Unicode和UTF-8、UTF-16、UTF-32编码问题

utf和Unicode编码到底有什么区别?是存储方式不同?编码方式不同?它们看起来似乎很相似,但是实际上他们并不是同一层次的概念。
Unicode编码是国际组织设计的编码方法,用于解决各个国家地区不同编码方式造成的译码困难。所以先从Unicode的由来讲起。

Unicode的产生

1.我们知道计算机其实只认识0101这样的字符串,当然了让我们看这样的01串会比较头晕,所以为了描述简单一般都用八进制、十进制、十六进制表示。各种进制都是等价的。其它像文字图片音视频等计算机也是不认识的,为了让计算机能表示这些信息就必须转换成一些数字,必须按照一些规则转换。
比如:刚开始的时候就有ASCII字符集(American Standard Code for Information Interchange, 美国信息交换标准码)它使用7 bits来表示一个字符,总共表示128个字符,我们一般都是用字节(byte:即8个01串)来作为基本单位。当时一个字节来表示字符时第一个bit总是0,剩下的七个字节就来表示实际内容。后来IBM公司在此基础上进行了扩展,用8bit来表示一个字符,总共可以表示256个字符。也就是当第一个bit是0时仍表示之前那些常用的字符,当为1时就表示其他补充的字符。

  1. 英文字母再加一些其他标点字符之类的也不会超过256个,一个字节表示足够了。但其他一些文字不止这么多 ,像汉字就上万个,于是又出现了其他各种字符集。这样不同的字符集交换数据时就有问题了,可能你用某个数字表示字符A,但另外的字符集又是用另外一个数字表示A。为了适应全球化的发展,便于不同语言之间的兼容交互,而ASCII不再能胜任此任务了。所以就出现了Unicode和ISO这样的组织来统一制定一个标准,任何一个字符只对应一个确定的数字。ISO取的名字叫UCS(Universal Character Set)(ucs-2对应utf-16,ucs-4对应utf-32),Unicode取的名字就叫unicode了。

UTF-8、UTF-16和UTF-32的产生

Unicode为世界上所有字符都分配了一个唯一的数字编号,这个编号范围从 0x000000 到 0x10FFFF (十六进制),有 110 多万(Unicode有两个版本,第一个版本有65536个数字,第二个版本才有110多万),每个字符都有一个唯一的 Unicode 编号,这个编号一般写成 16 进制,在前面加上 U+。例如:“马”的 Unicode 是U+9A6C。
Unicode 就相当于一张表,建立了字符与编号之间的联系。


image.png

它是一种规定,Unicode 本身只规定了每个字符的数字编号是多少,并没有规定这个编号如何存储。
有的人会说了,那我可以直接把 Unicode 编号直接转换成二进制进行存储,是的,你可以,但是这个就需要人为的规定了,而 Unicode 并没有说这样弄,因为除了你这种直接转换成二进制的方案外,还有其他方案,接下来我们会逐一看到。
编号怎么对应到二进制表示呢?有多种方案:主要有 UTF-8,UTF-16,UTF-32。

1.UTF-32

这个就是字符所对应编号的整数二进制形式,四个字节。这个就是直接转换。 比如马的 Unicode 为:U+9A6C,那么直接转化为二进制,它的表示就为:1001 1010 0110 1100。
这里需要说明的是,转换成二进制后计算机存储的问题,我们知道,计算机在存储器中排列字节有两种方式:大端法和小端法,大端法就是将高位字节放到低地址处,比如 0x1234, 计算机用两个字节存储,一个是高位字节 0x12,一个是低位字节 0x34,它的存储方式为下:

在这里插入图片描述

UTF-32 用四个字节表示,处理单元为四个字节(一次拿到四个字节进行处理),如果不分大小端的话,那么就会出现解读错误,比如我们一次要处理四个字节 12 34 56 78,这四个字节是表示 0x12 34 56 78 还是表示 0x78 56 34 12?不同的解释最终表示的值不一样。
我们可以根据他们高低字节的存储位置来判断他们所代表的含义,所以在编码方式中有 UTF-32BE 和 UTF-32LE,分别对应大端和小端,来正确地解释多个字节(这里是四个字节)的含义。

2.UTF-16

UTF-16 使用变长字节表示
① 对于编号在 U+0000 到 U+FFFF 的字符(常用字符集),直接用两个字节表示。
② 编号在 U+10000 到 U+10FFFF 之间的字符,需要用四个字节表示。
同样,UTF-16 也有字节的顺序问题(大小端),所以就有 UTF-16BE 表示大端,UTF-16LE 表示小端。

3.UTF-8

UTF-8 就是使用变长字节表示,顾名思义,就是使用的字节数可变,这个变化是根据 Unicode 编号的大小有关,编号小的使用的字节就少,编号大的使用的字节就多。使用的字节个数从 1 到 4 个不等。
UTF-8 的编码规则是:

① 对于单字节的符号,字节的第一位设为 0,后面的7位为这个符号的 Unicode 码,因此对于英文字母,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 。

举个例子:比如说一个字符的 Unicode 编码是 130,显然按照 UTF-8 的规则一个字节是表示不了它(因为如果是一个字节的话前面的一位必须是 0),所以需要两个字节(n = 2)。
根据规则,第一个字节的前 2 位都设为 1,第 3(2+1) 位设为 0,则第一个字节为:110X XXXX,后面字节的前两位一律设为 10,后面只剩下一个字节,所以后面的字节为:10XX XXXX。
所以它的格式为 110XXXXX 10XXXXXX 。

下面我们来具体看看具体的 Unicode 编号范围对应的 UTF-8 二进制格式

在这里插入图片描述

那么对于一个具体的 Unicode 编号,具体怎么进行 UTF-8 的编码呢?
首先找到该 Unicode 编号所在的编号范围,进而可以找到与之对应的二进制格式,然后将该 Unicode 编号转化为二进制数(去掉高位的 0),最后将该二进制数从右向左依次填入二进制格式的 X 中,如果还有 X 未填,则设为 0 。
比如:“马”的 Unicode 编号是:0x9A6C,整数编号是 39532,对应第三个范围(2048 - 65535),其格式为:1110XXXX 10XXXXXX 10XXXXXX,39532 对应的二进制是 1001 1010 0110 1100,将二进制填入进去就为:
11101001 10101001 10101100 。

在这里插入图片描述
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由于 UTF-8 的处理单元为一个字节(也就是一次处理一个字节),所以处理器在处理的时候就不需要考虑这一个字节的存储是在高位还是在低位,直接拿到这个字节进行处理就行了,因为大小端是针对大于一个字节的数的存储问题而言的。

参考博文

  1. utf-8和Unicode的区别
  2. Unicode 和 UTF-8、UTF-16、UTF-32之间的关系
  3. (Unicode) UTF-8与UTF-16之间转换
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