Unicode与UTF-8互转(C语言实现)

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1. 基础

1.1 ASCII码

我们知道, 在计算机内部, 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(bit)有0和1两种状态, 因此八个二进制位就可以组合出 256种状态, 这被称为一个字
节(byte). 也就是说, 一个字节一共可以用来表示256种不同的状态, 每一个状态对应一
个符号, 就是256个符号, 从 0000000到11111111.

上个世纪60年代, 美国制定了一套字符编码, 对英语字符与二进制位之间的关系, 做了统
一规定. 这被称为ASCII码, 一直沿用至今.

ASCII码一共规定了128个字符的编码, 比如空格"SPACE"是32(二进制00100000), 大写的
字母A是65(二进制01000001). 这128个符号(包括32个不能打印出来的控制符号), 只占用
了一个字节的后面7位, 最前面的1位统一规定为0.

1.2 非ASCII编码

英语用128个符号编码就够了, 但是用来表示其他语言, 128个符号是不够的. 比如, 在法
语中, 字母上方有注音符号, 它就无法用ASCII码表示. 于是, 一些欧洲国家就决定, 利
用字节中闲置的最高位编入新的符号. 比如, 法语中的é的编码为130(二进制10000010).
这样一来, 这些欧洲国家使用的编码体系, 可以表示最多256个符号.

但是, 这里又出现了新的问题. 不同的国家有不同的字母, 因此, 哪怕它们都使用256个
符号的编码方式, 代表的字母却不一样. 比如, 130在法语编码中代表了é, 在希伯来语
编码中却代表了字母Gimel (ג), 在俄语编码中又会代表另一个符号.

NOTE:
但是不管怎样, 所有这些编码方式中, 0-127表示的符号是一样的, 不一样的只是128-255
的这一段. // MMMMM

至于亚洲国家的文字, 使用的符号就更多了, 汉字就多达10万左右. 一个字节只能表示
256种符号, 肯定是不够的, 就必须使用多个字节表达一个符号. 比如, 简体中文常见的
编码方式是GB2312, 使用两个字节表示一个汉字, 所以理论上最多可以表示
256x256=65536个符号.

2. Unicode

2.1 Unicode的定义

正如上一节所说, 世界上存在着多种编码方式, 同一个二进制数字可以被解释成不同的符
号. 因此, 要想打开一个文本文件, 就必须知道它的编码方式, 否则用错误的编码方式解
读, 就会出现乱码. 为什么电子邮件常常出现乱码?就是因为发信人和收信人使用的编码
方式不一样.

可以想象, 如果有一种编码, 将世界上所有的符号都纳入其中. 每一个符号都给予一个独
一无二的编码, 那么乱码问题就会消失. 这就是Unicode, 就像它的名字都表示的, 这是
一种所有符号的编码.

Unicode也是一种字符编码方法, 不过它是由国际组织设计, 可以容纳全世界所有语言文
字的编码方案. Unicode的学名是"Universal Multiple-Octet Coded Character Set",
简称为UCS. UCS可以看作是"Unicode Character Set"的缩写.

Unicode当然是一个很大的集合, 现在的规模可以容纳100多万个符号. 每个符号的编码都
不一样, 比如, U+0639表示阿拉伯字母Ain, U+0041表示英语的大写字母A, U+4E25表示汉
字"严". 具体的符号对应表, 可以查询unicode.org, 或者专门的汉字对应表.

2.2 Unicode的问题

需要注意的是, "Unicode只是一个符号集, 它只规定了符号的二进制代码, 却没有规定这
个二进制代码应该如何存储".

比如, 汉字"严"的unicode是十六进制数4E25, 转换成二进制数足足有15位
(100111000100101), 也就是说这个符号的表示至少需要2个字节. 表示其他更大的符号,
可能需要3个字节或者4个字节, 甚至更多.

