gbk, gb2312,big5,unicode,utf-8,utf-16之间的关系

国际标准 ISO 10646 定义了 通用字符集 (Universal Character Set, UCS). UCS 是所有其他字符集标准的一个超集. 它保证与其他字符集是双向兼容的. 就是说, 如果你将任何文本字符串翻译到 UCS格式, 然后再翻译回原编码, 你不会丢失任何信息.

UCS 包含了用于表达所有已知语言的字符. 不仅包括拉丁语,希腊语, 斯拉夫语,希伯来语,阿拉伯语,亚美尼亚语和乔治亚语的描述, 还包括中文, 日文和韩文这样的象形文字, 以及平假名, 片假名, 孟加拉语, 旁遮普语果鲁穆奇字符(Gurmukhi), 泰米尔语, 印.埃纳德语(Kannada), Malayalam, 泰国语, 老挝语, 汉语拼音(Bopomofo), Hangul, Devangari, Gujarati, Oriya, Telugu 以及其他数也数不清的语. 对于还没有加入的语言, 由于正在研究怎样在计算机中最好地编码它们, 因而最终它们都将被加入. 这些语言包括 Tibetian, 高棉语, Runic(古代北欧文字), 埃塞俄比亚语, 其他象形文字, 以及各种各样的印-欧语系的语言, 还包括挑选出来的艺术语言比如 Tengwar, Cirth 和克林贡语(Klingon). UCS 还包括大量的图形的, 印刷用的, 数学用的和科学用的符号, 包括所有由 TeX, Postscript, MS-DOS，MS-Windows, Macintosh, OCR 字体, 以及许多其他字处理和出版系统提供的字符.

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). 将被编码在 16 位 BMP 以外的字符都属于非常特殊的字符(比如象形文字), 且只有专家在历史和科学领域里才会用到它们. 按当前的计划, 将来也许再也不会有字符被分配到从 0x000000 到 0x10FFFF 这个覆盖了超过 100 万个潜在的未来字符的 21 位的编码空间以外去了. ISO 10646-1 标准第一次发表于 1993 年, 定义了字符集与 BMP 中内容的架构. 定义 BMP 以外的字符编码的第二部分 ISO 10646-2 正在准备中, 但也许要过好几年才能完成. 新的字符仍源源不断地加入到 BMP 中, 但已经存在的字符是稳定的且不会再改变了.

UCS 不仅给每个字符分配一个代码, 而且赋予了一个正式的名字. 表示一个 UCS 或 Unicode 值的十六进制数, 通常在前面加上 "U+", 就象 U+0041 代表字符"拉丁大写字母A". UCS 字符 U+0000 到 U+007F 与 US-ASCII(ISO 646) 是一致的, U+0000 到 U+00FF 与 ISO 8859-1(Latin-1) 也是一致的. 从 U+E000 到 U+F8FF, 已经 BMP 以外的大范围的编码是为私用保留的.

什么是组合字符?

UCS里有些编码点分配给了 组合字符.它们类似于打字机上的无间隔重音键. 单个的组合字符不是一个完整的字符. 它是一个类似于重音符或其他指示标记, 加在前一个字符后面. 因而, 重音符可以加在任何字符后面. 那些最重要的被加重的字符, 就象普通语言的正字法(orthographies of common languages)里用到的那种, 在 UCS 里都有自己的位置, 以确保同老的字符集的向后兼容性. 既有自己的编码位置, 又可以表示为一个普通字符跟随一个组合字符的被加重字符, 被称为 预作字符(precomposed characters). UCS 里的预作字符是为了同没有预作字符的旧编码, 比如 ISO 8859, 保持向后兼容性而设的. 组合字符机制允许在任何字符后加上重音符或其他指示标记, 这在科学符号中特别有用, 比如数学方程式和国际音标字母, 可能会需要在一个基本字符后组合上一个或多个指示标记.

