计算机常用编码及转换方法介绍

常用编码详解 作者：李静南 摘要：本文在对各种资料整理后详细介绍各种常见编码的转换算法。 一、通用字符集（UCS） ISO/IEC 10646-1 [ISO-10646]定义了一种多于8比特字节的字符集，称作通用字符集（UCS），它包含了世界上大多数可书写的字符系统。已定义了两种多8比特字节编码，对每一个字符采用四个8比特字节编码的称为UCS-4，对每一个字符采用两个8比特字节编码的称为UCS-2。它们仅能够对UCS的前64K字符进行编址，超出此范围的其它部分当前还没有分配编址。 二、基本多语言面（BMP） ISO 10646 定义了一个31位的字符集。 然而，在这巨大的编码空间中，迄今为止只分配了前65534个码位 (0x0000 到 0xFFFD)。 这个UCS的16位子集称为 “基本多语言面 ”(Basic Multilingual Plane, BMP)。 三、Unicode编码 历史上， 有两个独立的， 创立单一字符集的尝试。 一个是国际标准化组织(ISO)的 ISO 10646 项目； 另一个是由(一开始大多是美国的)多语言软件制造商组成的协会组织的 Unicode 项目。幸运的是， 1991年前后, 两个项目的参与者都认识到： 世界不需要两个不同的单一字符集。它们合并双方的工作成果，并为创立一个单一编码表而协同工作。 两个项目仍都存在并独立地公布各自的标准， 但 Unicode 协会和 ISO/IEC JTC1/SC2 都同意保持 Unicode 和 ISO 10646 标准的码表兼容， 并紧密地共同调整任何未来的扩展。Unicode 标准额外定义了许多与字符有关的语义符号学， 一般而言是对于实现高质量的印刷出版系统的更好的参考。 四、UTF-8编码 UCS-2和UCS-4编码很难在许多当前的应用和协议中使用，这些应用和协议假定字符为一个8或7比特的字节。即使新的可以处理16比特字符的系统，却不能处理UCS-4数据。这种情况导致一种称为UCS转换格式（UTF）的发展，它每一种有不同的特征。 UTF-8(RFC 2279)，使用了8比特字节的所有位，保持全部US-ASCII取值范围的性质：US-ASCII字符用一个8比特字节编码，采用通常的US-ASCII值，因此，在此值下的任何一个8比特位字节仅仅代表一个US-ASCII字符，而不会为其他字符。它有如下的特性： 1）UTF-8向UCS-4，UCS-2两者中任一个进行相互转换比较容易。 2）多8比特字节序列的第一个8比特字节指明了系列中8比特字节的数目。 3）8比特字节值FE和FF永远不会出现。 4）在8比特字符流中字符边界从哪里开始较容易发现。 UTF-8定义: 在UTF-8中，字符采用1到6个8比特字节的序列进行编码。仅仅一个8比特字节的一个序列中，字节的高位为0，其他的7位用于字符值编码。n（n>1）个8比特字节的一个序列中，初始的8比特字节中高n位为1，接着一位为0，此字节余下的位包含被编码字符值的位。接着的所有8比特字节的最高位为1，接着下一位为0，余下每个字节6位包含被编码字符的位。 下表总结了这些不同的8比特字节类型格式。字母x指出此位来自于进行编码的UCS-4字符值。 UCS-4范围（16进制） UTF-8 系列（二进制） 0000 0000<->0000 007F 0xxxxxxx 0000 0080<->0000 07FF 110xxxxx 10xxxxxx 0000 0800<->0000 FFFF 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 0001 0000<->001F FFFF 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 0020 0000<->03FF FFFF 111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 0400 0000<->7FFF FFFF 1111110x 10xxxxxx ... 10xxxxxx 从UCS-4 到 UTF-8编码规则如下： 1）从字符值和上表第一列中决定需要的8比特字节数目。着重指出的是上表中的行是相互排斥的，也就是说，对于一个给定的UCS-4字符，仅仅有一个有效的编码。 2）按照上表中第二列每行那样准备8比特字节的高位。 3）将UCS字符值的位，从低位起填充在标记为x地方。从UTF8序列中最后一个字节填起，然后剩下的字符值依次放到前一个字节中，如此重复，直到所有标记位x的位都进行了填充。 这里我们仅仅实现Unicode到UTF8的转换，Unicode都是两个字节，定义为: typedef usigned short WCHAR // 输出的UTF8编码至多是3个字节。 int UnicodeToUTF8(WCHAR ucs2, unsigned char *buffer) { memset(buffer, 0, 4); if ((0x0000 <= ucs2) && (ucs2 <= 0x007f)) // one char of UTF8 { buffer[0] = (char)ucs2; return 1; } if ((0x0080 <= ucs2) && (ucs2 <= 0x07ff)) // two char of UTF8 { buffer[1] = 0x80 | char(ucs2 & 0x003f); buffer[0] = 0xc0 | char((ucs2 >> 6) & 0x001f); return 2; } if ((0x0800 <= ucs2) && (ucs2 <= 0xffff)) // three char of UTF8 { buffer[2] = 0x80 | char(ucs2 & 0x003f); buffer[1] = 0x80 | char((ucs2 >> 6) & 0x003f); buffer[0] = 0xe0 | char((ucs2 >> 12) & 0x001f); return 3; } return 0; } 理论上，简单的通过用2个0值的8比特字节来扩展每个UCS-2字符，则从UCS-2到UTF-8编码的算法可以从上面得到。