字符编码、常见字符集解析（ASCII、Unicode、UTF-8、GB2312等）

各种字符编码的转换是个非常容易混淆的问题，这篇文章旨在梳理字符编码、常见字符集的基本概念，下一篇整理C++、python在不同应用中的代码实现。

字符编码

数字计算机中的存储器唯一可以存储的是比特（bit），因此如果要想在计算机上处理信息，就必须把它们按位存储。为了将文本表示为数字形式，我们需要构建一种系统来为每一个字母赋予一个唯一的编码。数字和标点符号也算做文本的一种形式，所以它们也必须拥有自己的编码。

所有由符号所表示的字母和数字（Alphanumeric）都需要编码。具有这种功能的系统被称为字符编码集（Coded Character Set），系统内的每个独立编码称为字符编码（Character Codes）。¹

ASCII

所有人都遵循并使用统一化的字符编码，不同计算机之间就可以互相交流文本信息。

ASCII码就是一种被广泛使用的字符编码标准，它被称为美国信息交换标准码（American Standard Code for Information Interchange），简称为ASCII码，发音很像ASS-key。从1967年正式公布至今，它一直是计算机产业中最重要的标准。

ASCII码是7位编码，它的二进制取值范围为0000000～1111111，对应于十六进制就是00h～7Fh，最多可以表示128个编码。下面具体展示一些常用字符及相应的十六进制编码。

数字和标点符号

大写字母+标点符号

小写字母+标点符号

像这样一段字符串：
Hello, you!
转换成ASCII码，用十六进制数表示如下：
48 65 6C 6F 2C 20 79 6F 75 21

在ASCII码中，一个大写字母与其对应的小写字母的ASCII码值相差20h。这种规律大大简化了程序代码的编写，例如一段将特定的字符串变成大写的程序。

前面讲到的95个编码也被称为图形文字（graphic characters），因为它们可以被显示出来。其实ASCII码还包含33个控制字符（control characters），它们用来执行某一特定功能，因而不用显示出来。比如：


ASCII的局限性

简单的7位编码只适用于以英语为主的国家，在面对数以万计的中国、日本、韩国的象形文字，以及奇怪的朝鲜文音节等各国语言面前就不够用了。

为了应对各种语言的编码需求，近几十年来出现了许多不同版本的扩展的ASCII码，多个不同的版本严重影响了编码的一致性，导致了混淆和不兼容。其中通用的ASCII码字符，是用单个字节编码表示的，相比而言，成千上万的象形文字则是双字节编码，这在无形之中增加了使用这种字符集的难度。

Unicode

Unicode，统一码，也叫万国码，学名是"Universal Multiple-Octet Coded Character Set"，简称为UCS。现在用的是UCS-2，即2个字节编码，而UCS-4是为了防止将来2个字节不够用才开发的。

相对于ASCII的7位编码，目前Unicode采用了16位编码，每一个字符需要2个字节。也就是说Unicode的字符编码范围为0000h～FFFFh，总共可以表示65,536个不同字符。全世界所有的人类语言，尤其是经常出现在计算机通信过程中的语言，都可以使用同一个编码系统，而且这种系统还具备很高的扩展性。

例如，采用ASCII编码方式存储的著作《怒火之花》，其所占据的存储空间约为1 MB。而如果采用Unicode编码，约占2 MB。为了使编码系统兼容，Unicode在存储空间上付出了相应的代价。

UTF-8

虽然Unicode字符集中的码位唯一，但由于计算机存储数据通常是以字节为单位的，而且出于兼容之前的ASCII、大数小段数段、节省存储空间等诸多原因，通常情况下，我们需要一种具体的编码方式来对字符码位进行存储。

比较常见的基于Unicode字符集的编码方式有UTF-8、UTF-16及UTF-32。²

以UTF-8为例，其采用了1～6字节的变长编码方式编码Unicode，英文通常使用1字节表示，且与ASCII是兼容的，而中文常用3字节进行表示。UTF-8编码由于较为节约存储空间，因此使用得比较广泛。下图所示就是UTF-8的编码方式。

现行桌面系统中，Windows内部采用了UTF-16的编码方式，而Mac OS、Linux等则采用了UTF-8编码方式。

GB2312

除了基于Unicode字符集的UTF-8、UTF-16等编码外，在中文语言地区，我们还有一些常见的字符集及其编码方式，GB2312、Big5就是其中影响最大、使用最广泛的两种。

GB2312的出现先于Unicode。早在20世纪80年代，GB2312作为简体中文的国家标准被颁布使用。GB2312字符集收入6763个汉字和682个非汉字图形字符，而在编码上，是采用了基于区位码的一种编码方式，采用2字节表示一个中文字符。GB2312在中国大陆地区及新加坡都有广泛的使用。

