Unicode、UTF-8、UTF-16，終于懂了
[導(dǎo)讀]計(jì)算機(jī)起源于美國(guó)，上個(gè)世紀(jì)，他們對(duì)英語(yǔ)字符與二進(jìn)制位之間的關(guān)系做了統(tǒng)一規(guī)定，并制定了一套字符編碼規(guī)則，這套編碼規(guī)則被稱為ASCII編碼ASCII編碼一共定義了128個(gè)字符的編碼規(guī)則，用七位二進(jìn)制表示(0x00-0x7F),這些字符組成的集合就叫做ASCII字符集隨著計(jì)算機(jī)的普及，...
計(jì)算機(jī)起源于美國(guó)，上個(gè)世紀(jì)，他們對(duì)英語(yǔ)字符與二進(jìn)制位之間的關(guān)系做了統(tǒng)一規(guī)定，并制定了一套字符編碼規(guī)則，這套編碼規(guī)則被稱為ASCII編碼
ASCII 編碼一共定義了128個(gè)字符的編碼規(guī)則，用七位二進(jìn)制表示 ( 0x00 - 0x7F ), 這些字符組成的集合就叫做 ASCII 字符集隨著計(jì)算機(jī)的普及，在不同的地區(qū)和國(guó)家又出現(xiàn)了很多字符編碼，比如: 大陸的 GB2312、港臺(tái)的 BIG5, 日本的 Shift JIS等等由于字符編碼不同，計(jì)算機(jī)在不同國(guó)家之間的交流變得很困難，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)亂碼的問(wèn)題，比如：對(duì)于同一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，不同的編碼會(huì)解析出不同的字符當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展，地域限制打破之后，人們迫切的希望有一種統(tǒng)一的規(guī)則, 對(duì)所有國(guó)家和地區(qū)的字符進(jìn)行編碼，于是 Unicode 就出現(xiàn)了
表格中第一列是Unicode編碼的范圍，第二列是對(duì)應(yīng)UTF-8編碼方式，其中紅色的二進(jìn)制?"1"?和?"0"?是固定的前綴, 字母?x?表示可用編碼的二進(jìn)制位根據(jù)上面表格，要解析 UTF-8 編碼就很簡(jiǎn)單了，如果一個(gè)字節(jié)第一位是?0?，則這個(gè)字節(jié)就是一個(gè)單獨(dú)的字符，如果第一位是?1?，則連續(xù)有多少個(gè)?1?，就表示當(dāng)前字符占用多少個(gè)字節(jié)下面以?"中"?字 為例來(lái)說(shuō)明 UTF-8 的編碼，具體的步驟如下圖， 為了便于說(shuō)明，圖中左邊加了?
表格中第一列是Unicode編碼的范圍，第二列是 具體Unicode碼的二進(jìn)制 ( 第二行的第二列表示的是 Unicode 碼 減去?0x10000?后的二進(jìn)制 ) , 第三列是對(duì)應(yīng)UTF-16編碼方式，其中紅色的二進(jìn)制?"1"?和?"0"?是固定的前綴, 字母?x?和?y?表示可用編碼的二進(jìn)制位， 第四列表示 編碼占用的字節(jié)數(shù)前面提到過(guò)，"中"?字的 Unicode 碼是?4E2D, 它小于?0x10000，根據(jù)表格可知，它的 UTF-16 編碼占兩個(gè)字節(jié)，并且和 Unicode 碼相同，所以?"中"?字的 UTF-16 編碼為?4E2D我從?Unicode字符表網(wǎng)站?找了一個(gè)老的南阿拉伯字母, 它的 Unicode 碼是:?0x10A6F?, 可以訪問(wèn)?https://unicode-table.com/cn/10A6F/?查看字符的說(shuō)明, Unicode 碼對(duì)應(yīng)的字符如下圖所示下面以這個(gè) 老的南阿拉伯字母的 Unicode 碼?0x10A6F?為例來(lái)說(shuō)明 UTF-16?4?字節(jié)的編碼，具體步驟如下，為了便于說(shuō)明，圖中左邊加了?
下面的表格列出了不同 UTF 格式的固定文件頭
根據(jù)上面的 固定文件頭，下面列出了?"中"?字在文件中的存儲(chǔ) ( 包含文件頭 )
下面以 test 表為例來(lái)說(shuō)明, 表結(jié)構(gòu)如下:
把?
