[转]utf8编码原理详解

from : http://blog.csdn.net/baixiaoshi/article/details/40786503

很久很久以前,有一群人,他们决定用8个可以开合的晶体管来组合成不同的状态,以表示世界上的万物。他们认为8个开关状态作为原子单位很好,于是他们把这称为"字节"。

再后来,他们又做了一些可以处理这些字节的机器,机器开动了,可以用字节来组合出更多的状态,状态开始变来变去。他们看到这样是好的,于是它们就这机器称为"计算机"。

开始计算机只在美国用。八位的字节一共可以组合出256(2的8次方)种不同的状态。

他们把其中的编号从0开始的32种状态分别规定了特殊的用途,一但终端设备或者打印机遇上这些约定好的字节时,就要做一些约定的动作。遇上 00x10, 终端就换行,遇上0x07, 终端就向人们嘟嘟叫,例好遇上0x1b, 打印机就打印反白的字,对于终端就用彩色显示字母。他们看到这样很好,于是就把这些0x20(十进制32)以下的字节状态称为"控制码"。

他们又把所有的空格、标点符号、数字、大小写字母分别用连续的字节状态表示,一直编到了第127号,这样计算机就可以用不同字节来存储英语的 文字了。大家看到这样,都感觉很好,于是大家都把这个方案叫做 ANSI 的"Ascii"编码(American Standard Code for Information Interchange,美国信息互换标准代码)。当时世界上所有的计算机都用同样的ASCII方案来保存英文文字。

后来,就像建造巴比伦塔一样,世界各地的都开始使用计算机,但是很多国家用的不是英文,他们用到的许多字母在ASCII中根本没有,为了也可以在计算机中保存他们的文字,他们决定采用127号之后的空位来表示这些新的字母、符号,还加入了很多画表格时需要用下到的横线、竖线、交叉等形状,一直把序号编到了最后一个状态255。从128到255这一页的字符集被称"扩展字符集"。从此之后,贪婪的人类再没有新的状态可以用了,美帝国主义可能没有想到还有第三世界国家的人们也希望可以用到计算机吧!

等中国人们得到计算机时,已经没有可以利用的字节状态来表示汉字,况且有6000多个常用汉字需要保存呢。但是这难不倒智慧的中国人民,我们不客气地把那些127号之后的奇异符号们直接取消掉,并且规定:一个小于127的字符的意义与原来相同,但两个大于127的字符连在一起时,就表示一个汉字,前面的一个字节(他称之为高字节)从0xA1用到 0xF7,后面一个字节(低字节)从0xA1到0xFE,这样我们就可以组合出大约7000多个简体汉字了。在这些编码里,我们还把数学符号、罗马希腊的字母、日文的假名们都编进去了,连在 ASCII 里本来就有的数字、标点、字母都统统重新编了两个字节长的编码,这就是常说的"全角"字符,而原来在127号以下的那些就叫"半角"字符了。

中国人民看到这样很不错,于是就把这种汉字方案叫做"GB2312"。GB2312 是对 ASCII 的中文扩展。

但是中国的汉字太多了,我们很快就就发现有许多人的人名没有办法在这里打出来,特别是某些很会麻烦别人的国家领导人(如朱镕基的“镕”字)。于是我们不得不继续把 GB2312 没有用到的码位找出来老实不客气地用上。

后来还是不够用,于是干脆不再要求低字节一定是127号之后的内码,只要第一个字节是大于127就固定表示这是一个汉字的开始,不管后面跟的是不是扩展字符集里的内容。结果扩展之后的编码方案被称为 GBK 标准,GBK 包括了 GB2312 的所有内容,同时又增加了近20000个新的汉字(包括繁体字)和符号。

后来少数民族也要用电脑了,于是我们再扩展,又加了几千个新的少数民族的字,GBK 扩成了 GB18030。从此之后,中华民族的文化就可以在计算机时代中传承了。

中国的程序员们看到这一系列汉字编码的标准是好的,于是通称他们叫做 "DBCS"(Double Byte Charecter Set 双字节字符集)。在DBCS系列标准里,最大的特点是两字节长的汉字字符和一字节长的英文字符并存于同一套编码方案里,因此他们写的程序为了支持中文处理,必须要注意字串里的每一个字节的值,如果这个值是大于127的,那么就认为一个双字节字符集里的字符出现了。那时候凡是受过加持,会编程的计算机僧侣们都要每天念下面这个咒语数百遍:

"一个汉字算两个英文字符!一个汉字算两个英文字符……"

