Unicode、UTF-8、Big Endian、Little Endian、GBK、UCS-2

一、Unicode、UCS、GBK

1、开始计算机只在美国用。八位的字节一共可以组合出256(2的8次方)种不同的状态。把这些0×20以下的字节状态称为”控制码”。他们又把所有的空格、标点符号、数字、大小写字母分别用连续的字节状态表示，一直编到了第127号，这样计算机就可以用不同字节来存储英语的文字了。这个方案叫做 ANSI 的”Ascii”编码（American Standard Code for Information Interchange，美国信息互换标准代码）。

2、后来计算机流传到更多西方国家，但是很多国家用的不是英文，他们的字母里有许多是ASCII里没有的，为了可以在计算机保存他们的文字，他们决定采用 127号之后的空位来表示这些新的字母、符号，还加入了很多画表格时需要用下到的横线、竖线、交叉等形状，一直把序号编到了最后一个状态255。从128 到255这一页的字符集被称”扩展字符集“。

3、等中国人们得到计算机时，已经没有可以利用的字节状态来表示6000多个常用汉字。

我们不客气地把那些127号之后的奇异符号们直接取消掉, 规定：一个小于127的字符的意义与原来相同，但两个大于127的字符连在一起时，就表示一个汉字，前面的一个字节（他称之为高字节）从0xA1用到 0xF7，后面一个字节（低字节）从0xA1到0xFE，这样我们就可以组合出大约7000多个简体汉字了。

在这些编码里，我们还把数学符号、罗马希腊的字母、日文的假名们都编进去了，连在 ASCII 里本来就有的数字、标点、字母都统统重新编了两个字节长的编码，这就是常说的”全角”字符，而原来在127号以下的那些就叫”半角”字符了。中国人民看到这样很不错，于是就把这种汉字方案叫做 “GB2312“。GB2312 是对 ASCII 的中文扩展。

但是中国的汉字太多了，我们很快就就发现有许多人的人名没有办法在这里打出来，于是我们不得不继续把 GB2312 没有用到的码位找出来老实不客气地用上。后来还是不够用，于是干脆不再要求低字节一定是127号之后的内码，只要第一个字节是大于127就固定表示这是一个汉字的开始，不管后面跟的是不是扩展字符集里的内容。结果扩展之后的编码方案被称为 GBK 标准，GBK包括了GB2312 的所有内容，同时又增加了近20000个新的汉字（包括繁体字）和符号。

后来少数民族也要用电脑了，于是我们再扩展，又加了几千个新的少数民族的字，GBK扩成了 GB18030。从此之后，中华民族的文化就可以在计算机时代中传承了。中国的程序员们看到这一系列汉字编码的标准是好的，于是通称他们叫做 “DBCS“（Double Byte Charecter Set 双字节字符集）。在DBCS系列标准里，最大的特点是两字节长的汉字字符和一字节长的英文字符并存于同一套编码方案里，因此他们写的程序为了支持中文处理，必须要注意字串里的每一个字节的值，如果这个值是大于127的，那么就认为一个双字节字符集里的字符出现了。那时候凡是受过加持，会编程的计算机僧侣们都要每天念下面这个咒语数百遍： “一个汉字算两个英文字符！一个汉字算两个英文字符……”

4、问题再现：因为当时各个国家都像中国这样搞出一套自己的编码标准，结果互相之间谁也不懂谁的编码，谁也不支持别人的编码，连大陆和台湾这样只相隔了150海里，使用着同一种语言的兄弟地区，也分别采用了不同的 DBCS 编码方案——当时的中国人想让电脑显示汉字，就必须装上一个”汉字系统”，专门用来处理汉字的显示、输入的问题，但是那个台湾的愚昧封建人士写的算命程序就必须加装另一套支持 BIG5 编码的什么”倚天汉字系统”才可以用，装错了字符系统，显示就会乱了套！这怎么办？而且世界民族之林中还有那些一时用不上电脑的穷苦人民，他们的文字又怎么办？