组合字符跟随着被修饰的字符. 比如, 德语中的元音变音字符 ("拉丁大写字母A 加上分音符"), 既可以表示为 UCS 码 U+00C4 的预作字符, 也可以表示成一个普通 "拉丁大写字母A" 跟着一个"组合分音符":U+0041 U+0308 这样的组合. 当需要堆叠多个重音符, 或在一个基本字符的上面和下面都要加上组合标记时, 可以使用多个组合字符. 比如在泰国文中, 一个基本字符最多可加上两个组合字符.

什么是 UCS 实现级别?

不是所有的系统都需要支持象组合字符这样的 UCS 里所有的先进机制. 因此 ISO 10646 指定了下列三种实现级别:

什么是 Unicode?

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.

那么 Unicode 和 ISO 10646 不同在什么地方?

Unicode 协会公布的 Unicode 标准严密地包含了 ISO 10646-1 实现级别3的基本多语言面. 在两个标准里所有的字符都在相同的位置并且有相同的名字.

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. Unicode 详细说明了绘制某些语言(比如阿拉伯语)表达形式的算法, 处理双向文字(比如拉丁与希伯来文混合文字)的算法和排序与字符串比较所需的算法, 以及其他许多东西.

另一方面, ISO 10646 标准, 就象广为人知的 ISO 8859 标准一样, 只不过是一个简单的字符集表. 它指定了一些与标准有关的术语, 定义了一些编码的别名, 并包括了规范说明, 指定了怎样使用 UCS 连接其他 ISO 标准的实现, 比如 ISO 6429 和 ISO 2022. 还有一些与 ISO 紧密相关的, 比如 ISO 14651 是关于 UCS 字符串排序的.

考虑到 Unicode 标准有一个易记的名字, 且在任何好的书店里的 Addison-Wesley 里有, 只花费 ISO 版本的一小部分, 且包括更多的辅助信息, 因而它成为使用广泛得多的参考也就不足为奇了. 然而, 一般认为, 用于打印 ISO 10646-1 标准的字体在某些方面的质量要高于用于打印 Unicode 2.0的. 专业字体设计者总是被建议说要两个标准都实现, 但一些提供的样例字形有显著的区别. ISO 10646-1 标准同样使用四种不同的风格变体来显示表意文字如中文, 日文和韩文 (CJK), 而 Unicode 2.0 的表里只有中文的变体. 这导致了普遍的认为 Unicode 对日本用户来说是不可接收的传说, 尽管是错误的.

什么是 UTF-8?

首先 UCS 和 Unicode 只是分配整数给字符的编码表. 现在存在好几种将一串字符表示为一串字节的方法. 最显而易见的两种方法是将 Unicode 文本存储为 2 个或 4 个字节序列的串. 这两种方法的正式名称分别为 UCS-2 和 UCS-4. 除非另外指定, 否则大多数的字节都是这样的(Bigendian convention). 将一个 ASCII 或 Latin-1 的文件转换成 UCS-2 只需简单地在每个 ASCII 字节前插入 0x00. 如果要转换成 UCS-4, 则必须在每个 ASCII 字节前插入三个 0x00.

在 Unix 下使用 UCS-2 (或 UCS-4) 会导致非常严重的问题. 用这些编码的字符串会包含一些特殊的字符, 比如 '\0' 或 '/', 它们在文件名和其他 C 库函数参数里都有特别的含义. 另外, 大多数使用 ASCII 文件的 UNIX 下的工具, 如果不进行重大修改是无法读取 16 位的字符的. 基于这些原因, 在文件名, 文本文件, 环境变量等地方, UCS-2 不适合作为 Unicode 的外部编码.

在 ISO 10646-1 Annex R 和 RFC 2279 里定义的 UTF-8 编码没有这些问题. 它是在 Unix 风格的操作系统下使用 Unicode 的明显的方法.

下列字节串用来表示一个字符. 用到哪个串取决于该字符在 Unicode 中的序号.

xxx 的位置由字符编码数的二进制表示的位填入. 越靠右的 x 具有越少的特殊意义. 只用最短的那个足够表达一个字符编码数的多字节串. 注意在多字节串中, 第一个字节的开头"1"的数目就是整个串中字节的数目.