而BIG5则常见于繁体中文，俗称“大五码”。BIG5是长期以来的繁体中文的业界标准，共收录了13060个中文字，也采用了2字节的方式来表示繁体中文。BIG5在中国台湾、香港、澳门等地区有着广泛的使用。²

不同的编码方式对于相同的二进制字符串的解释是不同的。常见的，如果一个UTF-8编码的网页中的字符串按照GB2312编码进行显示，就会出现乱码。

而BIG5和GB2312之间的乱码则在中文地区软件中有着“悠久”的历史。不过随着Unicode的使用和发展，以及软件系统对多种编码的支持，程序发生乱码的现象也越来越少。

C++中的字符类型

C++提供了几种字符类型，其中多数支持国际化。基本的字符类型是char，一个char的空间应确保可以存放机器基本字符集中任意字符对应的数字值。也就是说，一个char的大小和一个机器字节一样。其他字符类型用于扩展字符集，如wchar_t、char16_t、char32_t。

wchar_t类型用于确保可以存放机器最大扩展字符集中的任意一个字符，类型char16_t和char32_t则为Unicode字符集服务（Unicode是用于表示所有自然语言中字符的标准）。

在Visual C++中，宽字符字符串表示为一个 wchar_t[] 数组并由 wchar_t* 指针指向它。 可以通过用字母 L 作为字符的前缀将任何 ASCII 字符表示为宽字符形式。 例如，L’\0’ 是终止宽（16 位）NULL 字符。³

用L前缀标识宽字符常量和字符串，用%lc和%ls显示宽字符数据⁴：

#include 

wchar_t wch = L'I';
wchar_t w_arr[20] = L"am wide!";
printf("%lc %ls\n",wch,w_arr);

C++11引入以下两种新的内置数据类型来存储不同编码长度的Unicode数据。

• char16_t：用于存储UTF-16编码的Unicode数据。
• char32_t：用于存储UTF-32编码的Unicode数据。

至于UTF-8编码的Unicode数据，C++11还是使用8字节宽度的char类型的数组来保存。而char16_t和char32_t的长度则犹如其名称所显示的那样，长度分别为16字节和32字节，对任何编译器或者系统都是一样的。

此外，C++11还定义了一些常量字符串的前缀。在声明常量字符串的时候，这些前缀声明可以让编译器使字符串按照前缀类型产生数据。事实上，C++11一共定义了3种这样的前缀：

• u8表示为UTF-8编码。
• u表示为UTF-16编码。
• U表示为UTF-32编码。

3种前缀对应于3种不同的Unicode编码。一旦声明了这些前缀，编译器会在产生代码的时候按照相应的编码方式存储。

以上3种前缀加上基于宽字符wchar_t的前缀“L”，及不加前缀的普通字符串字面量，算来在C++11中，一共有了5种方式来声明字符串字面量，其中4种是前缀表达的。²

python中的字符编码

在现代Python中（此处指Python 3.0及以上）, Unicode成为字符串类型的一等类，用于更好地兼容处理ASCII和非ASCII文本。

在Python中，数字、英文、小数点、下划线和空格占一个字节；一个汉字可能会占2~4个字节，占几个字节取决于采用的编码。汉字在GBK/GB2312编码中占2个字节，在UTF-8/unicode中一般占用3个字节（或4个字节）。⁵

我们可以使用enocde方法将一个Unicode字符串转换为UTF-8字节⁶：

a = "hello"
b = "你好"

a_uft8 = a.encode('utf-8')
b_uft8 = b.encode('utf-8')

a_uft8输出：

b'hello'

b_uft8输出：

b'\xe4\xbd\xa0\xe5\xa5\xbd'

假设你知道一个字节对象的Unicode编码，你可以再使用decode方法进行解码：

a_uft8.decode('utf-8')	#输出：'hello'
b_uft8.decode('utf-8')	#输出：'你好'

小结

• ASCII简单的7位编码适用于以英语为主的国家。
• 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。
• UTF-8是一种常见的基于Unicode字符集的编码方式。
• GB2312是面向简体中文，BIG5是面向繁体中文。
• Unicode还在其发展期，Unicode、GB2312以及BIG5等多种编码共存的状况可能在以后较长的时间内都会持续下去。

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1. 《编码:隐匿在计算机软硬件背后的语言》 ↩︎

2. 《深入理解C++11》 ↩︎ ↩︎ ↩︎

3. https://docs.microsoft.com/zh-cn/previous-versions/visualstudio/visual-studio-2010/2dax2h36(v=vs.100) ↩︎

4. 《C Primer Plus（第6版）》 ↩︎

5. 《Python从入门到精通》 ↩︎

6. 《利用python进行数据分析》 ↩︎