字符集和排序方式修改之后，再次插入?0x10A6F?字符， 結(jié)果是成功的，具體執(zhí)行結(jié)果如下圖所示上圖中，
- EOF -
ASCII 編碼一共定義了128個(gè)字符的編碼規(guī)則，用七位二進(jìn)制表示 ( 0x00 - 0x7F ), 這些字符組成的集合就叫做 ASCII 字符集隨著計(jì)算機(jī)的普及，在不同的地區(qū)和國(guó)家又出現(xiàn)了很多字符編碼，比如: 大陸的 GB2312、港臺(tái)的 BIG5, 日本的 Shift JIS等等由于字符編碼不同，計(jì)算機(jī)在不同國(guó)家之間的交流變得很困難，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)亂碼的問(wèn)題，比如：對(duì)于同一個(gè)二進(jìn)制數(shù)據(jù)，不同的編碼會(huì)解析出不同的字符當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展，地域限制打破之后，人們迫切的希望有一種統(tǒng)一的規(guī)則, 對(duì)所有國(guó)家和地區(qū)的字符進(jìn)行編碼，于是 Unicode 就出現(xiàn)了
Unicode 簡(jiǎn)介
Unicode 是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)字符集，它將世界各種語(yǔ)言的每個(gè)字符定義一個(gè)唯一的編碼，以滿足跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)的文本信息轉(zhuǎn)換Unicode 字符集的編碼范圍是?0x0000 - 0x10FFFF?, 可以容納一百多萬(wàn)個(gè)字符， 每個(gè)字符都有一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的編碼，也即每個(gè)字符都有一個(gè)二進(jìn)制數(shù)值和它對(duì)應(yīng)，這里的二進(jìn)制數(shù)值也叫?碼點(diǎn)?, 比如：漢字?"中"?的 碼點(diǎn)是?0x4E2D, 大寫字母?A?的碼點(diǎn)是?0x41, 具體字符對(duì)應(yīng)的 Unicode 編碼可以查詢?Unicode字符編碼表字符集和字符編碼
字符集是很多個(gè)字符的集合，例如 GB2312 是簡(jiǎn)體中文的字符集，它收錄了六千多個(gè)常用的簡(jiǎn)體漢字及一些符號(hào)，數(shù)字，拼音等字符字符編碼是 字符集的一種實(shí)現(xiàn)方式，把字符集中的字符映射為特定的字節(jié)或字節(jié)序列，它是一種規(guī)則比如：Unicode 只是字符集，UTF-8、UTF-16、UTF-32 才是真正的字符編碼規(guī)則Unicode 字符存儲(chǔ)
Unicode 是一個(gè)符號(hào)集， 它只規(guī)定了每個(gè)符號(hào)的二進(jìn)制值，但是符號(hào)具體如何存儲(chǔ)它并沒(méi)有規(guī)定前面提到, Unicode 字符集的編碼范圍是?0x0000 - 0x10FFFF，因此需要 1 到 3 個(gè)字節(jié)來(lái)表示那么，對(duì)于三個(gè)字節(jié)的 Unicode字符，計(jì)算機(jī)怎么知道它表示的是一個(gè)字符而不是三個(gè)字符呢 ？如果所有字符都用三個(gè)字節(jié)表示，那么對(duì)于那些一個(gè)字節(jié)就能表示的字符來(lái)說(shuō)，有兩個(gè)字節(jié)是無(wú)意義的，對(duì)于存儲(chǔ)來(lái)說(shuō)，這是極大的浪費(fèi)，假如 , 一個(gè)普通的文本, 大部分字符都只需一個(gè)字節(jié)就能表示，現(xiàn)在如果需要三個(gè)字節(jié)才能表示，文本的大小會(huì)大出三倍左右因此，Unicode 出現(xiàn)了多種存儲(chǔ)方式，常見的有 UTF-8、UTF-16、UTF-32，它們分別用不同的二進(jìn)制格式來(lái)表示 Unicode 字符UTF-8、UTF-16、UTF-32 中的 "UTF" 是 "Unicode Transformation Format" 的縮寫，意思是"Unicode 轉(zhuǎn)換格式"，后面的數(shù) 字表明至少使用多少個(gè)比特位來(lái)存儲(chǔ)字符, 比如：UTF-8 最少需要8個(gè)比特位也就是一個(gè)字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)，對(duì)應(yīng)的， UTF-16 和 UTF-32 分別需要最少 2 個(gè)字節(jié) 和 4 個(gè)字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)UTF-8 編碼