这里就有两个严重的问题, 第一个问题是, 如何才能区别unicode和ascii?计算机怎么知
道三个字节表示一个符号, 而不是分别表示三个符号呢?第二个问题是, 我们已经知道,
英文字母只用一个字节表示就够了, 如果unicode统一规定, 每个符号用三个或四个字节
表示, 那么每个英文字母前都必然有二到三个字节是0, 这对于存储来说是极大的浪费,
文本文件的大小会因此大出二三倍, 这是无法接受的.

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


3. UTF-8

互联网的普及, 强烈要求出现一种统一的编码方式. UTF-8就是在互联网上使用最广的一
种unicode的实现方式. 其他实现方式还包括UTF-16和UTF-32, 不过在互联网上基本不用.
重复一遍, 这里的关系是, UTF-8是Unicode的实现方式之一.

UTF-8最大的一个特点, 就是它是一种变长的编码方式. 它可以使用1~6个字节表示一个符
号, 根据不同的符号而变化字节长度.

3.1 UTF-8的编码规则

UTF-8的编码规则很简单, 只有两条:

1) 对于单字节的符号, 字节的第一位设为0, 后面7位为这个符号的unicode码. 因此对于
   英语字母, 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.

下表总结了编码规则, 字母x表示可用编码的位.

// #txt---
   |  Unicode符号范围      |  UTF-8编码方式
 n |  (十六进制)           | (二进制)
---+-----------------------+------------------------------------------------------
 1 | 0000 0000 - 0000 007F |                                              0xxxxxxx
 2 | 0000 0080 - 0000 07FF |                                     110xxxxx 10xxxxxx
 3 | 0000 0800 - 0000 FFFF |                            1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
 4 | 0001 0000 - 0010 FFFF |                   11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
 5 | 0020 0000 - 03FF FFFF |          111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
 6 | 0400 0000 - 7FFF FFFF | 1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

                    表 1. UTF-8的编码规则
// #txt---end

下面, 还是以汉字" 严"为例, 演示如何实现UTF-8编码.

已知" 严"的unicode是4E25 (1001110 00100101), 根据上表, 可以发现4E25处在第三行的
范围内 (0000 0800 - 0000 FFFF), 因此" 严"的UTF-8编码需要三个字节, 即格式是
" 1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx". 然后, 从" 严"的最后一个二进制位开始, 依次从后向前
填入格式中的x, 多出的位补0. 这样就得到了, " 严"的UTF-8编码是 " 11100100 10111000
10100101", 转换成十六进制就是E4B8A5.


4. Little endian和Big endian

上一节已经提到, Unicode码可以采用UCS-2格式直接存储. 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, 就是Big endian方式; 25在前, 4E在后, 就是Little endian方式.
// Big Endian(4E25)    Little Endian(254E)

因此, 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).

4.1 计算机怎么知道某一个文件到底采用哪一种方式编码?(零宽度非换行空格(FEFF))

Unicode规范中定义, 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.
// Big Endian(FEFF)    Little Endian(FFFE)

NOTE:
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.

5. Unicode与UTF-8之间的转换

从表1我们很明显可以得知Unicode与UTF-8的关系, 下面以C语言实现两者之间的转换.

1) 将一个字符的Unicode(UCS-2和UCS-4)编码转换成UTF-8编码.

// #c---
/*****************************************************************************
 * 将一个字符的Unicode(UCS-2和UCS-4)编码转换成UTF-8编码.
 *
 * 参数:
 *    unic     字符的Unicode编码值
 *    pOutput  指向输出的用于存储UTF8编码值的缓冲区的指针
 *    outsize  pOutput缓冲的大小
 *
 * 返回值:
 *    返回转换后的字符的UTF8编码所占的字节数, 如果出错则返回 0 .
 *
 * 注意:
 *     1. UTF8没有字节序问题, 但是Unicode有字节序要求;
 *        字节序分为大端(Big Endian)和小端(Little Endian)两种;
 *        在Intel处理器中采用小端法表示, 在此采用小端法表示. (低地址存低位)
 *     2. 请保证 pOutput 缓冲区有最少有 6 字节的空间大小!
 ****************************************************************************/
int enc_unicode_to_utf8_one(unsigned long unic, unsigned char *pOutput,
        int outSize)
{
    assert(pOutput != NULL);
    assert(outSize >= 6);

