统一码的编码和实现
发布网友
发布时间：2022-10-03 12:56
共1个回答
热心网友
时间：2023-10-10 11:08
大概来说，Unicode 编码系统可分为编码方式和实现方式两个层次。 Unicode是国际组织制定的可以容纳世界上所有文字和符号的字符编码方案。Unicode用数字0-0x10FFFF来映射这些字符，最多可以容纳1114112个字符，或者说有1114112个码位。码位就是可以分配给字符的数字。UTF-8、UTF-16、UTF-32都是将数字转换到程序数据的编码方案。
Unicode字符集可以简写为UCS（Unicode Character Set）。早期的Unicode标准有UCS-2、UCS-4的说法。UCS-2用两个字节编码，UCS-4用4个字节编码。UCS-4根据最高位为0的最高字节分成2^7=128个group。每个group再根据次高字节分为256个平面（plane）。每个平面根据第3个字节分为256行 （row），每行有256个码位（cell）。group 0的平面0被称作BMP（Basic Multilingual Plane）。将UCS-4的BMP去掉前面的两个零字节就得到了UCS-2。
每个平面有2^16=65536个码位。Unicode计划使用了17个平面，一共有17*65536=1114112个码位。在Unicode 5.0.0版本中，已定义的码位只有238605个，分布在平面0、平面1、平面2、平面14、平面15、平面16。其中平面15和平面16上只是定义了两个各占65534个码位的专用区（Private Use Area），分别是0xF0000-0xFFFFD和0x100000-0x10FFFD。所谓专用区，就是保留给大家放自定义字符的区域，可以简写为PUA。
平面0也有一个专用区：0xE000-0xF8FF，有6400个码位。平面0的0xD800-0xDFFF，共2048个码位，是一个被称作代理区（Surrogate）的特殊区域。代理区的目的用两个UTF-16字符表示BMP以外的字符。在介绍UTF-16编码时会介绍。
如前所述在Unicode 5.0.0版本中，238605-65534*2-6400-2408=99089。余下的99089个已定义码位分布在平面0、平面1、平面2和平面14上，它们对应着Unicode目前定义的99089个字符，其中包括71226个汉字。平面0、平面1、平面2和平面14上分别定义了52080、3419、43253和337个字符。平面2的43253个字符都是汉字。平面0上定义了27973个汉字。 在Unicode中：汉字“字”对应的数字是23383。在Unicode中，我们有很多方式将数字23383表示成程序中的数据，包括：UTF-8、UTF-16、UTF-32。UTF是“UCS Transformation Format”的缩写，可以翻译成Unicode字符集转换格式，即怎样将Unicode定义的数字转换成程序数据。例如，“汉字”对应的数字是0x6c49和0x5b57，而编码的程序数据是：
BYTE data_utf8[] = {0xE6, 0xB1, 0x89, 0xE5, 0xAD, 0x97}; // UTF-8编码
WORD data_utf16[] = {0x6c49, 0x5b57}; // UTF-16编码
DWORD data_utf32[] = {0x6c49, 0x5b57}; // UTF-32编码
这里用BYTE、WORD、DWORD分别表示无符号8位整数，无符号16位整数和无符号32位整数。UTF-8、UTF-16、UTF-32分别以BYTE、WORD、DWORD作为编码单位。“汉字”的UTF-8编码需要6个字节。“汉字”的UTF-16编码需要两个WORD，大小是4个字节。“汉字”的UTF-32编码需要两个DWORD，大小是8个字节。根据字节序的不同，UTF-16可以被实现为UTF-16LE或UTF-16BE，UTF-32可以被实现为UTF-32LE或UTF-32BE。下面介绍UTF-8、UTF-16、UTF-32、字节序和BOM。
UTF-8
UTF-8以字节为单位对Unicode进行编码。从Unicode到UTF-8的编码方式如下：
Unicode编码(16进制) ║ UTF-8 字节流(二进制)
F ║ 0xxxxxxFF ║ 110xxxxx 10xxxFFFF ║ 1110xxxx 10xxxxxx 10xxx10FFFF ║ 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
UTF-8的特点是对不同范围的字符使用不同长度的编码。对于0x00-0x7F之间的字符，UTF-8编码与ASCII编码完全相同。UTF-8编码的最大长度是4个字节。从上表可以看出，4字节模板有21个x，即可以容纳21位二进制数字。Unicode的最大码位0x10FFFF也只有21位。
例1：“汉”字的Unicode编码是0x6C49。0x6C49在0x0800-0xFFFF之间，使用用3字节模板了：1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将0x6C49写成二进制是： 1001， 用这个比特流依次代替模板中的x，得到：11100110 ，即E6 B1 89。