UTF-8: 是一種變長(zhǎng)字符編碼，被定義為將碼點(diǎn)編碼為 1 至 4 個(gè)字節(jié)，具體取決于碼點(diǎn)數(shù)值中有效二進(jìn)制位的數(shù)量UTF-8 的編碼規(guī)則:- 對(duì)于單字節(jié)的符號(hào)，字節(jié)的第一位設(shè)為?0，后面 7 位為這個(gè)符號(hào)的 Unicode 碼。因此對(duì)于英語(yǔ)字母，UTF-8 編碼和 ASCII 碼是相同的, 所以 UTF-8 能兼容 ASCII 編碼，這也是互聯(lián)網(wǎng)普遍采用 UTF-8 的原因之一
- 對(duì)于?n?字節(jié)的符號(hào)（?n > 1），第一個(gè)字節(jié)的前?n?位都設(shè)為?1，第?n 1?位設(shè)為?0，后面字節(jié)的前兩位一律設(shè)為?10?。剩下的沒(méi)有提及的二進(jìn)制位，全部為這個(gè)符號(hào)的 Unicode 碼
| Unicode編碼范圍(16進(jìn)制) | UTF-8編碼方式(二進(jìn)制) |
|---|---|
| 000000 - 00007F | 0xxxxxxx?ASCII碼 |
| 000080 - 0007FF | 110xxxxx?10xxxxxx |
| 000800 - 00FFFF | 1110xxxx?10xxxxxx?10xxxxxx |
| 01 0000 - 10 FFFF | 11110xxx?10xxxxxx?10xxxxxx?10xxxxxx |
1，2，3，4?的步驟編號(hào)首先查詢?"中"?字的 Unicode 碼?0x4E2D, 轉(zhuǎn)成二進(jìn)制, 總共有 16 個(gè)二進(jìn)制位， 具體如上圖 步驟1 所示通過(guò)前面的 Unicode 編碼和 UTF-8 編碼的表格知道，Unicode 碼?0x4E2D?對(duì)應(yīng)?000800 - 00FFFF?的范圍，所以,?"中"?字的 UTF-8 編碼 需要?3?個(gè)字節(jié)，即格式是?1110xxxx?10xxxxxx?10xxxxxx然后從?"中"?字的最后一個(gè)二進(jìn)制位開始，按照從后向前的順序依次填入格式中的?x?字符，多出的二進(jìn)制補(bǔ)為?0， 具體如上圖 步驟2、步驟3 所示于是，就得到了?"中"?的 UTF-8 編碼是?11100100?10111000?10101101, 轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制就是?0xE4B8AD， 具體如上圖 步驟4 所示UTF-16 編碼
UTF-16 也是一種變長(zhǎng)字符編碼, 這種編碼方式比較特殊, 它將字符編碼成 2 字節(jié) 或者 4 字節(jié)具體的編碼規(guī)則如下:- 對(duì)于 Unicode 碼小于?0x10000?的字符， 使用?2?個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)，并且是直接存儲(chǔ) Unicode 碼，不用進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換
- 對(duì)于 Unicode 碼在?0x10000?和?0x10FFFF?之間的字符，使用?4?個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)，這?4?個(gè)字節(jié)分成前后兩部分，每個(gè)部分各兩個(gè)字節(jié)，其中，前面兩個(gè)字節(jié)的前?6?位二進(jìn)制固定為?110110，后面兩個(gè)字節(jié)的前 6 位二進(jìn)制固定為?110111, 前后部分各剩余 10 位二進(jìn)制表示符號(hào)的 Unicode 碼 減去?0x10000?的結(jié)果
- 大于?0x10FFFF?的 Unicode 碼無(wú)法用 UTF-16 編碼
| Unicode編碼范圍(16進(jìn)制) | 具體Unicode碼(二進(jìn)制) | UTF-16編碼方式(二進(jìn)制) | 字節(jié) |
|---|---|---|---|
| 0000 0000 - 0000 FFFF | xxxxxxxx xxxxxxxx | xxxxxxxx xxxxxxxx | 2 |
