常见字符编码辨析

在说常见的字符编码（ASCII、gb2312、gbk、utf-8等）之前，我们先来看看编码的历史吧。

编码编年史

• 先是ASCII编码，使用一个字节的7位来表示128个字符（大小写字母，数字0到9、标点符号、及在美式英语中使用的特殊控制字符）；

• 表示的字符实在太少，出现了EASCII，EASCII码比ASCII码扩充出来的128符号包括表格符号、计算符号、希腊字母和特殊的拉丁符号；

• 太小家子气了，中国使用两个字节扩充了ASCII，称之为GB2312，支持汉字6763个和非汉字图形字符682个；

• 罕用字和繁体字GB2312处理不过来，GBK及GB 18030汉字字符集相继出现以解决这个问题；

• ISO（国际标准化组织）看不下去了，制定了专为解决传统的字符编码方案的局限性的Unicode；

• 为了节约传输消耗和存储空间，UTF-8和UTF-16应运而生；

• Base64主要是为了解决有些系统只能使用ASCII的尴尬，本身比较适合处理文本数据的传输和存储；

• encodeUriComponent:它是将中文、韩文等特殊字符转换成utf-8格式的url编码。

ASCII编码

ASCII（American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码）是基于拉丁字母的一套电脑编码系统。它主要用于显示现代英语，而其扩展版本EASCII则可以部分支持其他西欧语言，并等同于国际标准ISO/IEC 646。

ASCII第一次以规范标准的型态发表是在1967年，最后一次更新则是在1986年，至今为止共定义了128个字符；其中33个字符无法显示（一些终端提供了扩展，使得这些字符可显示为诸如笑脸、扑克牌花式等8-bit符号），且这33个字符多数都已是陈废的控制字符。控制字符的用途主要是用来操控已经处理过的文字。在33个字符之外的是95个可显示的字符，包含用键盘敲下空白键所产生的空白字符也算1个可显示字符（显示为空白）。

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，所以就出现了很多非ASCII编码。

GB 2312

定义

GB 2312 或 GB 2312–80 是中华人民共和国国家标准简体中文字符集，全称《信息交换用汉字编码字符集·基本集》，又称GB0，由中国国家标准总局发布，1981年5月1日实施。GB 2312编码通行于中国大陆；新加坡等地也采用此编码。中国大陆几乎所有的中文系统和国际化的软件都支持GB 2312。

概述

GB 2312标准共收录6763个汉字，其中一级汉字3755个，二级汉字3008个；同时收录了包括拉丁字母、希腊字母、日文平假名及片假名字母、俄语西里尔字母在内的682个字符。

GB 2312的出现，基本满足了汉字的计算机处理需要，它所收录的汉字已经覆盖中国大陆99.75%的使用频率。但对于人名、古汉语等方面出现的罕用字和繁体字，GB 2312不能处理，因此后来GBK及GB 18030汉字字符集相继出现以解决这些问题。

在使用GB 2312的程序通常采用EUC（EUC全名为Extended Unix Code，是一个使用8位编码来表示字符的方法。）储存方法，以便兼容于ASCII。浏览器编码表上的“GB2312”，通常都是指“EUC-CN”表示法。

分区表示

GB 2312中对所收汉字进行了“分区”处理，每区含有94个汉字／符号。这种表示方式也称为区位码。

01–09区为特殊符号。
16–55区为一级汉字，按拼音排序。
56–87区为二级汉字，按部首／笔画排序。

举例来说，“啊”字是GB 2312之中的第一个汉字，它的区位码就是1601。

10–15区及88–94区则未有编码。但在附录3，则在第10区推荐作为 GB 1988–80 中的94个图形字符区域（即第3区字符之半形版本）。

字节结构

每个汉字及符号以两个字节来表示。第一个字节称为“高位字节”，第二个字节称为“低位字节”。

“高位字节”使用了0xA1–0xF7（把01–87区的区号加上0xA0），“低位字节”使用了0xA1–0xFE（把01–94加上0xA0）。由于一级汉字从16区起始，汉字区的“高位字节”的范围是0xB0–0xF7，“低位字节”的范围是0xA1–0xFE，占用的码位是72*94=6768。其中有5个空位是D7FA–D7FE。