然而，从D800到DFFF间的UCS-2值对（用Unicode说法是代理对），实际上是通过UTF-16来进行UCS-4字符转换，因此需要特别对待：UTF-16转换必须未完成，先转换到于UCS-4字符，然后按照上面过程进行转换。 从UTF-8到UCS-4解码过程如下： 1）初始化UCS-4字符4个8比特字节的所有位为0。 2）根据序列中8比特字节数和上表中第二列（标记为x位）来决定哪些位编码用于字符值。 3）从编码序列分配位到UCS-4字符。首先从序列最后一个8比特字节的最低位开始，接着向左进行，直到所有标记为x的位完成。如果UTF-8序列长度不大于3个8比特字节，解码过程可以直接赋予UCS-2。 WCHAR UTF8ToUnicode(unsigned char *buffer) { WCHAR temp = 0; if (buffer[0] < 0x80) // one char of UTF8 { temp = buffer[0]; } if ((0xc0 <= buffer[0]) && (buffer[0] < 0xe0)) // two char of UTF8 { temp = buffer[0] & 0x1f; temp = temp << 6; temp = temp | (buffer[1] & 0x3f); } if ((0xe0 <= buffer[0]) && (buffer[0] < 0xf0)) // three char of UTF8 { temp = buffer[0] & 0x0f; temp = temp << 6; temp = temp | (buffer[1] & 0x3f); temp = temp << 6; temp = temp | (buffer[2] & 0x3f); } if ((0x80 <= buffer[0]) && (buffer[0] < 0xc0)) // not the first byte of UTF8 character return 0xfeff; // 0xfeff will never appear in usual return temp; // more than 3-bytes return 0 } 注意：上面解码算法的实际实现应该进行安全保护，以便处理解码无效的系列。例如:实现可能（错误）解码无效的UTF-8系列0xC0 0x80为字符U+0000，它可能导致安全问题或其他问题（比如把0当作数组结束标志）。更详细的算法和公式可以在[FSS_UTF]，[UNICODE] 或[ISO-10646]附录R中找到。 五、UTF-7编码 UTF-7：A Mail-Safe Transformation Format of Unicode(RFC1642)。这是一种使用 7 位 ASCII 码对 Unicode 码进行转换的编码。它的设计目的仍然是为了在只能传递 7 为编码的邮件网关中传递信息。 UTF-7 对英语字母、数字和常见符号直接显示，而对其他符号用修正的 Base64 编码。符号 + 和 - 号控制编码过程的开始和暂停。所以乱码中如果夹有英文单词，并且相伴有 + 号和 - 号，这就有可能是 UTF-7 编码。 协议中定义的转换规则： 1）集合D中的Unicode字符可以直接的编码为ASCII的等值字节。集合O中的字符可以有有选择的的直接编码为ASCII的等值字节，但要记得其中的很多的字符在报头字段是不合法的，或者不能正确的穿过邮件网关。 2）通过在前面加上转换字符"+"，任何一个Unicode序列都可以使用集合B（更改过的base64）中的字符编码。"+"意味着后面的字节将被作为更改过的BASE64字母表中的元素解析，直到遇到一个不是字母表中的字符为止。这些字符中会包含控制字符，比如回车和换行；因此，一个Unicode转换序列总是在一行上结束。注释：有两个特殊的情形："+-"表示''+''，"+ …… --"表示有一个真正的''-''字符出现了。多数情况是没有''-''标记结束。 3）空格、tab、回车和换行字符可以直接使用ASCII等价字节表示。 那么我们就可以定义算法了，我们先定义字符集的相关数组： typedef unsigned char byte // 64 characters for base64 coding byte base64Chars[] = "ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/"; // 8 characters are safe just as base64 characters for MAIL gates byte safeChars[] = "''(),-.:?"; // 4 characters all means space byte spaceChars[] = " /t/n/r"; 注：在编码处理时候，我们需要对一个字节判断属于哪类字符，以便确定处理规则，如果简单的使用范围比较的方式，效率很低，我们采用哈希表的思路：建立一个256长的数组，那么对于每一个字节的值，就可以定义一个类型。判断时候，对每个字符都直接取数组的值。 // mask value defined for indentify the type of a byte #define BASE64 0x01 #define SAFE 0x02 #define SPACE 0x04 byte byteType[256]; // hash table used for find the type of a byte bool firstTime = true; // the first time to use the lib, wait for init the table // 注：为了解码base64编码部分的字符，需要一个哈希表，对一个base64字符都可以直接得到0-64之间的一个数： byte base64Value[128]; 这两个哈希表在使用前要初始化： void initUTF7Tables() { byte *s; if(!firstTime) return; // not necessary, but should do it to be robust memset(byteType, 0, 256); memset(base64Value, 0, 128); for(s=base64Chars; *s!=''/0''; s++) { byteType[*s] |= BASE64; base64Value[*s] = s - base64Chars; // the offset, it is a 6bits value,0-64 } for(s=safeChars; *s!=''/0''; s++) byteType[*s] |= SAFE; for(s=spaceChars; *s!=''/0''; s++) byteType[*s] |= SPACE; firstTime = false; } UTF-7编码转换时候，是与当前字符是与状态有关的，也就是说： 1）正处于Base64编码状态中 2）正处于直接编码状态中 3）现在UTF-7的缓冲区里，当前的字符是转换开关"+" 所以要定义相关的字段： // the state of current character #define IN_ASCII 0 #define IN_BASE64 1 #define AFTER_PLUS 2 在使用规则2进行编码时候，需要使用base64的方法，也就需要2个全局的辅助变量： int state; // state in which we are working int nbits; // number of bits in the bit buffer unsigned long bitBuffer; // used for base64 coding 把一个Unicode字符转化为一个UTF-7序列：返回写到缓冲区里的字节数目，函数影响了state，nbits，bitBuffer三个全局变量。这里先实现了一个简单的辅助函数，功能是把一个Unicode字符转变后写到提供的缓冲区中，返回写入的字节个数。在开始编码Unicode字符数组中第一个字符的时候，state，nbits，bitBuffer三个全局变量需要被初始化： state = IN_ASCII; nbits = 0; bitBuffer = 0; int UnicodeToUTF7(WCHAR ucs2, byte *buffer) { byte *head = buffer; int index; // is an ASCII and is a byte in char set defined if (((ucs2 & 0xff80) == 0)) && (byteType[(byte)u2] & (BASE64|SAFE|SPACE))) { byte temp = (byte)ucs2; if (state == IN_BASE64) // should switch out from base64 coding here { if (nbits > 0) // if some bits in buffer, then output them { index = (bitBuffer << (6 - nbits)) & 0x3f; *s++ = base64[index]; } if ((byteType[temp] & BASE64) || (temp == ''-'')) *s++ = ''-''; state = IN_ASCII; } *s++ = temp; if (temp == ''+'') *s++ = ''-''; } else { if (state == IN_ASCII) { *s++ = ''+''; state = IN_BASE64; // begins base64 coding here nbits = 0; bitBuffer = 0; } bitBuffer <<= 16; bitBuffer |= ucs2; nbits += 16; while(nbits >= 6) { nbits -= 6; index = (bitBuffer >> nbits) & 0x3f; // output the high 6 bits *s++ = base64[index]; } } return (s - head); } 说明：对于合法的Unicode字符数组，可以通过逐个输入数组中的字符，连续调用上面的函数，得到一个UTF-7字节序列。需要说明的是：最后一个Unicode字符应该是上面三个字节数组中某个字符的等值。 下面，我们实现一个简单的说明函数，功能是：输入一个UTF-7字节，可能得到并返回一个合法Unicode字符；也可能不能得到，比如遇到''+''或者因为还没有完成一个字符的拼装，这时返回一个标志字符0xfeff，这个字符常用来标志Unicode编码。 