因为当时各个国家都像中国这样搞出一套自己的编码标准,结果互相之间谁也不懂谁的编码,谁也不支持别人的编码,连大陆和台湾这样只相隔了150海里,使用着同一种语言的兄弟地区,也分别采用了不同的 DBCS 编码方案——当时的中国人想让电脑显示汉字,就必须装上一个"汉字系统",专门用来处理汉字的显示、输入的问题,但是那个台湾的愚昧封建人士写的算命程序就必须加装另一套支持 BIG5 编码的什么"倚天汉字系统"才可以用,装错了字符系统,显示就会乱了套!这怎么办?而且世界民族之林中还有那些一时用不上电脑的穷苦人民,他们的文字又怎么办?

真是计算机的巴比伦塔命题啊!

正在这时,大天使加百列及时出现了——一个叫 ISO (国际标谁化组织)的国际组织决定着手解决这个问题。他们采用的方法很简单:废了所有的地区性编码方案,重新搞一个包括了地球上所有文化、所有字母和符号的编码!他们打算叫它"Universal Multiple-Octet Coded Character Set",简称 UCS, 俗称 "UNICODE"。

UNICODE 开始制订时,计算机的存储器容量极大地发展了,空间再也不成为问题了。于是 ISO 就直接规定必须用两个字节,也就是16位来统一表示所有的字符,对于ascii里的那些"半角"字符,UNICODE 包持其原编码不变,只是将其长度由原来的8位扩展为16位,而其他文化和语言的字符则全部重新统一编码。由于"半角"英文符号只需要用到低8位,所以其高 8位永远是0,因此这种大气的方案在保存英文文本时会多浪费一倍的空间。

这时候,从旧社会里走过来的程序员开始发现一个奇怪的现象:他们的strlen函数靠不住了,一个汉字不再是相当于两个字符了,而是一个!是 的,从 UNICODE 开始,无论是半角的英文字母,还是全角的汉字,它们都是统一的"一个字符"!同时,也都是统一的"两个字节",请注意"字符"和"字节"两个术语的不同, "字节"是一个8位的物理存贮单元,而"字符"则是一个文化相关的符号。在UNICODE 中,一个字符就是两个字节。一个汉字算两个英文字符的时代已经快过去了。

从前多种字符集存在时,那些做多语言软件的公司遇上过很大麻烦,他们为了在不同的国家销售同一套软件,就不得不在区域化软件时也加持那个双字节字符集咒语,不仅要处处小心不要搞错,还要把软件中的文字在不同的字符集中转来转去。UNICODE 对于他们来说是一个很好的一揽子解决方案,于是从 Windows NT 开始,MS 趁机把它们的操作系统改了一遍,把所有的核心代码都改成了用 UNICODE 方式工作的版本,从这时开始,WINDOWS 系统终于无需要加装各种本土语言系统,就可以显示全世界上所有文化的字符了。

但是,UNICODE 在制订时没有考虑与任何一种现有的编码方案保持兼容,这使得 GBK 与UNICODE 在汉字的内码编排上完全是不一样的,没有一种简单的算术方法可以把文本内容从UNICODE编码和另一种编码进行转换,这种转换必须通过查表来进行。

如前所述,UNICODE 是用两个字节来表示为一个字符,他总共可以组合出65535不同的字符,这大概已经可以覆盖世界上所有文化的符号。如果还不够也没有关系,ISO已经准备了UCS-4方案,说简单了就是四个字节来表示一个字符,这样我们就可以组合出21亿个不同的字符出来(最高位有其他用途),这大概可以用到银河联邦成立那一天吧!

UNICODE 来到时,一起到来的还有计算机网络的兴起,UNICODE 如何在网络上传输也是一个必须考虑的问题,于是面向传输的众多 UTF(UCS Transfer Format)标准出现了,顾名思义,UTF8就是每次8个位传输数据,而UTF16就是每次16个位,只不过为了传输时的可靠性,从UNICODE到 UTF时并不是直接的对应,而是要过一些算法和规则来转换。

受到过网络编程加持的计算机僧侣们都知道,在网络里传递信息时有一个很重要的问题,就是对于数据高低位的解读方式,一些计算机是采用低位先发送的方法,例如我们PC机采用的 INTEL 架构;而另一些是采用高位先发送的方式。在网络中交换数据时,为了核对双方对于高低位的认识是否是一致的,采用了一种很简便的方法,就是在文本流的开始时向对方发送一个标志符——如果之后的文本是高位在位,那就发送"FEFF",反之,则发送"FFFE"。不信你可以用二进制方式打开一个UTF-X格式的文件,看看开头两个字节是不是这两个字节?