5、一个叫 ISO （国际标谁化组织）的国际组织决定着手解决这个问题。他们采用的方法很简单：废了所有的地区性编码方案，重新搞一个包括了地球上所有文化、所有字母和符号的编码！他们打算叫它”Universal Multiple-Octet Coded Character Set”，简称 UCS, 俗称 “unicode“。那么UCS-2和UCS-4是什么意思？UCS-2是指用两个字节对应一个字符的编码字符集；UCS-4则是指用四个字节对应一个字符的编码字符集。你可以认为，目前为止Unicode有两个具体的编码字符集，UCS-2和UCS-4。

6、问题又来了：unicode同样也不完美，这里就有两个的问题，一个是，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，这对于存储空间来说是极大的浪费，文本文件的大小会因此大出二三倍，这是难以接受的。

7、unicode在很长一段时间内无法推广，直到互联网的出现，为解决unicode如何在网络上传输的问题，于是面向传输的众多 UTF（UCS Transfer Format）标准出现了，顾名思义，UTF-8就是每次8个位传输数据，而UTF-16就是每次16个位。UTF-8就是在互联网上使用最广的一种unicode的实现方式，这是为传输而设计的编码

来说说概念吧：

字符集合（Character set）：是一组形状的集合，例如所有汉字的集合，发明于公元前，发明者是仓颉。它体现了字符的“形状”，它与计算机、编码等无关。
编码字符集（Coded character set）：是一组字符对应的编码（即数字），为字符集合中的每一个字符给予一个数字。例如最早的编码字符集ASCII，和后来的unicode（持续更新中）。由于编码字符集为每一个字符赋予一个数字，因此，字符可以认为就是一个16位的数字，因此以下方式都可以给字符赋值：

char c=‘中’

char c =0x4e2d

char c=20013

字符编码方案（Character-encoding schema）：将字符编码（数字）映射到一个字节数组的方案，因为在磁盘里，所有信息都是以字节的方式存储的。因此16位字符必须转换为一个字节数组才能够存储。例如UTF-8字符编码方案，它可以将一个字符转换为1、2、3或者4个字节。
一般认为，编码字符集和字符编码方案合起来被称之为字符集（Charset），这是一个术语，要和前面的字符集合（Character set）区分开。

二、UTF-8

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

三、Little-Endian、Big-Endian

字节序就是数据在内存中存放的顺序，多于一个字节的数据在内存中存放时有两种选择，即Big Endian和Little Endian。
Little-Endian就是低位字节排放在内存的低地址端，高位字节排放在内存的高地址端。
Big-Endian就是高位字节排放在内存的低地址端，低位字节排放在内存的高地址端。
Big Endian和Little Endian和芯片类型以及操作系统都有关系。