例如“啊”字在大多数程序中，会以两个字节，0xB0（第一个字节）0xA1（第二个字节）储存。（与区位码对比：0xB0=0xA0+16,0xA1=0xA0+1）。

有两种不同的GB 2312实现

有两种不同的GB 2312实现，在它们之间存在少量的差别，其中至少有一个是错误的。

字节序	实现A	实现B
A1A4	U+00B7 MIDDLE DOT	U+30FB KATAKANA MIDDLE DOT
A1AA	U+2014 EM DASH	U+2015 HORIZONTAL BAR

实现A与GBK/GB 18030兼容，实现B则不兼容。

在2015年，微软.Net Framework在使用实现A。 iconv-1.14， php-5.6， ActivePerl-5.20， Java 1.7， Python 3.4在使用实现B.[2] Ruby 2.2则同时兼容实现A和实现B，对这几个有冲突的字符，它在内部转换为实现A。

GBK编码

汉字内码扩展规范，称GBK，全名为《汉字内码扩展规范(GBK)》1.0版，由中华人民共和国全国信息技术标准化技术委员会1995年12月1日制订，国家技术监督局标准化司和电子工业部科技与质量监督司1995年12月15日联合以《技术标函[1995]229号》文件的形式公布。

GBK的K为汉语拼音Kuo Zhan（扩展）中“扩”字的声母。英文全称Chinese Internal Code Extension Specification。

GBK 只为“技术规范指导性文件”，不属于国家标准。国家质量技术监督局于2000年3月17日推出了GB 18030-2000标准，以取代GBK。

Unicode编码

unicode（中文：万国码、国际码、统一码、单一码）是计算机科学领域里的一项业界标准。它对世界上大部分的文字系统进行了整理、编码，使得电脑可以用更为简单的方式来呈现和处理文字。

Unicode伴随着通用字符集的标准而发展，同时也以书本的形式[1]对外发表。Unicode至今仍在不断增修，每个新版本都加入更多新的字符。目前最新的版本为2016年6月21日公布的9.0.0[2]，已经收入超过十万个字符（第十万个字符在2005年获采纳）。Unicode涵盖的数据除了视觉上的字形、编码方法、标准的字符编码外，还包含了字符特性，如大小写字母。

Unicode发展由非营利机构统一码联盟负责，该机构致力于让Unicode方案替换既有的字符编码方案。因为既有的方案往往空间非常有限，亦不适用于多语环境。

Unicode备受认可，并广泛地应用于电脑软件的国际化与本地化过程。有很多新科技，如可扩展置标语言、Java编程语言以及现代的操作系统，都采用Unicode编码。

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。

Unicode的实现方式

Unicode的实现方式不同于编码方式。一个字符的Unicode编码是确定的。但是在实际传输过程中，由于不同系统平台的设计不一定一致，以及出于节省空间的目的，对Unicode编码的实现方式有所不同。Unicode的实现方式称为Unicode转换格式（Unicode Transformation Format，简称为UTF）。

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1~4个字节表示一个符号，根据不同的符号而变化字节长度。

UTF-8的编码规则很简单，只有二条：

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。

	码点终值	字节序列	Byte 1	Byte 2	Byte 3	Byte 4	Byte 5	Byte 6
7	U+0000	U+007F	1	0xxxxxxx
11	U+0080	U+07FF	2	110xxxxx	10xxxxxx
16	U+0800	U+FFFF	3	1110xxxx	10xxxxxx	10xxxxxx
21	U+10000	U+1FFFFF	4	11110xxx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx
26	U+200000	U+3FFFFFF	5	111110xx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx
31	U+4000000	U+7FFFFFFF	6	1111110x	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx	10xxxxxx