例2：Unicode编码0x20C30在0x010000-0x10FFFF之间，使用用4字节模板了：11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将0x20C30写成21位二进制数字（不足21位就在前面补0）：0 0011 0000，用这个比特流依次代替模板中的x，得到：，即F0 A0 B0 B0。
UTF-16
UTF-16编码以16位无符号整数为单位。我们把Unicode编码记作U。编码规则如下：
如果U<0x10000，U的UTF-16编码就是U对应的16位无符号整数（为书写简便，下文将16位无符号整数记作WORD）。
如果U≥0x10000，我们先计算U'=U-0x10000，然后将U'写成二进制形式：yyyy yyyy yyxx xxxx xxxx，U的UTF-16编码（二进制）就是：110110yyyyyyyyyy 110111xxxxxxxxxx。
为什么U'可以被写成20个二进制位？Unicode的最大码位是0x10ffff，减去0x10000后，U'的最大值是0xfffff，所以肯定可以用20个二进制位表示。例如：Unicode编码0x20C30，减去0x10000后，得到0x10C30，写成二进制是：000011 0000。用前10位依次替代模板中的y，用后10位依次替代模板中的x，就得到：11011001 1101000，即0xD843 0xDC30。
按照上述规则，Unicode编码0x10000-0x10FFFF的UTF-16编码有两个WORD，第一个WORD的高6位是110110，第二个WORD的高6位是110111。可见，第一个WORD的取值范围（二进制）是到11111111，即0xD800-0xDBFF。第二个WORD的取值范围（二进制）是到11011111 11111111，即0xDC00-0xDFFF。
为了将一个WORD的UTF-16编码与两个WORD的UTF-16编码区分开来，Unicode编码的设计者将0xD800-0xDFFF保留下来，并称为代理区（Surrogate）：
D800－DB7F ║ High Surrogates ║ 高位替代
DB80－DBFF ║ High Private Use Surrogates ║ 高位专用替代
DC00－DFFF ║ Low Surrogates ║ 低位替代
高位替代就是指这个范围的码位是两个WORD的UTF-16编码的第一个WORD。低位替代就是指这个范围的码位是两个WORD的UTF-16编码的第二个WORD。那么，高位专用替代是什么意思？我们来解答这个问题，顺便看看怎么由UTF-16编码推导Unicode编码。
如果一个字符的UTF-16编码的第一个WORD在0xDB80到0xDBFF之间，那么它的Unicode编码在什么范围内？我们知道第二个WORD的取值范围是0xDC00-0xDFFF，所以这个字符的UTF-16编码范围应该是0xDB80 0xDC00到0xDBFF 0xDFFF。我们将这个范围写成二进制：
110100 - 11
按照编码的相反步骤，取出高低WORD的后10位，并拼在一起，得到
0 1111 1111 1111 1111
即0xe0000-0xfffff，按照编码的相反步骤再加上0x10000，得到0xf0000-0x10ffff。这就是UTF-16编码的第一个WORD在0xdb80到0xdbff之间的Unicode编码范围，即平面15和平面16。因为Unicode标准将平面15和平面16都作为专用区，所以0xDB80到0xDBFF之间的保留码位被称作高位专用替代。
UTF-32
UTF-32编码以32位无符号整数为单位。Unicode的UTF-32编码就是其对应的32位无符号整数。
字节序
根据字节序的不同，UTF-16可以被实现为UTF-16LE或UTF-16BE，UTF-32可以被实现为UTF-32LE或UTF-32BE。例如：
Unicode编码 ║ UTF-16LE ║ UTF-16BE ║ UTF32-LE ║ UTF32-BE
0x006C49 ║ 49 6C ║ 6C 49 ║ 49 6C 00 00 ║ 00 00 6C 49
0x020C30 ║ 43 D8 30 DC ║ D8 43 DC 30 ║ 30 0C 02 00 ║ 00 02 0C 30
那么，怎么判断字节流的字节序呢？Unicode标准建议用BOM（Byte Order Mark）来区分字节序，即在传输字节流前，先传输被作为BOM的字符零宽无中断空格。这个字符的编码是FEFF，而反过来的FFFE（UTF-16）和FFFE0000（UTF-32）在Unicode中都是未定义的码位，不应该出现在实际传输中。下表是各种UTF编码的BOM：
UTF编码 ║ Byte Order Mark
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
基本上，计算机只是处理数字。它们指定一个数字，来储存字母或其他字符。在创造Unicode之前，有数百种指定这些数字的编码系统。没有一个编码可以包含足够的字符：例如，单单欧州共同体就[1][2]需要好几种不同的编码来包括所有的语言。即使是单一种语言，例如英语，也没有哪一个编码可以适用于所有的字母，标点符号，和常用的技术符号。这些编码系统也会互相冲突。也就是说，两种编码可能使用相同的数字代表两个不同的字符，或使用不同的数字代表相同的字符。任何一台特定的计算机（特别是服务器）都需要支持许多不同的编码，但是，不论什么时候数据通过不同的编码或平台之间，那些数据总会有损坏的危险。