注：函数影响了state，nbits，bitBuffer三个全局变量。在开始处理第一个字节时候，变量需要被初始化为： state = IN_ASCII; nbits = 0; bitBuffer = 0; #define RET0 0xfeff WCHAR UTF7ToUnicode(byte c) { if(state == IN_ASCII) { if (c == ''+'') { state = AFTER_PLUS; return RET0; } else return (WCHAR)c; } if (state == AFTER_PLUS) { if (c == ''-'') { return (WCHAR)''+''; } else { state = IN_BASE64; nbits = 0; bitBuffer = 0; // it is not necessary // don''t return yet, continue to the IN_BASE64 mode } } // state == Base64 if (byteType[c] & BASE64) { bitBuffer <<= 6; bitBuffer |= base64Value[c]; nbits += 6; if (nbits >= 16) { nbits -= 16; return (WCHAR)((bitBuffer >> nbits) & 0x0000ffff); } return RET0; } // encount a byte which is not in base64 character set, switch out of base64 coding state = IN_ASCII; if (c != ''-'') { return (WCHAR)c; } return RET0; } 说明：对于一个UTF-7序列，可以通过连续输入字节并调用上面的函数，判断返回值，得到一个Unicode字符数组。 六、GB2312编码中汉字的确定 最早，表示汉字的区位码中，分为94个区，每个区94个汉字，1-15区是西文字符，图形等，16-5为一级汉字，56-87为二级汉字，87区以上为新字用。而我们在Windows默认的编码，GB2312（1981年国家颁布的《信息交换用汉字编码字符集基本集》）国标码，和区位码的换算为： 国标码 = 区位码 + 2020H 而在汉字在计算机内表示的时候为保证ASCII码和汉字编码的不混淆，又做了一个换算： 汉字机内码 = 国标码 + 8080H 所以，真正的在Windows上的GB2312汉字编码是机内码，从上边的两个公式可以得到的就是： 汉字机内码 = 区位码 + a0a0H 一个汉字的编码最少要a0a0H，因此我们在CString中辨别汉字的时候可以认为：当一个字符的编码大于a0的时候它应该是汉字的一个部分。但是也有特殊的情况的，不是每个汉字的两个字节编码都是大于a0H的，例如‘镕’的编码是 ‘E946’，后面的部分就不满足大于a0H的条件。 七、Windows下多字节编码和Unicode的转换 Windows提供了API函数，可以把Unicode字符数组转换为GB2312字符串。其中，Unicode数组在传入时候最后一个为0，也就是所谓的null termidated字符串。在函数内部得到要返回字节串的大小，请求空间，进行真正的转换操作，指针在外部使用后释放，或者在类中加如其他的操作来处理，比如析构函数中释放。返回值为写到字节串里数目。 int StringEncode::UnicodeToGB2312(char **dest, const WCHAR *src) { char* buffer; int size = ::WideCharToMultiByte(CP_ACP, 0, src, -1, NULL, 0, NULL, NULL); // null termidated wchar''s buffer buffer = new char[size]; int ret = ::WideCharToMultiByte(CP_ACP, NULL, src, -1, buffer, size + 1, NULL, NULL); if (*dest != 0) delete *dest; *dest = buffer; return ret; } 注：其中见到有人在使用的时候，申请缓冲区空间时候是申请了(zise + 1)个来，最后一个字节写''/0''，结束字符串。但是在我调试时候发现：系统给的size已经包含了一个写入''/0''的字节，而且最后得到的串中，''/0''是已经被系统API写入了。（也许我的实验有错误，有待验证）。把Unicode字符数组转换为UTF-8和UTF-7的方法类似，只要是WideCharToMultiByte函数的第一个表示代码页参数改为CP_UTF7(65000)和CP_UTF8(65001)。 同样道理，把多字节转换为Unicode字符数组，也有相应的函数。和上面的函数类似，可以通过先提供一个空缓冲区而先得到需要的大小，然后开辟空间得到最后的字符数组。但是考虑到效率，可以适当牺牲一些空间，提供一个足够大的字符数组，数组大小在极端的情况下（全是ASCII）是和字节数组大小一样的。 int StringEncode::Gb2312ToUnicode(WCHAR **dest, const char *src) { int length = strlen(src); // null terminated buffer WCHAR *buffer = new WCHAR[length + 1]; // WCHAR means unsinged short, 2 bytes // provide enough buffer size for Unicodes int ret = ::MultiByteToWideChar(CP_ACP, MB_PRECOMPOSED, src, length, buffer, length); buffer[ret] = 0; if (*dest != 0) delete *dest; *dest = buffer; return ret; } 注：删除以前的缓冲区时候的操作，其实没有必要判断是不是为空，因为删除空指针是没有问题的，因为delete内部提供了这样的机制。 八、URL 解码 用IE发送GET请求的时候，URL是用UTF-8编码的，当对截包数据分析时候就需要对数据解码，下面的函数是一个简单的实现： CString CTestUrlDlg::UrlToString(CString url) { CString str = ""; int n = url.GetLength(); url.MakeLower(); BYTE a, b1, b2; for (int i=0; i { if (url.GetAt(i) == ''%'') { if ((n - i) < 3) // 后面没有两个字符了，错误 return ""; b1 = charToHex( url.GetAt(i+1) ); b1 = (b1 << 4) & 0xf0; b2 = charToHex( url.GetAt(i+2) ) & 0x0f; a = b1 | b2; str += a; i += 2; } else { str += url.GetAt(i); } } return str; } static WCHAR UTF8ToUnicode(unsigned char *buf, int &t) { WCHAR temp = 0; unsigned char *buffer = buf + t; if (buffer[0] < 0x80) // one char of UTF8 { temp = buffer[0]; t += 1; } if ((0xc0 <= buffer[0]) && (buffer[0] < 0xe0)) // two char of UTF8 { temp = buffer[0] & 0x1f; temp = temp << 6; temp = temp | (buffer[1] & 0x3f); t += 2; } if ((0xe0 <= buffer[0]) && (buffer[0] < 0xf0)) // three char of UTF8 { temp = buffer[0] & 0x0f; temp = temp << 6; temp = temp | (buffer[1] & 0x3f); temp = temp << 6; temp = temp | (buffer[2] & 0x3f); t += 3; } if ((0x80 <= buffer[0]) && (buffer[0] < 0xc0)) // not the first byte of UTF8 character return 0xfeff; // 0xfeff will never appear in usual return temp; // more than 3-bytes return 0 } static unsigned char charToHex(char c) { unsigned char d; if ((c >= ''0'') && (c <= ''9'')) d = c - ''0''; else if ((c >= ''a'') && (c <= ''f'')) { d = c - ''a'' + 10; } else if ((c >= ''A'') && (c <= ''F'')) { d = c - ''A'' + 10; } else d = 0; return d; } static void UnicodeToGB2312(const WCHAR unicode, char* buffer) { // int size = ::WideCharToMultiByte(CP_ACP, 0, unicode, -1, NULL, 0, NULL, NULL); int ret = ::WideCharToMultiByte(CP_ACP, NULL, &unicode, -1, buffer, 3, NULL, NULL); } CString CTestUrlDlg::Uft8ToGB(CString url) { CString str = ""; char buffer[3]; WCHAR unicode; unsigned char * p = (unsigned char *)(LPCTSTR)url; int n = url.GetLength(); int t = 0; while (t < n) { unicode = UTF8ToUnicode(p, t); UnicodeToGB2312(unicode, buffer); buffer[2] = 0; str += buffer; } return str; } 示例： CString str = "/MFC%E8%8B%B1%E6%96%87%E6%89%8B%E5%86%8C.chm"; CString ret = UrlToString(str); ret = Uft8ToGB(ret); // MFC英文手册.chm 九、总结 常见算法还有MIME等，由于篇幅限制，并且网上已经有很多帖子，在此不再赘述。 对于本文，由于个人能力有限，难免有疏漏的地方，还望指教，共同进步。