字符编码介绍及java中的应用

字符编码，就是对日常的控制符号、文字和常用符号的二进制表示。为了准确的表示如何编号，怎么生产八位字节流，Unicode Technical Report (UTR) #17提出现代编码模型的5个层次：

1.  抽象字符表：系统所支持的所有抽象字符的集合

2. 编码字符集：就是通过某种规则把抽象字符映射到编码空间的一个码位

3. 字符编码表：把码位转换成有限位长的整数值串，utf-8等。

4. 字符编码方案：把定长的整数转化为8bit

5. 传输编码语法：为了满足传输的需要，进一步处理字节流，base64就属于这一层。

字符编码也是随着计算机科学，信息科学的发展在不断发展的，从最初的标准ASCII，到后来的拓展ASCII，再到各国不同的编码，再到目前统一的unicode编码。

ASCII编码是最早1961年提出的，包含128个字符，其中95个可显示字符和33个控制字符（比如换行）。标准ASCII码使用一个字节中的7位存 储128个字符，最高位置0，ASCII 在平时的编码中只要记住一些典型的内容就可以了，比如0是48， A是65，a是97，大小写相差32。在标准ASCII之后IBM由于系统原因扩展了ASCII码，之后国际标准化组织又制定了 ISO2022 标准，它规定了在保持与 ISO646 兼容的前提下将 ASCII 字符集扩充为 8 位代码的统一方法。ISO针对不同的地区制定了不同的扩展ASCII码。

为了满足各国的需求，各国开始针对自身文字的需要制定相关的编码，这些编码大多使用两个字节来表示一个字符，这种编码被统一称为ANSI，比较有名的包括 gb2312(简体汉字编码表)、BIG5(繁体汉字编码)、GBK(gb2312扩展表)。杂乱的ANSI码之间并不能相互兼容，因为一个编码在不同的 ANSI编码中代表着不同的字符。在此环境下unicode编码产生了，他是基于把所有已知的文字、符号都纳入其中的思想建立的。

Unicode用0 ~ 0x10FFFF来映射这些字符, 一个可以存储1114112(2^20 + 2^16)个码位，unicode使用第一个字节来作为平面，目前有17个平面，平面15,16作为自定义区域预留，平面0也有一个专用 区：0xE000-0xF8FF，有6400个码位，同时平面0的0xD800-0xDFFF，共2048个码位，被称作代理区。Unicode表示效率 低下，故出现了多种对unicode编码的方式，比较有名的有utf-8，utf-16，utf-32 ,下面主要介绍下utf8与utf16。

UTF-8是以字节为单位对unicode编码的，utf-8对不同范围的码位采用不同的长度来编码：

unicode	字节码
000000 ~ 00007f	0xxxxxxx
000080 ~ 0007ff	110xxxxx 10xxxxxx
000800 ~ 007fff	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
008000 ~ 10ffff	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

通过这种编码方式，可以保证在使用不同的字节编码，同时在解析的时候通过识别每个字节的前缀得知当前的字符是由几个字节组成的。

UTF-16是通过16位无符号数作为码元的编码方式。U+0000 ~ U+FFFF包含了常用的字符，UTF-16直接把这个范围的码位编码为对于的16位码元，对于U+10000 到 U+10FFFF的码位，编码成2个16位码元，编码方法代码如下：

    /**
     * utf-16 编码算法, 大尾端
     * @param offset 码位对于的值
     * @return
     */
    public String convertUTF16(int offset) {
        if(offset < 0x10000) {
            int vh = (offset & (0xFF << 8)) >> 8;//higt 8 bits
            int vl = (offset & 0xFF);//low 8 bits
            return Integer.toHexString(vh) + " " + Integer.toHexString(vl);
        }
        int val = offset - 0x10000;
        int vh = (val & (0x3FF << 10)) >> 10;//higt 10 bits
        int vl = (val & 0x3FF);//low 10 bits
        int ph = 0xD800;//高位代理
        int pl = 0xDC00;//地位代理
        String firstSymbol = Integer.toHexString(ph + vh);
        String secSymbol = Integer.toHexString(pl + vl);
        return firstSymbol + " " + secSymbol;
    }

对于多个字节表示，还有个问题，就是字节顺序（BIG-ENDIAN、LITTLE-ENDIAN），unicode采用bom（byte order mark）来区分，在传输流之前，先传输bom，unicode编码格式对应bom罗列如下：

utf编码方式	bom
utf-8	EF BB BF
utf-16 LE	FF FE
utf-16 BE	FE FF
utf-32 LE	FF FE 00 00
utf-32 BE	00 00 FE FF

备注：utf-8由于其特殊的编码格式，并不需要bom来表示其字节顺序

关于java对于编码的处理，通过几个问题来阐明：

1. java的字节顺序是什么，BIG-ENDIAN or LITTLE-ENDIAN?

java是big-endian, 这个问题可以通过程序验证：

/**
     * 检查字节顺序
     * @throws UnsupportedEncodingException
     */
    public String CheckByteOrder() throws UnsupportedEncodingException {
        String a ="a";
        byte[] arr = a.getBytes("utf-16");
        if(arr[2] == 0) {//前两位为bom
            return "big-endian";
        } else if(arr[2] == 97) {
            return "little-endian";
        } else {
            return "error";
        }
    }

2. java 中character编码方式？

在JAVA平台中，char[]、String、StringBuilder和StringBuffer类中采用了UTF-16编码，BMP字符用一个char表示，增补字符使用一对char表示。

3. java 的string.getBytes()方法获取字节使用的编码方式？

如api中所示，String.getBytes()方法使用的是默认编码，而这个编码方式和平台有关，可以通过如下方式获取平台的默认编码：

Charset.defaultCharset()

最后，StringBufferInputStream方法不建议使用，因为此类是早期的java类，read方法只获取char的低8位，会带来很多问题

public synchronized int read() {
        return (pos < count) ? (buffer.charAt(pos++) & 0xFF) : -1;
    }