下面是Unicode和UTF-8转换的规则

Unicode

UTF-8

0000 - 007F

0xxxxxxx

0080 - 07FF

110xxxxx 10xxxxxx

0800 - FFFF

1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

例如"汉"字的Unicode编码是6C49。6C49在0800-FFFF之间,所以要用3字节模板:1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将6C49写成二进制是:0110 1100 0100 1001,将这个比特流按三字节模板的分段方法分为0110 110001 001001,依次代替模板中的x,得到:1110-0110 10-110001 10-001001,即E6 B1 89,这就是其UTF8的编码。

讲到这里,我们再顺便说说一个很著名的奇怪现象:当你在 windows 的记事本里新建一个文件,输入"联通"两个字之后,保存,关闭,然后再次打开,你会发现这两个字已经消失了,代之的是几个乱码!呵呵,有人说这就是联通之所以拼不过移动的原因。

其实这是因为GB2312编码与UTF8编码产生了编码冲撞的原因。

当一个软件打开一个文本时,它要做的第一件事是决定这个文本究竟是使用哪种字符集的哪种编码保存的。软件一般采用三种方式来决定文本的字符集和编码:

检测文件头标识,提示用户选择,根据一定的规则猜测

最标准的途径是检测文本最开头的几个字节,开头字节 Charset/encoding,如下表:

EF BB BF UTF-8

FE FF UTF-16/UCS-2, little endian

FF FE UTF-16/UCS-2, big endian

FF FE 00 00 UTF-32/UCS-4, little endian.

00 00 FE FF UTF-32/UCS-4, big-endian.

当你新建一个文本文件时,记事本的编码默认是ANSI(代表系统默认编码,在中文系统中一般是GB系列编码), 如果你在ANSI的编码输入汉字,那么他实际就是GB系列的编码方式,在这种编码下,"联通"的内码是:

c1 1100 0001

aa 1010 1010

cd 1100 1101

a8 1010 1000

注意到了吗?第一二个字节、第三四个字节的起始部分的都是"110"和"10",正好与UTF8规则里的两字节模板是一致的,于是当我们再次打开记事本时,记事本就误认为这是一个UTF8编码的文件,让我们把第一个字节的110和第二个字节的10去掉,我们就得到了"00001 101010",再把各位对齐,补上前导的0,就得到了"0000 0000 0110 1010",不好意思,这是UNICODE的006A,也就是小写的字母"j",而之后的两字节用UTF8解码之后是0368,这个字符什么也不是。这就是只有"联通"两个字的文件没有办法在记事本里正常显示的原因。

而如果你在"联通"之后多输入几个字,其他的字的编码不见得又恰好是110和10开始的字节,这样再次打开时,记事本就不会坚持这是一个utf8编码的文件,而会用ANSI的方式解读之,这时乱码又不

时间: 2024-10-12 16:58:19

[转]utf8编码原理详解的相关文章

编码原理详解(五)---熵编码(CAVAL)

上一篇我们讲到了ZigZag扫描,经过这一扫描之后,发现原本是4*4的像素矩阵,就变成了一连串的数字,可以说是二维到一维的一个转换吧,而且经过ZigZag扫描后,一连串的数字的最后大部分为0,以及一些+1,-1.针对这一系列的数字,从概率的角度,再进行一次编码,这个过程称之为熵编码,熵编码主要分为CAVLC,和CABAC,分别代表基于上下文的自适应可变长编码和基于上下文的自适应二进制算术编码,本节介绍CAVLC. 一.简介 CAVLC(Context-Adaptive Variable Leng

编码原理详解(一)----简介

本节开始,给大家系列介绍一下关于编码原理的相关知识,可能会涉及到部分算法的知识,也就意味着会相对枯燥一些,笔者尽自己所能,努力的追求简单,同时把原理清晰的呈现给大家. 一.编码 编码已经是一个老声长谈的问题了,为什么会有编码,原因是原始图像视频的数据量很惊人,不便于传输,之前的文章有介绍,感兴趣可以回去温习下哦:为什么可以编码,原因是图像与图像之间有很多的相似,也就冗余的信息,单一图像内部,相邻区域的像素,相关性也很强,这就为编码创造了前提. 二.编码原理简单介绍 编码的前提是冗余,那么编码的目

crawler_URL编码原理详解

经常写爬虫的童鞋,难免要处理含有中文的url,大部分时间,都知道url_encode,各个语言也都有支持,今天简单整理下原理,供大家科普 1.特征: 如果URL中含有非ASCII字符的话, 浏览器会对URL进行URL_ENCODE, 然后发送给服务器. URL_ENCODE的过程就是把URL作为字符按照某种编码方式(GBK, UTF-8等)编码成二进制的字节码,然后每个字节用一个包含3个字符的字符串 "%xy" 表示,其中xy为该字节的两位十六进制表示形式. URLencode到底按照