例如: Unicode 字符 U+00A9 = 1010 1001 (版权符号) 在 UTF-8 里的编码为:

这种编码的官方名字拼写为 UTF-8, 其中 UTF 代表 UCS Transformation Format. 请勿在任何文档中用其他名字 (比如 utf8 或 UTF_8) 来表示 UTF-8, 当然除非你指的是一个变量名而不是这种编码本身.

什么编程语言支持 Unicode?

在大约 1993 年之后开发的大多数现代编程语言都有一个特别的数据类型, 叫做 Unicode/ISO 10646-1 字符. 在 Ada95 中叫 Wide_Character, 在 Java 中叫 char.

ISO C 也详细说明了处理多字节编码和宽字符 (wide characters) 的机制, 1994 年 9 月 Amendment 1 to ISO C 发表时又加入了更多. 这些机制主要是为各类东亚编码而设计的, 它们比处理 UCS 所需的要健壮得多. UTF-8 是 ISO C 标准调用多字节字符串的编码的一个例子, wchar_t 类型可以用来存放 Unicode 字符.

附录1 再说说区位码、GB2312、内码和代码页
有的朋友对文章中这句话还有疑问：
“GB2312的原文还是区位码，从区位码到内码，需要在高字节和低字节上分别加上A0。”

我再详细解释一下：

“GB2312的原文”是指国家1980年的一个标准《中华人民共和国国家标准信息交换用汉字编码字符集基本集 GB 2312-80》。这个标准用两个数来编码汉字和中文符号。第一个数称为“区”，第二个数称为“位”。所以也称为区位码。1-9区是中文符号，16-55区是一级汉字，56-87区是二级汉字。现在Windows也还有区位输入法，例如输入1601得到“啊”。（这个区位输入法可以自动识别16进制的GB2312和10进制的区位码，也就是说输入B0A1同样会得到“啊”。）

内码是指操作系统内部的字符编码。早期操作系统的内码是与语言相关的。现在的Windows在系统内部支持Unicode，然后用代码页适应各种语言，“内码”的概念就比较模糊了。微软一般将缺省代码页指定的编码说成是内码。

内码这个词汇，并没有什么官方的定义，代码页也只是微软这个公司的叫法。作为程序员，我们只要知道它们是什么东西，没有必要过多地考证这些名词。

所谓代码页(code page)就是针对一种语言文字的字符编码。例如GBK的code page是CP936，BIG5的code page是CP950，GB2312的code page是CP20936。

Windows中有缺省代码页的概念，即缺省用什么编码来解释字符。例如Windows的记事本打开了一个文本文件，里面的内容是字节流：BA、BA、D7、D6。Windows应该去怎么解释它呢？

是按照Unicode编码解释、还是按照GBK解释、还是按照BIG5解释，还是按照ISO8859-1去解释？如果按GBK去解释，就会得到“汉字”两个字。按照其它编码解释，可能找不到对应的字符，也可能找到错误的字符。所谓“错误”是指与文本作者的本意不符，这时就产生了乱码。

答案是Windows按照当前的缺省代码页去解释文本文件里的字节流。缺省代码页可以通过控制面板的区域选项设置。记事本的另存为中有一项ANSI，其实就是按照缺省代码页的编码方法保存。

Windows的内码是Unicode，它在技术上可以同时支持多个代码页。只要文件能说明自己使用什么编码，用户又安装了对应的代码页，Windows就能正确显示，例如在HTML文件中就可以指定charset。

有的HTML文件作者，特别是英文作者，认为世界上所有人都使用英文，在文件中不指定charset。如果他使用了0x80-0xff之间的字符，中文Windows又按照缺省的GBK去解释，就会出现乱码。这时只要在这个html文件中加上指定charset的语句，例如：
<meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=ISO8859-1">
如果原作者使用的代码页和ISO8859-1兼容，就不会出现乱码了。

