符串
7. u = u'关关雎鸠'
8. # 输出 str 字符串, 显示是乱码
9. print s   # 鍏冲叧闆庨笭
10. # 输出 unicode 字符串，显示正确
11. print u  # 关关雎鸠

为什么是 unicode 而不是 str 的字符显示是正确的？ 首先我们需要了解 print。与所有语言一样，这个 Python 命令实际上是把字符打印到标准输出流 —— sys.stdout。而 Python 在这里变了个魔术，它会按照 sys.stdout.encoding 来给 unicode 编码，而把 str 直接输出，扔给操作系统去解决。

这也是为什么要设置 linux $LANG 环境变量与 SecureCRT 一致，否则这些字符会被 SecureCRT 再转换一次，才会交给桌面的 Windows 系统用编码 CP936 或者说 GBK 来显示。

通常情况，sys.stdout.encoding 的值与 linux $LANG 环境变量保持一致：

1. # -*- coding: utf-8 -*-
2. # file: example5.py
3. import sys
4. # 检查标准输出流的编码
5. print sys.stdout.encoding  # 设置 $LANG = zh_CN.GBK，  输出 GBK
6. # 设置 $LANG = en_US.UTF-8，输出 UTF-8
7. # 这个是 unicode 的字符串
8. u = u'关关雎鸠'
9. # 输出 unicode 字符串，显示正确
10. print u  # 关关雎鸠

但是，这里有 陷阱二：一旦你的 Python 代码是用管道 / 子进程方式运行，sys.stdout.encoding 就会失效，让你重新遇到 UnicodeEncodeError。

比如，用管道方式运行上面的 example4.py 代码：

1. python -u example5.py | more
2. UnicodeEncodeError: 'ascii' codec can't encode characters in position 0-3: ordinal not in range(128)
3. None

可以看到，第一：sys.stdout.encoding 的值变成了 None；第二：Python 在 print 时会尝试用 ascii 去编码 unicode.

由于 ascii 字符集不能用来表示中文字符，这里当然会编码失败。

怎么解决这个问题？ 不知道别人是怎么搞定的，总之我用了一个丑陋的办法：

1. # -*- coding: utf-8 -*-
2. # file: example6.py
3. import os
4. import sys
5. import codecs
6. # 无论如何，请用 linux 系统的当前字符集输出：
7. if sys.stdout.encoding is None:
8. enc = os.environ['LANG'].split('.')[1]
9. sys.stdout = codecs.getwriter(enc)(sys.stdout)  # 替换 sys.stdout
10. # 这个是 unicode 的字符串
11. u = u'关关雎鸠'
12. # 输出 unicode 字符串，显示正确
13. print u  # 关关雎鸠

这个方法仍然有个副作用：直接输出中文 str 会失败，因为 codecs 模块的 writer 与 sys.stdout 的行为相反，它会把所有的 str 用 sys.getdefaultencoding() 的字符集转换成 unicode 输出。

1. # 这个是 str 的字符串
2. s = '关关雎鸠'
3. # 输出 str 字符串, 异常
4. print s   # UnicodeDecodeError: 'ascii' codec can't decode byte 0xe5 in position 0: ordinal not in range(128)

显然，sys.getdefaultencoding() 的值是 'ascii', 编码失败。

解决办法就像 example3.py 里说的，你要么给 str 加上 u 申明成 unicode，要么通过“后门”去修改 sys.getdefaultencoding()：

1. # 使得 sys.getdefaultencoding() 的值为 'utf-8'
2. reload(sys)                      # reload 才能调用 setdefaultencoding 方法
3. sys.setdefaultencoding('utf-8')  # 设置 'utf-8'
4. # 这个是 str 的字符串
5. s = '关关雎鸠'
6. # 输出 str 字符串, OK
7. print s   # 关关雎鸠

总而言之，在 Python 2 下进行中文输入输出是个危机四伏的事，特别是在你的代码里混合使用 str 与 unicode 时。

有些模块，例如 json，会直接返回 unicode 类型的字符串，让你的 % 运算需要进行字符解码而失败。而有些会直接返回 str, 你需要知道它们的真实编码，特别是在 print 的时候。

为了避免一些陷阱，上文中说过，最好的办法就是在 Python 代码里永远使用 u 定义中文字符串。另外，如果你的代码需要用管道 / 子进程方式运行，则需要用到 example6.py 里的技巧。