LZ77压缩算法编码原理详解(结合图片和简单代码)

前言 LZ77算法是无损压缩算法,由以色列人Abraham Lempel发表于1977年.LZ77是典型的基于字典的压缩算法,现在很多压缩技术都是基于LZ77.鉴于其在数据压缩领域的地位,本文将结合图片和源码详细介绍其原理. 原理介绍: 首先介绍几个专业术语. 1.lookahead buffer(不知道怎么用中文表述,暂时称为待编码区): 等待编码的区域 2. search buffer: 已经编码的区域,搜索缓冲区 3.滑动窗口: 指定大小的窗,包含“搜索缓冲区”(左) + “待编码区”(右

编码原理详解(三)---量化

本节开始介绍编码过程中的量化环节.还记得上一篇的变换吗?变换之后得到了一个新的矩阵,一个经过从空域变换到频域的一个矩阵.那么,量化呢,就是基于变换后得到的矩阵,再做进一步的处理,本质也就是进一步的压缩. 一.原理 量化的原理是把变换后的DCT系数除以一个常量,经过量化后的结果是量化步长的整数倍或者为更多的零值,从而达到了压缩的目的. 二.量化公式 q(x, y) = round(F(x, y) / Q + 0.5); 公式说明:F(x, y)为经过DCT变换后的DCT系数, Q为量化步长,在x2

编码原理详解(六)--CABAC

本篇介绍一下熵编码的另外一种方式CABAC,基于上下文的自适应二进制编码,其同样是对经过ZigZag扫描后的数据从概率的角度进行再编码,但是由于CABAC编码过程中涉及到诸多的概率模型以及其他算法,由于篇幅原因,本篇只做提及,不详细展开,本篇希望从梗概的角度让大家明白CABAC是怎样的一个过程. 一.简介 CABAC编码的目的是从概率的角度再做一次压缩,编码的过程主要分为二值化,上下文建模,二进制算术编码. 二.二值化 在图像处理的世界中,所谓二值化就是将像素点的值根据一定的算法,将像素分别修改

编码原理详解(四)---之字形扫描

上一篇我们讲到,经过量化后得到了诸多零值和整数值,本篇接下来讲讲编码过程中过对这些值如何组织和处理,那就是ZigZag扫描喽. 一.简介 ZigZag扫描也称作之字形扫描,何以得此称谓,是因为其扫描的路径特别像汉字中的之字.ZigZag扫描的工作就是按照一定的路径,将量化后的系数从二维变到了一维的过程,废话不多说,上图. 二.示意 三.说明: (1) 上图中左侧的图展示了ZigZag的扫描顺序,因为经过DCT变换和量化之后,实际上矩阵的右下角基本上都已经变为零值,非零值基本集中在矩阵的左上角,经

kickstart安装系统原理详解

前言 作为中小公司的运维,经常会遇到一些机械式的重复工作,例如:有时公司同时上线几十甚至上百台服务器,而且需要我们在短时间内完成系统安装. 常规的办法有什么? 光盘安装系统===>一个服务器DVD内置光驱百千块,百台服务器都配光驱就浪费了,因为一台服务器也就开始装系统能用的上,以后用的机会屈指可数.用USB外置光驱,插来插去也醉了. U盘安装系统===>还是同样的问题,要一台一台服务器插U盘. 网络安装系统(ftp,http,nfs) ===>这个方法不错,只要服务器能联网就可以装系统了

Linux下FFMPEG--H264--编码&&解码的C实现与相关原理详解

FFMPEG是很强大的一套视频音频处理库,不过,强大的功能一般免不了复杂的实现,或者更加现实地说,"麻烦"的部署和使用流程 关于"FFMPEG怎么部署"这事就放在另一篇文章啦,下面入正题.. 编码encoder模块和解码decoder模块都有init初始化方法和资源free方法 init初始化方法主要是进行ffmpeg所必需的编解码器的初始化和部分功能方法的参数配置,而free资源释放方法则是相应地进行必要的回收 Encoder模块的实现和细节分析 #include