字符编码笔记：ASCII，Unicode , UTF-8，UTF-16和ISO8859-1(Latin-1)
字符编码笔记：ASCII，Unicode , UTF-8，UTF-16和ISO8859-1(Latin-1)
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字符编码笔记：ASCII，Unicode , UTF-8，UTF-16和ISO8859-1(Latin-1)
ASCII码
历史问题
Unicode
Unicode 编码方案
UTF-8
Little endian 和 Big endian
UTF-16
ISO8859-1(Latin-1)
最近在看jdk11的源码，发现String类里面的value属性由原来的char[]变成了byte[]类型，并且涉及到了两种编码方式Latin和utf-16，utf-16是unicode编码实现的一种。Unicode的首256字符保留给ISO 8859-1所定义的字符，Latin包含256个字符（0~255），其中0~127位的字符与ASCII码保持一致。
因为已经有很多前辈将各个编码都解释得非常清晰，再次就直接转载他们的文章，下面的文章来自百度百科和以下两篇https://blog.whezh.com/encoded/ https://blog.whezh.com/encoded/
http://www.ruanyifeng.com/blog/2007/10/ascii_unicode_and_utf-8.html
ASCII码
在学校学 C 语言的时候，了解到一些计算机内部的机制，知道所有的信息最终都表示为一个二进制的字符串，每一个二进制位有 0 和 1 两种状态，通过不同的排列组合，使用 0 和 1 就可以表示世界上所有的东西，感觉有点中国“太极”的感觉——“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦”。
在计算机种中，1 字节对应 8 位二进制数，而每位二进制数有 0、1 两种状态，因此 1 字节可以组合出 256 种状态。如果这 256 中状态每一个都对应一个符号，就能通过 1 字节的数据表示 256 个字符。美国人于是就制定了一套编码（其实就是个字典），描述英语中的字符和这 8 位二进制数的对应关系，这被称为 ASCII 码。
ASCII 码一共定义了 128 个字符，例如大写的字母 A 是 65（这是十进制数，对应二进制是0100 0001）。这 128 个字符只使用了 8 位二进制数中的后面 7 位，最前面的一位统一规定为 0。
历史问题
英语用 128 个字符来编码完全是足够的，但是用来表示其他语言，128 个字符是远远不够的。于是，一些欧洲的国家就决定，将 ASCII 码中闲置的最高位利用起来，这样一来就能表示 256 个字符。但是，这里又有了一个问题，那就是不同的国家的字符集可能不同，就算它们都能用 256 个字符表示全，但是同一个码
点（也就是 8 位二进制数）表示的字符可能可能不同。例如，144 在阿拉伯人的 ASCII 码中是 گ，而在俄罗斯的 ASCII 码中是 ђ。
因此，ASCII 码的问题在于尽管所有人都在 0 - 127 号字符上达成了一致，但对于 128 - 255 号字符上却有很多种不同的解释。与此同时，亚洲语言有更多的字符需要被存储，一个字节已经不够用了。于是，人们开始使用两个字节来存储字符。
各种各样的编码方式成了系统开发者的噩梦，因为他们想把软件卖到国外。于是，他们提出了一个“内码表”的概念，可以切换到相应语言的一个内码表，这样才能显示相应语言的字母。在这种情况下，如果使用多语种，那么就需要频繁的在内码表内进行切换。
Unicode
最终，美国人意识到他们应该提出一种标准方案来展示世界上所有语言中的所有字符，出于这个目的，Unicode诞生了。
Unicode 当然是一本很厚的字典，记录着世界上所有字符对应的一个数字。具体是怎样的对应关系，又或者说是如何进行划分的，就不是我们考虑的问题了，我们只用知道 Unicode 给所有的字符指定了一个数字用来表示该字符。
对于 Unicode 有一些误解，它仅仅只是一个字符集，规定了符合对应的二进制代码，至于这个二进制代码如何存储则没有任何规定。它的想法很简单，就是为每个字符规定一个
用来表示该字符的数字，仅此而已。
Unicode 编码方案
之前提到，Unicode 没有规定字符对应的二进制码如何存储。以汉字“汉”为例，它的 Unicode 码点是 0x6c49，对应的二进制数是 110110001001001，二进制数有 15 位，这也就说明了它至少需要 2 个字节来表示。可以想象，在 Unicode 字典中往后的字符可能就需要 3 个字节或者 4 个字节，甚至更多字节来表示了。
