C语言:Unicode字符集

Unicode 也称为统一码、万国码；看名字就知道，Unicode 希望统一所有国家的字符编码。

Unicode 于 1994 年正式公布第一个版本，现在的规模可以容纳 100 多万个符号，是一个很大的集合。

有兴趣的读取可以转到 https://unicode-table.com/cn/ 查看 Unicode 包含的所有字符，以及各个国家的字符是如何分布的。
Windows、Linux、Mac OS 等常见操作系统都已经从底层（内核层面）开始支持 Unicode，大部分的网页和软件也使用 Unicode，Unicode 是大势所趋。

不过由于历史原因，目前的计算机仍然安装了 ASCII 编码以及 GB2312、GBK、Big5、Shift-JIS 等地区编码，以支持不使用 Unicode 的软件或者文档。内核在处理字符时，一般会将地区编码先转换为 Unicode，再进行下一步处理。

Unicode 字符集是如何存储的

本节我们多次说 Unicode 是一套字符集，而不是一套字符编码，它们之间究竟有什么区别呢？

严格来说，字符集和字符编码不是一个概念：

字符集定义了字符和二进制的对应关系，为每个字符分配了唯一的编号。可以将字符集理解成一个很大的表格，它列出了所有字符和二进制的对应关系，计算机显示文字或者存储文字，就是一个查表的过程。
而字符编码规定了如何将字符的编号存储到计算机中。如果使用了类似 GB2312 和 GBK 的变长存储方案（不同的字符占用的字节数不一样），那么为了区分一个字符到底使用了几个字节，就不能将字符的编号直接存储到计算机中，字符编号在存储之前必须要经过转换，在读取时还要再逆向转换一次，这套转换方案就叫做字符编码。

有的字符集在制定时就考虑到了编码的问题，是和编码结合在一起的，例如 ASCII、GB2312、GBK、BIG5 等，所以无论称作字符集还是字符编码都无所谓，也不好区分两者的概念。而有的字符集只管制定字符的编号，至于怎么存储，那是字符编码的事情，Unicode 就是一个典型的例子，它只是定义了全球文字的唯一编号，我们还需要 UTF-8、UTF-16、UTF-32 这几种编码方案将 Unicode 存储到计算机中。

Unicode 可以使用的编码方案有三种，分别是：

UTF-8：一种变长的编码方案，使用 1~6 个字节来存储；
UTF-32：一种固定长度的编码方案，不管字符编号大小，始终使用 4 个字节来存储；
UTF-16：介于 UTF-8 和 UTF-32 之间，使用 2 个或者 4 个字节来存储，长度既固定又可变。

UTF 是 Unicode Transformation Format 的缩写，意思是“Unicode转换格式”，后面的数字表明至少使用多少个比特位（Bit）来存储字符。

1) UTF-8

UTF-8 的编码规则很简单：

如果只有一个字节，那么最高的比特位为 0，这样可以兼容 ASCII；
如果有多个字节，那么第一个字节从最高位开始，连续有几个比特位的值为 1，就使用几个字节编码，剩下的字节均以 10 开头。

具体的表现形式为：

0xxxxxxx：单字节编码形式，这和 ASCII 编码完全一样，因此 UTF-8 是兼容 ASCII 的；
110xxxxx 10xxxxxx：双字节编码形式（第一个字节有两个连续的 1）；
1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx：三字节编码形式（第一个字节有三个连续的 1）；
11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx：四字节编码形式（第一个字节有四个连续的 1）。

xxx 就用来存储 Unicode 中的字符编号。

下面是一些字符的 UTF-8 编码实例（绿色部分表示本来的 Unicode 编号）：

字符	字母`N`	符号`æ`	中文`⻬`
Unicode 编号（二进制）	01001110	11100110	00101110 11101100
Unicode 编号（十六进制）	4E	E6	2E EC
UTF-8 编码（二进制）	01001110	11000011 10100110	11100010 10111011 10101100
UTF-8 编码（十六进制）	4E	C3 A6	E2 BB AC

对于常用的字符，它的 Unicode 编号范围是 0 ~ FFFF，用 1~3 个字节足以存储，只有及其罕见，或者只有少数地区使用的字符才需要 4~6个字节存储。

2) UTF-32

UTF-32 是固定长度的编码，始终占用 4 个字节，足以容纳所有的 Unicode 字符，所以直接存储 Unicode 编号即可，不需要任何编码转换。浪费了空间，提高了效率。

3) UTF-16

UFT-16 比较奇葩，它使用 2 个或者 4 个字节来存储。

对于 Unicode 编号范围在 0 ~ FFFF 之间的字符，UTF-16 使用两个字节存储，并且直接存储 Unicode 编号，不用进行编码转换，这跟 UTF-32 非常类似。