Unicode 和 UTF-8 之间的转换关系表 ( x 字符表示码点占据的位 )

UTF-16

UTF-16是Unicode字符编码五层次模型的第三层：字符编码表（Character Encoding Form，也称为 “storage format”）的一种实现方式。即把Unicode字符集的抽象码位映射为16位长的整数（即码元）的序列，用于数据存储或传递。Unicode字符的码位，需要1个或者2个16位长的码元来表示，因此这是一个变长表示。

UTF-16比起UTF-8，好处在于大部分字符都以固定长度的字节 (2字节) 储存，但UTF-16却无法兼容于ASCII编码。

UTF-32

UTF-32 (或 UCS-4)是一种将Unicode字符编码的协议，对每一个Unicode码位使用恰好32比特。UTF 只有此一种定长编码。

UTF-32 使用32-比特的码值，只在0到10FFFF的字码空间（百万个码位）。

UTF-32 原本是一个 UCS-4 的子集，于是就现状而言，除了 UTF-32 标准包含额外的 Unicode 意涵，UCS-4 和 UTF-32 大体是相同的。

小端和大端问题

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。

这两个古怪的名称来自英国作家斯威夫特的《格列佛游记》。在该书中，小人国里爆发了内战，战争起因是人们争论，吃鸡蛋时究竟是从大头(Big-Endian)敲开还是从小头(Little-Endian)敲开。为了这件事情，前后爆发了六次战争，一个皇帝送了命，另一个皇帝丢了王位。

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）。

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。

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。

Base64

Base64是一种基于64个可打印字符来表示二进制数据的表示方法。由于2的6次方等于64，所以每6个比特为一个单元，对应某个可打印字符。三个字节有24个比特，对应于4个Base64单元，即3个字节需要用4个可打印字符来表示。

在Base64中的可打印字符包括字母A-Z、a-z、数字0-9，这样共有62个字符，此外两个可打印符号在不同的系统中而不同。

完整的base64定义可见RFC 1421和RFC 2045。编码后的数据比原始数据略长，为原来的4/3。

转换过程：

转换的时候，将三个byte的数据，先后放入一个24bit的缓冲区中，先来的byte占高位。数据不足3byte的话，于缓冲器中剩下的bit用0补足。然后，每次取出6（因为26=64）个bit，按照其值选择ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz0123456789+/中的字符作为编码后的输出。不断进行，直到全部输入数据转换完成。

当原数据长度不是3的整数倍时, 如果最后剩下一个输入数据，在编码结果后加2个“=”；如果最后剩下两个输入数据，编码结果后加1个“=”；如果没有剩下任何数据，就什么都不要加，这样才可以保证数据还原的正确性。（如果要编码的字节数不能被3整除，最后会多出1个或2个字节，那么可以使用下面的方法进行处理：先使用0字节值在末尾补足，使其能够被3整除，然后再进行base64的编码。在编码后的base64文本后加上一个或两个’=’号，代表补足的字节数。也就是说，当最后剩余一个八位字节（一个byte）时，最后一个6位的base64字节块有四位是0值，最后附加上两个等号；如果最后剩余两个八位字节（2个byte）时，最后一个6位的base字节块有两位是0值，最后附加一个等号。参考下表：）

Base64编码的作用

由于某些系统中只能使用ASCII字符。Base64就是用来将非ASCII字符的数据转换成ASCII字符的一种方法。它使用下面表中所使用的字符与编码。

比如：GB2312－根据Base64规则－>转换成ASCII码，

接收端收到ASCII码－根据Base64规则－>还原到GB2312

Base64常用于在通常处理文本数据的场合，表示、传输、存储一些二进制数据。包括MIME的email、在XML中存储复杂数据。而且base64特别适合在http，mime协议下快速传输数据。

总结

关于编码和解码一定要对应，否则会产生乱码。