| 0001 0000 - 0010 FFFF | yy yyyyyyyy xx xxxxxxxx | 110110yy yyyyyyyy?110111xx xxxxxxxx | 4 |
1，2，3，4 、5的步驟編號(hào)首先把 Unicode 碼?0x10A6F?轉(zhuǎn)成二進(jìn)制, 對(duì)應(yīng)上圖的 步驟 1然后把 Unicode 碼?0x10A6F?減去?0x10000, 結(jié)果為?0xA6F?并把這個(gè)值轉(zhuǎn)成二進(jìn)制?00 00000010?10 01101111，對(duì)應(yīng)上圖的 步驟 2然后 從二進(jìn)制?00 00000010?10 01101111?的最后一個(gè)二進(jìn)制為開始，按照從后向前的順序依次填入格式中的?x?和?y?字符，多出的二進(jìn)制補(bǔ)為?0， 對(duì)應(yīng)上圖的 步驟 3、 步驟 4于是，就計(jì)算出了 Unicode 碼?0x10A6F?的 UTF-16 編碼是?11011000 00000010?11011110 01101111?, 轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制就是?0xD802DE6F， 對(duì)應(yīng)上圖的 步驟 5UTF-32 編碼
UTF-32 是固定長(zhǎng)度的編碼，始終占用 4 個(gè)字節(jié)，足以容納所有的 Unicode 字符，所以直接存儲(chǔ) Unicode 碼即可，不需要任何編碼轉(zhuǎn)換。雖然浪費(fèi)了空間，但提高了效率。UTF-8、UTF-16、UTF-32 之間如何轉(zhuǎn)換
前面介紹過(guò)，UTF-8、UTF-16、UTF-32 是 Unicode 碼表示成不同的二進(jìn)制格式的編碼規(guī)則，同樣，通過(guò)這三種編碼的二進(jìn)制表示，也能獲得對(duì)應(yīng)的 Unicode 碼，有了字符的 Unicode 碼，按照上面介紹的 UTF-8、UTF-16、UTF-32 的編碼方法 就能轉(zhuǎn)換成任一種編碼了UTF 字節(jié)序
最小編碼單元是多字節(jié)才會(huì)有字節(jié)序的問(wèn)題存在，UTF-8 最小編碼單元是一字節(jié)，所以 它是沒(méi)有字節(jié)序的問(wèn)題，UTF-16 最小編碼單元是 2 個(gè)字節(jié)，在解析一個(gè) UTF-16 字符之前，需要知道每個(gè)編碼單元的字節(jié)序比如：前面提到過(guò)，"中"?字的 Unicode 碼是?4E2D,?"?"?字符的 Unicode 碼是?2D4E， 當(dāng)我們收到一個(gè) UTF-16 字節(jié)流?4E2D?時(shí)，計(jì)算機(jī)如何識(shí)別它表示的是字符?"中"?還是 字符?"?"?呢 ?所以，對(duì)于多字節(jié)的編碼單元，需要有一個(gè)標(biāo)記顯式的告訴計(jì)算機(jī)，按照什么樣的順序解析字符，也就是字節(jié)序，字節(jié)序分為 大端字節(jié)序 和 小端字節(jié)序小端字節(jié)序簡(jiǎn)寫為 LE( Little-Endian ), 表示 低位字節(jié)在前，高位字節(jié)在后, 高位字節(jié)保存在內(nèi)存的高地址端，而低位字節(jié)保存在內(nèi)存的低地址端大端字節(jié)序簡(jiǎn)寫為 BE( Big-Endian ), 表示 高位字節(jié)在前，低位字節(jié)在后，高位字節(jié)保存在內(nèi)存的低地址端，低位字節(jié)保存在在內(nèi)存的高地址端下面以?0x4E2D?為例來(lái)說(shuō)明大端和小端，具體參見下圖:數(shù)據(jù)是從高位字節(jié)到低位字節(jié)顯示的，這也更符合人們閱讀數(shù)據(jù)的習(xí)慣，而內(nèi)存地址是從低地址向高地址增加所以，字符0x4E2D?數(shù)據(jù)的高位字節(jié)是?4E，低位字節(jié)是?2D按照大端字節(jié)序的高位字節(jié)保存內(nèi)存低地址端的規(guī)則，4E?保存到低內(nèi)存地址?0x10001?上，2D?則保存到高內(nèi)存地址?0x10002?上對(duì)于小端字節(jié)序，則正好相反，數(shù)據(jù)的高位字節(jié)保存到內(nèi)存的高地址端，低位字節(jié)保存到內(nèi)存低地址端的，所以?4E?保存到高內(nèi)存地址?0x10002?上，2D?則保存到低內(nèi)存地址?0x10001?上BOM