这就导致了一些问题，计算机怎么知道你这个 2 个字节表示的是一个字符，而不是分别表示两个字符呢？这里我们可能会想到，那就取个最大的，假如 Unicode 中最大的字符用 4 字节就可以表示了，那么我们就将所有的字符都用 4 个字节来表示，不够的就往前面补 0。这样确实可以解决编码问题，但是却造成了空间的极大浪费，如果是一个英文文档，那文件大小就大出了 3 倍，这显然是无法接受的。
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。
于是，为了较好的解决 Unicode 的编码问题， UTF-8 和 UTF-16 两种当前比较流行的编码方式诞生了。当然还有一个 UTF-32 的编码方式，也就是上述那种定长编码，字符统一使用 4 个字节，虽然看似方便，但是却不如另外两种编码方式使用广泛。
UTF-8
UTF-8 是一个非常惊艳的编码方式，漂亮的实现了对 ASCII 码的向后兼容，以保证 Unicode 可以被大众接受。这里的关系是，UTF-8 是 Unicode 的实现方式之一。
UTF-8 是目前互联网上使用最广泛的一种 Unicode 编码方式，它的最大特点就是可变长。它可以使用 1 - 4 个字节表示一个字符，根据字符的不同变换长度。编码规则如下：
-
对于单个字节的字符，第一位设为 0，后面的 7 位对应这个字符的 Unicode 码点。因此，对于英文中的 0 - 127 号字符，与 ASCII 码完全相同。这意味着 ASCII 码那个年代的文档用 UTF-8 编码打开完全没有问题。
-
对于需要使用 N 个字节来表示的字符（N > 1），第一个字节的前 N 位都设为 1，第 N + 1 位设为0，剩余的 N - 1 个字节的前两位都设位 10，剩下的二进制位则使用这个字符的 Unicode 码点来填充。
编码规则如下：
| Unicode 十六进制码点范围 |
UTF-8 二进制 |
| 0000 0000 - 0000 007F |
0xxxxxxx |
| 0000 0080 - 0000 07FF |
110xxxxx 10xxxxxx |
| 0000 0800 - 0000 FFFF |
1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx |
| 0001 0000 - 0010 FFFF |
10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx |
|
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根据上面编码规则对照表，进行 UTF-8 编码和解码就简单多了。下面以汉字“汉”为利，具体说明如何进行 UTF-8 编码和解码。
“汉”的 Unicode 码点是 0x6c49（110 1100 0100 1001），通过上面的对照表可以发现，0x0000 6c49 位于第三行的范围，那么得出其格式为 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。接着，从“汉”的二进制数最后一位开始，从后向前依次填充对应格式中的 x，多出的 x 用 0 补上。这样，就得到了“汉”的 UTF-8 编码为 11100110 10110001 10001001，转换成十六进制就是 0xE6 0xB7 0x89。
解码的过程也十分简单：如果一个字节的第一位是 0 ，则说明这个字节对应一个字符；如果一个字节的第一位1，那么连续有多少个 1，就表示该字符占用多少个字节。
Little endian 和 Big endian
以汉字严为例，Unicode 码是4E25，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，这就是 Big endian 方式；25在前，4E在后，这是 Little endian 方式。
第一个字节在前，就是"大头方式"（Big endian），第二个字节在前就是"小头方式"（Little endian）。
那么很自然的，就会出现一个问题：计算机怎么知道某一个文件到底采用哪一种方式编码？
Unicode 规范定义，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。
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头方式；如果头两个字节是FF FE，就表示该文件采用小头方式。
UTF-16
在了解 UTF-16 编码方式之前，先了解一下另外一个概念——"平面"。