    if ( unic <= 0x0000007F )
    {
        // * U-00000000 - U-0000007F:  0xxxxxxx
        *pOutput     = (unic & 0x7F);
        return 1;
    }
    else if ( unic >= 0x00000080 && unic <= 0x000007FF )
    {
        // * U-00000080 - U-000007FF:  110xxxxx 10xxxxxx
        *(pOutput+1) = (unic & 0x3F) | 0x80;
        *pOutput     = ((unic >> 6) & 0x1F) | 0xC0;
        return 2;
    }
    else if ( unic >= 0x00000800 && unic <= 0x0000FFFF )
    {
        // * U-00000800 - U-0000FFFF:  1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
        *(pOutput+2) = (unic & 0x3F) | 0x80;
        *(pOutput+1) = ((unic >>  6) & 0x3F) | 0x80;
        *pOutput     = ((unic >> 12) & 0x0F) | 0xE0;
        return 3;
    }
    else if ( unic >= 0x00010000 && unic <= 0x001FFFFF )
    {
        // * U-00010000 - U-001FFFFF:  11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
        *(pOutput+3) = (unic & 0x3F) | 0x80;
        *(pOutput+2) = ((unic >>  6) & 0x3F) | 0x80;
        *(pOutput+1) = ((unic >> 12) & 0x3F) | 0x80;
        *pOutput     = ((unic >> 18) & 0x07) | 0xF0;
        return 4;
    }
    else if ( unic >= 0x00200000 && unic <= 0x03FFFFFF )
    {
        // * U-00200000 - U-03FFFFFF:  111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
        *(pOutput+4) = (unic & 0x3F) | 0x80;
        *(pOutput+3) = ((unic >>  6) & 0x3F) | 0x80;
        *(pOutput+2) = ((unic >> 12) & 0x3F) | 0x80;
        *(pOutput+1) = ((unic >> 18) & 0x3F) | 0x80;
        *pOutput     = ((unic >> 24) & 0x03) | 0xF8;
        return 5;
    }
    else if ( unic >= 0x04000000 && unic <= 0x7FFFFFFF )
    {
        // * U-04000000 - U-7FFFFFFF:  1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
        *(pOutput+5) = (unic & 0x3F) | 0x80;
        *(pOutput+4) = ((unic >>  6) & 0x3F) | 0x80;
        *(pOutput+3) = ((unic >> 12) & 0x3F) | 0x80;
        *(pOutput+2) = ((unic >> 18) & 0x3F) | 0x80;
        *(pOutput+1) = ((unic >> 24) & 0x3F) | 0x80;
        *pOutput     = ((unic >> 30) & 0x01) | 0xFC;
        return 6;
    }

    return 0;
}
// #c---end

2) 将一个字符的UTF8编码转换成Unicode (UCS-2和UCS-4)编码.

// #c---
/*****************************************************************************
 * 将一个字符的UTF8编码转换成Unicode(UCS-2和UCS-4)编码.
 *
 * 参数:
 *    pInput      指向输入缓冲区, 以UTF-8编码
 *    Unic        指向输出缓冲区, 其保存的数据即是Unicode编码值,
 *                类型为unsigned long .
 *
 * 返回值:
 *    成功则返回该字符的UTF8编码所占用的字节数; 失败则返回0.
 *
 * 注意:
 *     1. UTF8没有字节序问题, 但是Unicode有字节序要求;
 *        字节序分为大端(Big Endian)和小端(Little Endian)两种;
 *        在Intel处理器中采用小端法表示, 在此采用小端法表示. (低地址存低位)
 ****************************************************************************/
int enc_utf8_to_unicode_one(const unsigned char* pInput, unsigned long *Unic)
{
    assert(pInput != NULL && Unic != NULL);

    // b1 表示UTF-8编码的pInput中的高字节, b2 表示次高字节, ...
    char b1, b2, b3, b4, b5, b6;