BOM 是 byte-order mark 的縮寫，是 "字節(jié)序標(biāo)記" 的意思, 它常被用來(lái)當(dāng)做標(biāo)識(shí)文件是以 UTF-8、UTF-16 或 UTF-32 編碼的標(biāo)記在 Unicode 編碼中有一個(gè)叫做 "零寬度非換行空格" 的字符 ( ZERO WIDTH NO-BREAK SPACE ), 用字符?FEFF?來(lái)表示對(duì)于 UTF-16 ，如果接收到以?FEFF?開頭的字節(jié)流， 就表明是大端字節(jié)序，如果接收到?FFFE， 就表明字節(jié)流 是小端字節(jié)序UTF-8 沒(méi)有字節(jié)序問(wèn)題，上述字符只是用來(lái)標(biāo)識(shí)它是 UTF-8 文件，而不是用來(lái)說(shuō)明字節(jié)順序的。"零寬度非換行空格" 字符 的 UTF-8 編碼是?EF BB BF, 所以如果接收到以?EF BB BF?開頭的字節(jié)流，就知道這是UTF-8 文件下面的表格列出了不同 UTF 格式的固定文件頭
| UTF編碼 | 固定文件頭 |
|---|---|
| UTF-8 | EF BB BF |
| UTF-16LE | FF FE |
| UTF-16BE | FE FF |
| UTF-32LE | FF FE 00 00 |
| UTF-32BE | 00 00 FE FF |
根據(jù)上面的 固定文件頭，下面列出了?"中"?字在文件中的存儲(chǔ) ( 包含文件頭 )
| 編碼 | 固定文件頭 |
|---|---|
| Unicode 編碼 | 0X004E2D |
| UTF-8 | EF BB BF?4E 2D |
| UTF-16BE | FE FF?4E 2D |
| UTF-16LE | FF FE?2D 4E |
| UTF-32BE | 00 00 FE FF?00 00 4E 2D |
| UTF-32LE | FF FE 00 00?2D 4E 00 00 |
常見的字符編碼的問(wèn)題
- Redis 中文key的顯示
- MySQL 中的 utf8 和 utf8mb4
下面以 test 表為例來(lái)說(shuō)明, 表結(jié)構(gòu)如下:
mysql> show create table test\G
*************************** 1. row ***************************
Table: test
Create Table: CREATE TABLE `test` (
`name` char(32) NOT NULL
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8
1 row in set (0.00 sec)
向?test?表分別插入?"中"?字 和 Unicode 碼為?0x10A6F?的字符，這個(gè)字符需要從?https://unicode-table.com/cn/10A6F/?直接復(fù)制到 MySQL 控制臺(tái)上，手工輸入會(huì)無(wú)效，具體的執(zhí)行結(jié)果如下圖:從上圖可以看出，插入?"中"?字 成功，插入?0x10A6F?字符失敗，錯(cuò)誤提示無(wú)效的字符串，\xF0\X90\XA9\xAF?正是?0x10A6F?字符的 UTF-8 編碼，占用?4?個(gè)字節(jié), 因?yàn)?MySQL 的 utf8 編碼最多只支持?3?個(gè)字節(jié)，所以插入會(huì)失敗把?
test?表的字符集改成?utf8mb4?, 排序規(guī)則 改成?utf8bm4_unicode_ci, 具體如下圖所示：字符集和排序方式修改之后，再次插入?0x10A6F?字符， 結(jié)果是成功的，具體執(zhí)行結(jié)果如下圖所示上圖中，
set names utf8mb4?是為了測(cè)試方便，臨時(shí)修改當(dāng)前會(huì)話的字符集，以便保持和 服務(wù)器一致，實(shí)際解決這個(gè)問(wèn)題需要修改?my.cnf?配置中 服務(wù)器和客戶端的字符集小結(jié)
本文從字符編碼的歷史介紹了 Unicode 出現(xiàn)的原因，接著介紹了 Unicode 字符集中 三種不同的編碼方式：UTF-8、UTF-16、UTF-32 以及它們的的編碼方法，緊接著介紹了 字節(jié)序、BOM ，最后講到了字符集在 MySQL 和 Redis 應(yīng)用中常見的問(wèn)題以及解決方案 ，更多關(guān)于 Unicode 的介紹請(qǐng)參考 Unicode 的 RFC 文檔- EOF -
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