在上面的介绍中，提到了 Unicode 是一本很厚的字典，她将全世界所有的字符定义在一个集合里。这么多的字符不是一次性定义的，而是分区定义。每个区可以存放 65536 个（$2^{16}$）字符，称为一个平面（plane）。目前，一共有 17 个（$2^{5}$）平面，也就是说，整个 Unicode 字符集的大小现在是 $2^{21}$。
最前面的 65536 个字符位，称为基本平面（简称 BMP ），它的码点范围是从 0 到 $2^{16}-1$，写成 16 进制就是从 U+0000 到 U+FFFF。所有最常见的字符都放在这个平面，这是 Unicode 最先定义和公布的一个平面。剩下的字符都放在辅助平面（简称 SMP ），码点范围从 U+010000 到 U+10FFFF。
基本了解了平面的概念后，再说回到 UTF-16。UTF-16 编码介于 UTF-32 与 UTF-8 之间，同时结合了定长和变长两种编码方法的特点。它的编码规则很简单：基本平面的字符占用 2 个字节，辅助平面的字符占用 4 个字节。也就是说，UTF-16 的编码长度要么是 2 个字节（U+0000 到 U+FFFF），要么是 4 个字节（U+010000 到 U+10FFFF）。那么问题来了，当我们遇到两个字节时，到底是把这两个字节当作一个字符还是与后面的两个字节一起当作一个字符呢？
这里有一个很巧妙的地方，在基本平面内，从 U+D800 到 U+DFFF 是一个空段，即这些码点不对应任何字符。因此，这个空段可以用来映射辅助平面的字符。
辅助平面的字符位共有 $2^{20}$ 个，因此表示这些字符至少需要 20 个二进制位。UTF-16 将这 20 个二进制位分成两半，前 10 位映射在 U+D800 到 U+DBFF，称为高位（H），后 10 位映射在 U+DC00 到 U+DFFF，称为低位（L）。这意味着，一个辅助平面的字符，被拆成两个基本平面的字符表示。
因此，当我们遇到两个字节，发现它的码点在 U+D800 到 U+DBFF 之间，就可以断定，紧跟在后面的两个字节的码点，应该在 U+DC00 到 U+DFFF 之间，这四个字节必须放在一起解读。
接下来，以汉字"?"为例，说明 UTF-16 编码方式是如何工作的。
汉字"?"的 Unicode 码点为 0x20BB7，该码点显然超出了基本平面的范围（0x0000 - 0xFFFF），因此需要使用四个字节表示。首先用 0x20BB7 - 0x10000 计算出超出的部分，然后将其用 20 个二进制位表示（不足前面补 0 ），结果为0001000010 1110110111。接着，将前 10 位映射到 U+D800 到 U+DBFF 之间，后 10 位映射到 U+DC00 到 U+DFFF 即可。U+D800 对应的二进制数为 1101100000000000，直接填充后面的 10 个二进制位即可，得到 1101100001000010，转成 16 进制数则为 0xD842。同理可得，低位为 0xDFB7。因此得出汉字"?"的 UTF-16 编码为 0xD842 0xDFB7。
Unicode3.0 中给出了辅助平面字符的转换公式：
H = Math.floor((c-0x10000) / 0x400)+0xD800
L = (c - 0x10000) % 0x400 + 0xDC00
根据编码公式，可以很方便的计算出字符的 UTF-16 编码。
ISO8859-1(Latin-1)
ISO8859-1，通常叫做Latin-1。Latin-1包括了书写所有西方欧洲语言不可缺少的附加字符。
ISO-8859-1编码是单字节编码，向下兼容ASCII，其编码范围是0x00-0xFF，0x00-0x7F之间完全和ASCII一致，0x80-0x9F之间是控制字符，0xA0-0xFF之间是文字符号。
ISO-8859-1收录的字符除ASCII收录的字符外，还包括西欧语言、希腊语、泰语、阿拉伯语、希伯来语对应的文字符号。欧元符号出现的比较晚，没有被收录在ISO-8859-1当中。
因为ISO-8859-1编码范围使用了单字节内的所有空间，在支持ISO-8859-1的系统中传输和存储其他任何编码的字节流都不会被抛弃。换言之，把其他任何编码的字节流当作ISO-8859-1编码看待都没有问题。这是个很重要的特性，MySQL数据库默认编码是Latin1就是利用了这个特性。ASCII编码是一个7位的容器，ISO-8859-1编码是一个8位的容器。
ISO-8859-1 的较低部分（从 1 到 127 之间的代码）是最初的 7 比特 ASCII。
ISO-8859-1 的较高部分（从 160 到 255 之间的代码）全都有实体名称。