对于 Unicode 编号范围在 10000~10FFFF 之间的字符，UTF-16 使用四个字节存储，具体来说就是：将字符编号的所有比特位分成两部分，较高的一些比特位用一个值介于 D800~DBFF 之间的双字节存储，较低的一些比特位（剩下的比特位）用一个值介于 DC00~DFFF 之间的双字节存储。

如果你不理解什么意思，请看下面的表格：

Unicode 编号范围（十六进制）	具体的 Unicode 编号（二进制）	UTF-16 编码	编码后的字节数
0000 0000 ~ 0000 FFFF	xxxxxxxx xxxxxxxx	xxxxxxxx xxxxxxxx	2
0001 0000---0010 FFFF	yyyy yyyy yyxx xxxx xxxx	110110yy yyyyyyyy 110111xx xxxxxxxx	4

位于 D800~0xDFFF 之间的 Unicode 编码是特别为四字节的 UTF-16 编码预留的，所以不应该在这个范围内指定任何字符。如果你真的去查看 Unicode 字符集，会发现这个区间内确实没有收录任何字符。

UTF-16 要求在制定 Unicode 字符集时必须考虑到编码问题，所以真正的 Unicode 字符集也不是随意编排字符的。

对比以上三种编码方案

首先，只有 UTF-8 兼容 ASCII，UTF-32 和 UTF-16 都不兼容 ASCII，因为它们没有单字节编码。

1) UTF-8 使用尽量少的字节来存储一个字符，不但能够节省存储空间，而且在网络传输时也能节省流量，所以很多纯文本类型的文件（例如各种编程语言的源文件、各种日志文件和配置文件等）以及绝大多数的网页（例如百度、新浪、163等）都采用 UTF-8 编码。

UTF-8 的缺点是效率低，不但在存储和读取时都要经过转换，而且在处理字符串时也非常麻烦。例如，要在一个 UTF-8 编码的字符串中找到第 10 个字符，就得从头开始一个一个地检索字符，这是一个很耗时的过程，因为 UTF-8 编码的字符串中每个字符占用的字节数不一样，如果不从头遍历每个字符，就不知道第 10 个字符位于第几个字节处，就无法定位。

不过，随着算法的逐年精进，UTF-8 字符串的定位效率也越来越高了，往往不再是槽点了。

2) UTF-32 是“以空间换效率”，正好弥补了 UTF-8 的缺点，UTF-32 的优势就是效率高：UTF-32 在存储和读取字符时不需要任何转换，在处理字符串时也能最快速地定位字符。例如，在一个 UTF-32 编码的字符串中查找第 10 个字符，很容易计算出它位于第 37 个字节处，直接获取就行，不用再逐个遍历字符了，没有比这更快的定位字符的方法了。

但是，UTF-32 的缺点也很明显，就是太占用存储空间了，在网络传输时也会消耗很多流量。我们平常使用的字符编码值一般都比较小，用一两个字节存储足以，用四个字节简直是暴殄天物，甚至说是不能容忍的，所以 UTF-32 在应用上不如 UTF-8 和 UTF-16 广泛。

3) UTF-16 可以看做是 UTF-8 和 UTF-32 的折中方案，它平衡了存储空间和处理效率的矛盾。对于常用的字符，用两个字节存储足以，这个时候 UTF-16 是不需要转换的，直接存储字符的编码值即可。

Windows 内核、.NET Framework、Cocoa、Java String 内部采用的都是 UTF-16 编码。UTF-16 是幕后的功臣，我们在编辑源代码和文档时都是站在前台，所以一般感受不到，其实很多文本在后台处理时都已经转换成了 UTF-16 编码。

不过，UNIX 家族的操作系统（Linux、Mac OS、iOS 等）内核都采用 UTF-8 编码，我们就不去争论谁好谁坏了。

宽字符和窄字符（多字节字符）

有的编码方式采用 1~n 个字节存储，是变长的，例如 UTF-8、GB2312、GBK 等；如果一个字符使用了这种编码方式，我们就将它称为多字节字符，或者窄字符。

有的编码方式是固定长度的，不管字符编号大小，始终采用 n 个字节存储，例如 UTF-32、UTF-16 等；如果一个字符使用了这种编码方式，我们就将它称为宽字符。

Unicode 字符集可以使用窄字符的方式存储，也可以使用宽字符的方式存储；GB2312、GBK、Shift-JIS 等国家编码一般都使用窄字符的方式存储；ASCII 只有一个字节，无所谓窄字符和宽字符。