Unicode与UTF-8

1. 基础
1.1 ASCII码
  我们知道, 在计算机内部, 所有的信息最终都表示为一个二进制的字符串. 每一个二进制位(bit)有0和1两种状态, 因此八个二进制位就可以组合出 256种状态, 这被称为一个字节(byte). 也就是说, 一个字节一共可以用来表示256种不同的状态, 每一个状态对应一个符号, 就是256个符号, 从 0000000到11111111.
  上个世纪60年代, 美国制定了一套字符编码, 对英语字符与二进制位之间的关系, 做了统一规定. 这被称为ASCII码, 一直沿用至今.
  ASCII码一共规定了128个字符的编码, 比如空格"SPACE"是32(二进制00100000), 大写的字母A是65(二进制01000001). 这128个符号(包括32个不能打印出来的控制符号), 只占用了一个字节的后面7位, 最前面的1位统一规定为0.

1.2 非ASCII编码
  英语用128个符号编码就够了, 但是用来表示其他语言, 128个符号是不够的. 比如, 在法语中, 字母上方有注音符号, 它就无法用ASCII码表示. 于是, 一些欧洲国家就决定, 利用字节中闲置的最高位编入新的符号. 比如, 法语中的é的编码为130(二进制10000010).这样一来, 这些欧洲国家使用的编码体系, 可以表示最多256个符号.
  但是, 这里又出现了新的问题. 不同的国家有不同的字母, 因此, 哪怕它们都使用256个符号的编码方式, 代表的字母却不一样. 比如, 130在法语编码中代表了é, 在希伯来语编码中却代表了字母Gimel (ג), 在俄语编码中又会代表另一个符号.

NOTE:
  但是不管怎样, 所有这些编码方式中, 0-127表示的符号是一样的, 不一样的只是128-255的这一段.
  至于亚洲国家的文字, 使用的符号就更多了, 汉字就多达10万左右. 一个字节只能表示256种符号, 肯定是不够的, 就必须使用多个字节表达一个符号. 比如, 简体中文常见的编码方式是GB2312, 使用两个字节表示一个汉字, 所以理论上最多可以表示256x256=65536个符号.

2. Unicode
2.1 Unicode的定义
  正如上一节所说, 世界上存在着多种编码方式, 同一个二进制数字可以被解释成不同的符号. 因此, 要想打开一个文本文件, 就必须知道它的编码方式, 否则用错误的编码方式解读, 就会出现乱码. 为什么电子邮件常常出现乱码?就是因为发信人和收信人使用的编码方式不一样.
  可以想象, 如果有一种编码, 将世界上所有的符号都纳入其中. 每一个符号都给予一个独一无二的二进制编码, 那么乱码问题就会消失. 这就是Unicode, 就像它的名字都表示的, 这是一种所有符号的编码.
  Unicode也是一种字符编码方法, 不过它是由国际组织设计, 可以容纳全世界所有语言文字的编码方案. Unicode的学名是"Universal Multiple-Octet Coded Character Set",简称为UCS. UCS可以看作是"Unicode Character Set"的缩写.
  Unicode当然是一个很大的集合, 现在的规模可以容纳100多万个符号. 每个符号的二进制编码都不一样, 比如, U+0x0639表示阿拉伯字母Ain, U+0x0041表示英语的大写字母A, U+0x4E25表示汉字"严". 具体的符号对应表, 可以查询unicode.org, 或者专门的汉字对应表.

2.2 Unicode的问题
  需要注意的是, "Unicode只是一个符号集, 它只规定了符号的二进制编码, 却没有规定这个二进制代码应该如何存储".
  比如, 汉字"严"的unicode是十六进制数0x4E25, 转换成二进制数足足有15位(100111000100101), 也就是说这个符号的表示至少需要2个字节. 表示其他更大的符号,可能需要3个字节或者4个字节...
  这里就有两个严重的问题, 第一个问题是, 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, 这是无法接受的.

  它们造成的结果是:
  1). 出现了unicode的多种存储方式, 也就是说有许多种不同的二进制格式,可以用来表示unicode.
  2). unicode在很长一段时间内无法推广, 直到互联网的出现

3. UTF-8
  互联网的普及, 强烈要求出现一种统一的编码方式. UTF-8就是在互联网上使用最广的一种unicode的实现方式. 其他实现方式还包括UTF-16和UTF-32, 不过在互联网上基本不用.重复一遍, 这里的关系是, UTF-8是Unicode的实现方式之一.
  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1~6个字节表示一个符号, 根据不同的符号而变化字节长度.

3.1 UTF-8的编码规则
  UTF-8的编码规则很简单, 只有两条:
  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。
  3). 下表总结了编码规则, 字母x表示可用编码的位.如下图所示，4个字节的unicode，最多可以表示2^21-1个utf-8字符，目前来看已经都可以满足了。
[plain] view plain copy   |  Unicode符号范围      |  UTF-8编码方式  
 n |  (十六进制)           | (二进制)  
---+-----------------------+------------------------------------------------------  
 1 | 0000 0000 ~ 0000 007F |                                              0xxxxxxx  
 2 | 0000 0080 ~ 0000 07FF |                                     110xxxxx 10xxxxxx  
 3 | 0000 0800 ~ 0000 FFFF |                            1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx  
 4 | 0001 0000 ~ 0010 FFFF |                   11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx  
 5 | 0020 0000 ~ 03FF FFFF |          111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx  
 6 | 0400 0000 ~ 7FFF FFFF | 1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx  
  
                    表 1. UTF-8的编码规则  
   下面, 以汉字"严"为例, 演示如何实现UTF-8编码. 
   已知"严"的unicode是0x4E25(1001110 00100101), 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 1011100010100101", 转换成十六进制就是0xE4B8A5.

4. 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0x4E25, 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. // Big Endian(4E25)    Little Endian(254E)
   因此, 第一个字节在前, 就是"大端方式"(Big endian), 第二个字节在前就是"小端方式"(Little endian).

4.1 计算机怎么知道某一个文件到底采用哪一种方式编码?(零宽度非换行空格(FEFF))
   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. // Big Endian(FEFF)    Little Endian(FFFE)

NOTE:
   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端方式; 如果头两个字节是FF FE, 就表示该文件采用小端方式.