四、举例

下面，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”，这是保存在计算机中的实际数据，转换成十六进制就是E4B8A5，转成十六进制的目的为了便于阅读。1. Unicode与UTF-8之间的转换通过上一节的例子，可以看到“严”的Unicode码是4E25，UTF-8编码是E4B8A5，两者是不一样的。它们之间的转换可以通过程序实现。在Windows平台下，有一个最简单的转化方法，就是使用内置的记事本小程序Notepad.exe。打开文件后，点击“文件”菜单中的“另存为”命令，会跳出一个对话框，在最底部有一个“编码”的下拉条。bg2007102801.jpg里面有四个选项：ANSI，Unicode，Unicode big endian 和 UTF-8。1）ANSI是默认的编码方式。对于英文文件是ASCII编码，对于简体中文文件是GB2312编码（只针对Windows简体中文版，如果是繁体中文版会采用Big5码）。2）Unicode编码指的是UCS-2编码方式，即直接用两个字节存入字符的Unicode码。这个选项用的little endian格式。3）Unicode big endian编码与上一个选项相对应。我在下一节会解释little endian和big endian的涵义。4）UTF-8编码，也就是上一节谈到的编码方法。选择完”编码方式“后，点击”保存“按钮，文件的编码方式就立刻转换好了。三、 Little endian和Big endian上一节已经提到，Unicode码可以采用UCS-2格式直接存储。以汉字”严“为例，Unicode码是4E25，需要用两个字节存储，一个字节是4E，另一个字节是25。存储的时候，4E在前，25在后，就是Big endian方式；25在前，4E在后，就是Little endian方式。那么很自然的，就会出现一个问题：计算机怎么知道某一个文件到底采用哪一种方式编码？Unicode规范中定义，每一个文件的最前面分别加入一个表示编码顺序的字符，这个字符的名字叫做”零宽度非换行空格“（ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE），用FEFF表示。这正好是两个字节，而且FF比FE大1。如果一个文本文件的头两个字节是FE FF，就表示该文件采用大头方式；如果头两个字节是FF FE，就表示该文件采用小头方式。四、实例下面，举一个实例。打开”记事本“程序Notepad.exe，新建一个文本文件，内容就是一个”严“字，依次采用ANSI，Unicode，Unicode big endian 和 UTF-8编码方式保存。然后，用文本编辑软件UltraEdit中的”十六进制功能“，观察该文件的内部编码方式。1）ANSI：文件的编码就是两个字节“D1 CF”，这正是“严”的GB2312编码，这也暗示GB2312是采用大头方式存储的。2）Unicode：编码是四个字节“FF FE 25 4E”，其中“FF FE”表明是小头方式存储，真正的编码是4E25。3）Unicode big endian：编码是四个字节“FE FF 4E 25”，其中“FE FF”表明是大头方式存储。4）UTF-8：编码是六个字节“EF BB BF E4 B8 A5”，前三个字节“EF BB BF”表示这是UTF-8编码，后三个“E4B8A5”就是“严”的具体编码，它的存储顺序与编码顺序是一致的。

4.解决的问题：一、如何在中文系统中运行非Unicode编码程序？
有很多意大利文版（除英文版）学习软件、百科全书等软件在中文系统上会出现乱码，解决方法：
WindowsXP内核是Unicode编码，支持多语种，对于Unicode编码的应用程序会正常显示原文（因为windows核心是用unicode代码写的，所以不存在问题），但是，很多程序不是用Unicode编码写的，这时WindowsXP系统可以指定以特定的编码运行非Unicode编码程序，中文版WindowsXP默认的是“简体中文GB2312”。你只需在控制面板--〉区域和语言选项--〉高级--〉为非Unicode程序的语言选择“意大利语”，即可正确运行意大利文版的游戏程序。分析：我理解的流程是这样：程序------>意大利语编码（转换表codepage）------>解释成unicode识别的编码（通过指定的转换表将非 Unicode 的字符编码转换为同一字符对应的系统内部使用的 Unicode 编码）------>被系统翻译成意大利文（因为每个unicode编码对应了相应的意大利文字），便可以正常显示了。二、消除网页乱码？网页乱码是浏览器对HTML网页解释时形成的，如果网页制作时编码为繁体big5，浏览器却以编码gb2312显示该网页，就会出现乱码，因此只要你在浏览器中也以繁体big5显示该网页，就会消除乱码。打个比方有些像字典，繁体字得用繁体字典来查看，简体字得用简体字典来查看，不然你看不懂。　　【解决办法】：在浏览器中选择“编码”菜单，事先为浏览器安装多语言支持包（例如在安装IE时要安装多语言支持包），这样当浏览网页出现乱码时，即可手工更改查看此网页的编码方式，在浏览器中选择菜单栏下的“查看”/“编码”/“自动选择”/简体中文（GB2312），如为繁体中文则选择“查看”/“编码”/“自动选择”/繁体中文（BIG5），其他语言依此类推，便可消除网页乱码现象。分析：因为繁体big5编码后的文件，每个文字对应一个二进制流（假设是1212对应繁这个字），当我们以编码gb2312显示该网页时，gb2312编码会到表里去找1212（二进制流不会变的）对应谁，肯定不再是繁这个字了，当然显示的就不再是那个繁字了，也就会出现乱码了。这样理解简单些，其实中间还要转换成同一字符对应的系统内部使用的 Unicode 编码，然后通过系统底层unicode编码还原成相应字符显示出来。

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