    *Unic = 0x0; // 把 *Unic 初始化为全零
    int utfbytes = enc_get_utf8_size(*pInput);
    unsigned char *pOutput = (unsigned char *) Unic;

    switch ( utfbytes )
    {
        case 0:
            *pOutput     = *pInput;
            utfbytes    += 1;
            break;
        case 2:
            b1 = *pInput;
            b2 = *(pInput + 1);
            if ( (b2 & 0xE0) != 0x80 )
                return 0;
            *pOutput     = (b1 << 6) + (b2 & 0x3F);
            *(pOutput+1) = (b1 >> 2) & 0x07;
            break;
        case 3:
            b1 = *pInput;
            b2 = *(pInput + 1);
            b3 = *(pInput + 2);
            if ( ((b2 & 0xC0) != 0x80) || ((b3 & 0xC0) != 0x80) )
                return 0;
            *pOutput     = (b2 << 6) + (b3 & 0x3F);
            *(pOutput+1) = (b1 << 4) + ((b2 >> 2) & 0x0F);
            break;
        case 4:
            b1 = *pInput;
            b2 = *(pInput + 1);
            b3 = *(pInput + 2);
            b4 = *(pInput + 3);
            if ( ((b2 & 0xC0) != 0x80) || ((b3 & 0xC0) != 0x80)
                    || ((b4 & 0xC0) != 0x80) )
                return 0;
            *pOutput     = (b3 << 6) + (b4 & 0x3F);
            *(pOutput+1) = (b2 << 4) + ((b3 >> 2) & 0x0F);
            *(pOutput+2) = ((b1 << 2) & 0x1C)  + ((b2 >> 4) & 0x03);
            break;
        case 5:
            b1 = *pInput;
            b2 = *(pInput + 1);
            b3 = *(pInput + 2);
            b4 = *(pInput + 3);
            b5 = *(pInput + 4);
            if ( ((b2 & 0xC0) != 0x80) || ((b3 & 0xC0) != 0x80)
                    || ((b4 & 0xC0) != 0x80) || ((b5 & 0xC0) != 0x80) )
                return 0;
            *pOutput     = (b4 << 6) + (b5 & 0x3F);
            *(pOutput+1) = (b3 << 4) + ((b4 >> 2) & 0x0F);
            *(pOutput+2) = (b2 << 2) + ((b3 >> 4) & 0x03);
            *(pOutput+3) = (b1 << 6);
            break;
        case 6:
            b1 = *pInput;
            b2 = *(pInput + 1);
            b3 = *(pInput + 2);
            b4 = *(pInput + 3);
            b5 = *(pInput + 4);
            b6 = *(pInput + 5);
            if ( ((b2 & 0xC0) != 0x80) || ((b3 & 0xC0) != 0x80)
                    || ((b4 & 0xC0) != 0x80) || ((b5 & 0xC0) != 0x80)
                    || ((b6 & 0xC0) != 0x80) )
                return 0;
            *pOutput     = (b5 << 6) + (b6 & 0x3F);
            *(pOutput+1) = (b5 << 4) + ((b6 >> 2) & 0x0F);
            *(pOutput+2) = (b3 << 2) + ((b4 >> 4) & 0x03);
            *(pOutput+3) = ((b1 << 6) & 0x40) + (b2 & 0x3F);
            break;
        default:
            return 0;
            break;
    }

    return utfbytes;
}
// #c---end

6. 延伸阅读

* http://www.ruanyifeng.com/blog/2007/10/ascii_unicode_and_utf-8.html

* The Absolute Minimum Every Software Developer Absolutely, Positively Must
  Know About Unicode and Character Sets (关于字符集的最基本知识)
     http://www.joelonsoftware.com/articles/Unicode.html

* 谈谈Unicode编码
     http://www.pconline.com.cn/pcedu/empolder/gj/other/0505/616631.html

* RFC3629: UTF-8, a transformation format of ISO 10646 (如果实现UTF-8的规定)

    http://www.ietf.org/rfc/rfc3629.txt