再说区位码，啊的区位码是1601，写成16进制是0x10,0x01。这和计算机广泛使用的ASCII编码冲突。为了兼容00-7f的ASCII编码，我们在区位码的高、低字节上分别加上A0。这样“啊”的编码就成为B0A1。我们将加过两个A0的编码也称为GB2312编码，虽然GB2312的原文根本没提到这一点。

字符编码笔记：ASCII，Unicode和UTF-8

今天中午，我突然想搞清楚Unicode和UTF-8之间的关系，于是就开始在网上查资料。

结果，这个问题比我想象的复杂，从午饭后一直看到晚上9点，才算初步搞清楚。

下面就是我的笔记，主要用来整理自己的思路。但是，我尽量试图写得通俗易懂，希望能对其他朋友有用。毕竟，字符编码是计算机技术的基石，想要熟练使用计算机，就必须懂得一点字符编码的知识。

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。

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。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。

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。

中文编码的问题需要专文讨论，这篇笔记不涉及。这里只指出，虽然都是用多个字节表示一个符号，但是GB类的汉字编码与后文的Unicode和UTF-8是毫无关系的。

3.Unicode

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。

4. 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。

5.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。

Unicode符号范围 | UTF-8编码方式
(十六进制) | （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 | 11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx

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（100111000100101），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。

6. Unicode与UTF-8之间的转换

通过上一节的例子，可以看到“严”的Unicode码是4E25，UTF-8编码是E4B8A5，两者是不一样的。它们之间的转换可以通过程序实现。

在Windows平台下，有一个最简单的转化方法，就是使用内置的记事本小程序Notepad.exe。打开文件后，点击“文件”菜单中的“另存为”命令，会跳出一个对话框，在最底部有一个“编码”的下拉条。

里面有四个选项：ANSI，Unicode，Unicode big endian 和 UTF-8。

1）ANSI是默认的编码方式。对于英文文件是ASCII编码，对于简体中文文件是GB2312编码（只针对Windows简体中文版，如果是繁体中文版会采用Big5码）。

2）Unicode编码指的是UCS-2编码方式，即直接用两个字节存入字符的Unicode码。这个选项用的little endian格式。

3）Unicode big endian编码与上一个选项相对应。我在下一节会解释little endian和big endian的涵义。

4）UTF-8编码，也就是上一节谈到的编码方法。

选择完”编码方式“后，点击”保存“按钮，文件的编码方式就立刻转换好了。

7. 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。

8. 实例

下面，举一个实例。

打开”记事本“程序Notepad.exe，新建一个文本文件，内容就是一个”严“字，依次采用ANSI，Unicode，Unicode big endian 和 UTF-8编码方式保存。

然后，用文本编辑软件UltraEdit中的”十六进制功能“，观察该文件的内部编码方式。

1）ANSI：文件的编码就是两个字节“D1 CF”，这正是“严”的GB2312编码，这也暗示GB2312是采用大头方式存储的。

2）Unicode：编码是四个字节“FF FE 25 4E”，其中“FF FE”表明是小头方式存储，真正的编码是4E25。

3）Unicode big endian：编码是四个字节“FE FF 4E 25”，其中“FE FF”表明是大头方式存储。

4）UTF-8：编码是六个字节“EF BB BF E4 B8 A5”，前三个字节“EF BB BF”表示这是UTF-8编码，后三个“E4B8A5”就是“严”的具体编码，它的存储顺序与编码顺序是一致的。

9. 延伸阅读

* 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）

* 谈谈Unicode编码

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

U-00000000 - U-0000007F:	0xxxxxxx
U-00000080 - U-000007FF:	110xxxxx 10xxxxxx
U-00000800 - U-0000FFFF:	1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
U-00010000 - U-001FFFFF:	11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
U-00200000 - U-03FFFFFF:	111110xx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx
U-04000000 - U-7FFFFFFF:	1111110x 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx