刨根究底字符编码之十三——UTF-16编码方式

UTF-16编码方式

1.

UTF-16编码方式源于UCS-2(Universal Character Set coded in 2 octets、2-byte Universal Character Set)。而UCS-2，是早期遗留下来的历史产物。

UCS-2将字符编号(即码点值)直接映射为字符编码(CEF，而非CES，详见前文中对现代字符编码模型的解释)，亦即字符编号就是字符编码，中间没有经过特别的编码算法转换。因此，从现代字符编码模型的角度来看的话，此时并没有将编号字符集CCS与字符编码方式CEF作严格区分，既可以将UCS-2看作是编号字符集CCS中的字符编号，也可以看作是字符编码方式CEF中的字符编码。

后来，随着统一码联盟(即Unicode联盟)与ISO/IEC就创建全球统一的单一通用字符集进行合作，Unicode字符集与UCS字符集逐渐相互融合，两者最终基本保持了一致（详见前文《刨根究底字符编码之八——Unicode编码方案概述》中的介绍）。

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2.

这之后，Unicode逐渐占据了主导地位，并引入了UTF-16编码方式。为什么要引入UTF-16编码方式呢？

前文已经介绍过了，Unicode字符集(CCS)到目前为止定义了包括1个基本平面BMP(Basic Multilingual Plane基本多语言平面)和16个增补平面SP(Supplementary Plane辅助平面、扩展平面)在内的共17个平面。

每个平面(Plane)的码点(Code Point)数量为2^16=65536个，因此17个平面的码点总数为共65536*17=1114112个。其中，基本平面码点为65536个(码点编号范围为0x0000~0xFFFF)，增补平面码点为1114112-65536=65536*16=1048576个(码点编号范围为0x10000~0x10FFFF)。

很明显，简单地用一个16位码元肯定无法表示所有17个平面的这么多码点(因为2^16=65536，而码点总数为65536*17=1114112)。而UCS-2，正是用两个字节共16位来表示一个字符的。为支持字符编号超过U+FFFF的增补字符，扩展势在必行。

3.

UCS因而又提出了UCS-4，即用四个字节共32位来表示一个字符(此时UCS-4同样既可认为是编号字符集CCS中的字符编号，也可认为是字符编码方式CEF中的字符编码)。但码元也因此从16位扩展到了32位。

而Unicode却提出了不同的扩展方式——代理机制。具体而言，就是为了能以一个统一的16位码元同时编码基本平面以及增补平面中的字符码点编号，Unicode设计引入了UTF-16编码方式，并且通过代理机制实现了扩展。

UTF-16编码方式的引入，从现代字符编码模型的角度来看的话，彻底将编号字符集CCS与字符编码方式CEF作了严格区分。也就是说，在UTF-16编码方式中，编号字符集CCS中的字符编号(即码点编号、码点值)与字符编码方式CEF中的字符编码(即码元序列)不再仅仅是简单的直接映射关系。

具体来说，就是Unicode字符集基本平面BMP中的字符(大致相当于UCS字符集中的UCS-2字符，但必须除开U+D800~U+DFFF这一在Unicode字符集BMP中称之为代理码点的部分)，仍然是直接映射关系，亦即这部分字符的字符编号(即码点编号、码点值)与字符编码(即码元序列)是等同的。

但Unicode字符集增补平面中的字符(大致相当于UCS字符集UCS-4字符中除开UCS-2字符的部分，因为广义上的UCS-4字符实际包含了UCS-2字符，当然狭义上的UCS-4字符不包括UCS-2字符)，却不是直接映射关系，而是必须通过代理机制这一编码算法的转换，亦即这部分字符的字符编号(即码点编号、码点值)与字符编码(即码元序列)不是等同的。

因此，在Unicode引入了UTF-16编码方式之后，站在现代字符编码模型的角度上来看的话，再将UCS-2和UCS-4直接称之为字符编码方式CEF已不是很合适，更多的应该是编号字符集CCS中的概念(当然，在了解其历史原因之后，将UCS-2和UCS-4同时理解为编号字符集CCS和字符编码方式CEF也未尝不可；只是这样一来，对于不了解其历史原因的人而言，将带来理解上的困扰)；而若将UCS-2等同于UTF-16，将UCS-4等同于UTF-32(后文会有介绍)，显然也是不太合适的。

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4.

UTF-16中的所谓代理机制，实际上就是用两个对应于基本平面BMP代理区(Surrogate Zone)中的码点编号的16位码元来表示一个增补平面码点，这两个用来表示一个增补平面码点的特殊16位码元被称之为代理对(Surrogate Pair)（解释详见后文《UTF-16究竟是如何编码的——UTF-16的编码算法详解》）

UTF-16编码方式及其代理机制是在Unicode 2.0中为支持字符编号超过U+FFFF的增补字符而引入的，于是从此就由UCS-2的等宽(16位)码元序列编码方式(如前文所述，从现代字符编码模型的角度来看的话，UCS-2更多是的编号字符集CCS中的概念，但考虑到其历史原因，称之为字符编码方式CEF亦未尝不可，下同，不再赘述)，变成了UTF-16的变宽(16位或32位)码元序列编码方式。不过，码元依然保持了16位不变。

5.

UCS-2所编码的字符集中的U+D800~U+DFFF这部分代理码点除外的话，UTF-16所编码的字符集可看成是UCS-2所编码的字符集的父集。

在没有引入增补平面字符之前，UTF-16与UCS-2(U+D800~U+DFFF这部分代理码点除外)的编码完全相同。但当引入增补平面字符后，UTF-16与UCS-2的编码就不完全相同了(事实上，由于UCS-2只有两个字节，根本无法编码增补平面字符)。

现在若有软件声称自己支持UCS-2编码，那相当于是在暗示其仅支持UCS字符集或Unicode字符集中的基本平面字符，而不能支持增补平面字符。

6.

如前所述，UTF-16中的码元由双字节共16位组成。其中，小于U+10000(即二进制1 0000 0000 0000 0000、十进制65536)的码点(字符编号)被映射到单个码元，大于等于U+10000的码点被映射到两个码元；换言之，UTF-16编码方式使用一个或两个16位码元的序列来表示Unicode字符。

UCS-2最初设计的时候只考虑到基本多语言平面BMP(Basic Multilingual Plane)字符，因此使用固定2个字节(16位)长度，也就是说，无法表示Unicode其他平面(即增补平面)上的字符，而UTF-16为了解除这个限制，支持Unicode全字符集的编解码，采用了变长编码，最少使用2个字节(16位)，如果要编码BMP以外的增补平面字符，则需要4个字节(32位，共两个16位码元)结对(即结成代理对surrogate pair)表示。

因此，UTF-16中，在U+0000~U+FFFF(即基本平面)的码点值使用一个单一的16位码单元表示(专用区、代理区等特殊区域除外)；而在U+10000~U+10FFFF(即增补平面)的码点值则使用一对16位码元(对应于基本平面中的代理区码点值)表示，称作代理对(Surrogate Pair)。(解释详见附文)

所以说，UTF-16从来都是变长编码方式，每个字符编码为2字节或4字节；而UCS-2是定长编码方式。Windows 2000及之后的版本是支持UTF-16的，之前的Windows NT/95/98/ME是只支持UCS-2的。

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7.

作为逻辑意义上的UTF-16编码(码元序列)，由于历史的原因，在映射为物理意义上的字节序列时，分为UTF-16BE(Big Endian)、UTF-16LE(Little Endian)两种情况。比如，“ABC”这三个字符的UTF-16编码(码元序列)为：00 41 00 42 00 43；其对应的各种字节序列如下：

Windows平台下的UTF-16编码(即上述的FF FE 41 00 42 00 43 00) 默认为带有BOM的小端序(即Little Endian with BOM)。你可以打开记事本，写上ABC，保存时选择Unicode（这里的Unicode实际上指的是UTF-16 Little Endian with BOM，即带BOM的UTF-16小端序CES编码，详见后文解释）

然后保存，再用UltraEdit编辑器看看它的编码结果：

Windows从NT时代开始就采用了UTF-16编码方式，很多流行的编程平台，例如.Net、Java、Qt还有Mac下的Cocoa等都是使用UTF-16作为基础的字符编码。例如代码中的字符串，在内存中相应的字节流就是UTF-16字节序列的。（注意，UTF-16编码在Windows环境中被误用为“widechar”和“Unicode”的同义词）

8.

UTF-16使用二或四个字节为每个字符编码，其中大部分汉字采用两个字节编码，少量不常用汉字采用四个字节编码。

UTF-16一方面使用变长码元序列的编码方式，相较于定长码元序列的UTF-32算法更复杂(甚至比同样是变长码元序列的UTF-8也更为复杂，因为引入了独特的代理对这样的代理机制)；另一方面仍然占用过多字节，比如ASCII字符也同样需要占用两个字节，相较于UTF-8更浪费空间和带宽。

因此，UTF-16在Unicode字符集的三大编码方式(UTF-8、UTF-16、UTF-32)中表现较为糟糕。它的存在是历史原因造成的，引起了很多混乱。不过由于其推出时间最早，已被应用于大量环境中，目前虽然不被推荐使用，但长期来看，作为程序人员都不得不与之打交道。因而，对于其具体的编码算法的了解是十分必要的，本系列文章的下一篇将详细介绍其复杂的编码算法(主要是代理编码算法)。

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（未完待续）

【预告：本《刨根究底字符编码》系列的下一篇将详细介绍UTF-16复杂的编码算法；而《刨根究底正则表达式》系列的下一篇将正式开始逐个正则表达式语法元素的详解，敬请关注！】