理解ORACLE数据库字符集

一．引言

    ORACLE数据库字符集，即Oracle全球化支持(Globalization Support)，或即国家语言支持（NLS）其作用是用本国语言和格式来存储、处理和检索数据。利用全球化支持，ORACLE为用户提供自己熟悉的数据库母语环境，诸如日期格式、数字格式和存储序列等。Oracle可以支持多种语言及字符集，其中oracle8i支持48种语言、76个国家地域、229种字符集，而oracle9i则支持57种语言、88个国家地域、235种字符集。由于oracle字符集种类多，且在存储、检索、迁移oracle数据时多个环节与字符集的设置密切相关，因此在实际的应用中，数据库开发和管理人员经常会遇到有关oracle字符集方面的问题。本文通过以下几个方面阐述，对oracle字符集做简要分析

二．字符集基本知识

2.1字符集
    实质就是按照一定的字符编码方案，对一组特定的符号，分别赋予不同数值编码的集合。Oracle数据库最早支持的编码方案是US7ASCII。
    Oracle的字符集命名遵循以下命名规则:
    <Language><bit size><encoding>
    即:  <语言><比特位数><编码>
    比如: ZHS16GBK表示采用GBK编码格式、16位（两个字节）简体中文字符集

2.2字符编码方案
2.2.1 单字节编码
    （1）单字节7位字符集，可以定义128个字符，最常用的字符集为US7ASCII
    （2）单字节8位字符集，可以定义256个字符，适合于欧洲大部分国家
    例如：WE8ISO8859P1(西欧、8位、ISO标准8859P1编码)
2.2.2 多字节编码
    （1）变长多字节编码
    某些字符用一个字节表示，其它字符用两个或多个字符表示，变长多字节编码常用于对亚洲语言的支持，   例如日语、汉语、印地语等
    例如：AL32UTF8（其中AL代表ALL,指适用于所有语言）、zhs16cgb231280
    （2）定长多字节编码
    每一个字符都使用固定长度字节的编码方案，目前oracle唯一支持的定长多字节编码是AF16UTF16，也是仅用于国家字符集
2.2.3 unicode编码
    Unicode是一个涵盖了目前全世界使用的所有已知字符的单一编码方案，也就是说Unicode为每一个字符提供唯一的编码。UTF-16是unicode的16位编码方式，是一种定长多字节编码，用2个字节表示一个unicode字符，AF16UTF16是UTF-16编码字符集。
    UTF-8是unicode的8位编码方式，是一种变长多字节编码，这种编码可以用1、2、3个字节表示一个unicode字符，AL32UTF8，UTF8、UTFE是UTF-8编码字符集

2.3 字符集超级
    当一种字符集（字符集A）的编码数值包含所有另一种字符集（字符集B）的编码数值，并且两种字符集相同编码数值代表相同的字符时，则字符集A是字符集B的超级，或称字符集B是字符集A的子集。
    Oracle8i和oracle9i官方文档资料中备有子集-超级对照表（subset-superset pairs），例如：WE8ISO8859P1是WE8MSWIN1252的子集。由于US7ASCII是最早的Oracle数据库编码格式，因此有许多字符集是US7ASCII的超集，例如WE8ISO8859P1、ZHS16CGB231280、ZHS16GBK都是US7ASCII的超集。

2.4 数据库字符集（oracle服务器端字符集）
    数据库字符集在创建数据库时指定，在创建后通常不能更改。在创建数据库时，可以指定字符集(CHARACTER SET)和国家字符集(NATIONAL CHARACTER SET)。
2.4.1字符集
    (1)用来存储CHAR, VARCHAR2, CLOB, LONG等类型数据
    (2)用来标示诸如表名、列名以及PL/SQL变量等
    (3)用来存储SQL和PL/SQL程序单元等
2.4.2国家字符集：
    (1)用以存储NCHAR, NVARCHAR2, NCLOB等类型数据
    (2)国家字符集实质上是为oracle选择的附加字符集，主要作用是为了增强oracle的字符处理能力，因为NCHAR数据类型可以提供对亚洲使用定长多字节编码的支持，而数据库字符集则不能。国家字符集在oracle9i中进行了重新定义，只能在unicode编码中的AF16UTF16和UTF8中选择，默认值是AF16UTF16
2.4.3查询字符集参数
    可以查询以下数据字典或视图查看字符集设置情况
    nls_database_parameters、props$、v$nls_parameters
    查询结果中NLS_CHARACTERSET表示字符集，NLS_NCHAR_CHARACTERSET表示国家字符集
2.4.4修改数据库字符集
    按照上文所说，数据库字符集在创建后原则上不能更改。如果需要修改字符集，通常需要导出数据库数据，重建数据库，再导入数据库数据的方式来转换，或通过ALTER DATABASE CHARACTER SET语句修改字符集，但创建数据库后修改字符集是有限制的，只有新的字符集是当前字符集的超集时才能修改数据库字符集，例如UTF8是US7ASCII的超集，修改数据库字符集可使用ALTER DATABASE CHARACTER SET UTF8。

2.5 客户端字符集（NLS_LANG参数）
2.5.1客户端字符集含义
    客户端字符集定义了客户端字符数据的编码方式，任何发自或发往客户端的字符数据均使用客户端定义的字符集编码,客户端可以看作是能与数据库直接连接的各种应用，例如sqlplus,exp/imp等。客户端字符集是通过设置NLS_LANG参数来设定的。
2.5.2 NLS_LANG参数格式
    NLS_LANG=<language>_<territory>.<client character set> 
    Language:显示oracle消息,校验，日期命名
    Territory：指定默认日期、数字、货币等格式
    Client character set：指定客户端将使用的字符集
    例如：NLS_LANG=AMERICAN_AMERICA.US7ASCII  
    AMERICAN是语言，AMERICA是地区，US7ASCII是客户端字符集
2.5.3客户端字符集设置方法
     1)UNIX环境
         $NLS_LANG=“simplified chinese”_china.zhs16gbk
         $export NLS_LANG
         编辑oracle用户的profile文件
    2)Windows环境
         编辑注册表
         Regedit.exe---HKEY_LOCAL_MACHINE---SOFTWARE---ORACLE—HOME0
2.5.4 NLS参数查询
    Oracle提供若干NLS参数定制数据库和用户机以适应本地格式，例如有NLS_LANGUAGE,NLS_DATE_FORMAT,NLS_CALENDER等，可以通过查询以下数据字典或v$视图查看。
    NLS_DATABASE_PARAMETERS--显示数据库当前NLS参数取值，包括数据库字符集取值
    NLS_SESSION_PARAMETERS--显示由NLS_LANG 设置的参数，或经过alter session 改变后的参数值（不包括由NLS_LANG 设置的客户端字符集）
    NLS_INSTANCE_PARAMETE--显示由参数文件init<SID>.ora 定义的参数V$NLS_PARAMETERS--显示数据库当前NLS参数取值
2.5.5修改NLS参数
    使用下列方法可以修改NLS参数
    （1）修改实例启动时使用的初始化参数文件
    （2）修改环境变量NLS_LANG
    （3）使用ALTER SESSION语句，在oracle会话中修改
    （4）使用某些SQL函数
    NLS作用优先级别：Sql function>alter session>环境变量或注册表>参数文件>数据库默认参数

2.6如何查询Oracle的字符集
      很多人都碰到过因为字符集不同而使数据导入失败的情况。这涉及三方面的字符集，一是oracel server端的字符集，二是oracle client端的字符集;三是dmp文件的字符集。在做数据导入的时候，需要这三个字符集都一致才能正确导入。
1、查询oracle server端的字符集
有很多种方法可以查出oracle server端的字符集，比较直观的查询方法是以下这种:SQL>select userenv(‘language’) from dual;
结果类似如下:AMERICAN _ AMERICA. ZHS16GBK
2、如何查询dmp文件的字符集
用oracle的exp工具导出的dmp文件也包含了字符集信息，dmp文件的第2和第3个字节记录了dmp文件的字符集。如果dmp文件不大，比如只有几M或几十M，可以用UltraEdit打开(16进制方式)，看第2第3个字节的内容，如0354，然后用以下SQL查出它对应的字符集:
SQL> select nls_charset_name(to_number('0354','xxxx')) from dual;
ZHS16GBK
如果dmp文件很大，比如有2G以上(这也是最常见的情况)，用文本编辑器打开很慢或者完全打不开，可以用以下命令(在unix主机上):
cat exp.dmp |od -x|head -1|awk '{print $2 $3}'|cut -c 3-6
然后用上述SQL也可以得到它对应的字符集。
3、查询oracle client端的字符集
这个比较简单。在windows平台下，就是注册表里面相应OracleHome的NLS_LANG。还可以在dos窗口里面自己设置，比如:
set nls_lang=AMERICAN_AMERICA.ZHS16GBK
这样就只影响这个窗口里面的环境变量。
在unix平台下，就是环境变量NLS_LANG。
$echo $NLS_LANG
AMERICAN_AMERICA.ZHS16GBK
如果检查的结果发现server端与client端字符集不一致，请统一修改为同server端相同的字符集。

三．导入/导出与字符集转换

3.1 EXP/IMP
    Export 和 Import 是一对读写Oracle数据的工具。Export 将 Oracle 数据库中的数据输出到操作系统文件中, Import 把这些文件中的数据读到Oracle 数据库中，由于使用exp/imp进行数据迁移时，数据从源数据库到目标数据库的过程中有四个环节涉及到字符集，如果这四个环节的字符集不一致，将会发生字符集转换。

EXP
     ____________   _________________  _____________
     |imp导入文件|<-|环境变量NLS_LANG|<-|数据库字符集|
     ------------   -----------------  -------------

IMP 
     ____________   _________________  _____________
     |imp导入文件|->|环境变量NLS_LANG|->|数据库字符集|
     ------------   -----------------  -------------

    四个字符集是
   （1）源数据库字符集 
   （2）Export过程中用户会话字符集（通过NLS_LANG设定）
   （3）Import过程中用户会话字符集（通过NLS_LANG设定）
   （4）目标数据库字符集

3.2导出的转换过程
    在Export过程中，如果源数据库字符集与Export用户会话字符集不一致，会发生字符集转换，并在导出文件的头部几个字节中存储Export用户会话字符集的ID号。在这个转换过程中可能发生数据的丢失。
例:如果源数据库使用ZHS16GBK，而Export用户会话字符集使用US7ASCII，由于ZHS16GBK是16位字符集,而US7ASCII是7位字符集，这个转换过程中，中文字符在US7ASCII中不能够找到对等的字符，所以所有中文字符都会丢失而变成“?? ”形式，这样转换后生成的Dmp文件已经发生了数据丢失。
因此如果想正确导出源数据库数据，则Export过程中用户会话字符集应等于源数据库字符集或是源数据库字符集的超集

3.3导入的转换过程
    （1）确定导出数据库字符集环境
    通过读取导出文件头，可以获得导出文件的字符集设置
    （2）确定导入session的字符集，即导入Session使用的NLS_LANG环境变量
    （3）IMP读取导出文件
    读取导出文件字符集ID，和导入进程的NLS_LANG进行比较
    （4）如果导出文件字符集和导入Session字符集相同，那么在这一步骤内就不需要转换，如果不同，就需要把数据转换为导入Session使用的字符集。可以看出，导入数据到数据库过程中发生两次字符集转换
    第一次:导入文件字符集与导入Session使用的字符集之间的转换，如果这个转换过程不能正确完成，Import向目标数据库的导入过程也就不能完成。
    第二次:导入Session字符集与数据库字符集之间的转换。
    然而,oracle8i的这种转换只能在单字节字符集之间进行,oracle8i导入Session不支持多字节字符集之间的转换，因此为了避免第一次转换，导入Session使用的NLS_LANG与导出文件字符集相同，第二次转换（通过SQL*Net）支持任何两种字符集。以上情况在Oracle9i中略有不同

3.3修改oracle的字符集

oracle的字符集有互相的包容关系。如us7ascii就是zhs16gbk的子集,从us7ascii到zhs16gbk不会有数据解释上的问题,不会有数据丢失。在所有的字符集中utf8应该是最大,因为它基于unicode,双字节保存字符(也因此在存储空间上占用更多)。
一旦数据库创建后，数据库的字符集理论上讲是不能改变的。因此，在设计和安装之初考虑使用哪一种字符集十分重要。根据Oracle的官方说明，字符集的转换是从子集到超集受支持,反之不行。如果两种字符集之间根本没有子集和超集的关系，那么字符集的转换是不受oracle支持的。对数据库server而言，错误的修改字符集将会导致很多不可测的后果，可能会严重影响数据库的正常运行，所以在修改之前一定要确认两种字符集是否存在子集和超集的关系。一般来说，除非万不得已，我们不建议修改oracle数据库server端的字符集。特别说明，我们最常用的两种字符集ZHS16GBK和ZHS16CGB231280之间不存在子集和超集关系，因此理论上讲这两种字符集之间的相互转换不受支持。
1、修改server端字符集(不建议使用)
在oracle 8之前，可以用直接修改数据字典表props$来改变数据库的字符集。但oracle8之后，至少有三张系统表记录了数据库字符集的信息，只改props$表并不完全，可能引起严重的后果。正确的修改方法如下:
$sqlplus /nolog
SQL>conn / as sysdba;
若此时数据库服务器已启动，则先执行SHUTDOWN IMMEDIATE命令关闭数据库服务器，然后执行以下命令:

SHUTDOWN IMMEDIATE

STARTUP MOUNT

ALTER SYSTEM ENABLE RESTRICTED SESSION;

ALTER SYSTEM SET JOB_QUEUE_PROCESSES=0;

ALTER SYSTEM SET AQ_TM_PROCESSES=0;

ALTER DATABASE OPEN;

ALTER DATABASE CHARACTER SET ZHS16GBK;

--如果上面这句出错，就执行下面这句。

ERROR at line 1:

ORA-12712: new character set must be asuperset of old character set

--ERROR at line 1RA-12721: operation cannotexecute when other sessions are active

--若出现上面的错误，使用下面的办法进行修改，使用INTERNAL_USE可以跳过超集的检查：

ALTER DATABASE CHARACTER SET INTERNAL_USE ZHS16GBK;

SHUTDOWN IMMEDIATE

STARTUP

2、修改dmp文件字符集
上文说过，dmp文件的第2第3字节记录了字符集信息，因此直接修改dmp文件的第2第3字节的内容就可以‘骗’过oracle的检查。这样做理论上也仅是从子集到超集可以修改，但很多情况下在没有子集和超集关系的情况下也可以修改，我们常用的一些字符集，如US7ASCII，WE8ISO8859P1，ZHS16CGB231280，ZHS16GBK基本都可以改。因为改的只是dmp文件，所以影响不大。
具体的修改方法比较多，最简单的就是直接用UltraEdit修改dmp文件的第2和第3个字节。比如想将dmp文件的字符集改为ZHS16GBK，可以用以下SQL查出该种字符集对应的16进制代码:
SQL> select to_char(nls_charset_id('ZHS16GBK'), 'xxxx') from dual;
0354
然后将dmp文件的2、3字节修改为0354即可。

四．乱码问题

    oracle在数据存储、迁移过程中经常发生字符乱码问题，归根到底是由于字符集使用不当引起。下面以使用客户端sqlplus向数据库插入数据和导入/导出（EXP/IMP）过程为例，说明乱码产生的原因。

4.1使用客户端sqlplus向数据库存储数据
    这个过程存在3个字符集设置
    （1）客户端应用字符集
    （2）客户端NLS_LANG参数设置
    （3）服务器端数据库字符集(Character Set)设置
    客户端应用sqlplus中能够显示什么样的字符取决于客户端操作系统语言环境(客户端应用字符集)，但在应用中录入这些字符后，这些字符能否在数据库中正常存储，还与另外两个字符集设置紧密相关，其中客户端NLS_LANG参数主要用于字符数据传输过程中的转换判断。常见的乱码大致有两种情形：
    （1）汉字变成问号“？”；
当从字符集A 转换成字符集B时，如果转换字符之间不存在对应关系，NLS_LANG使用替代字符“？”替代无法映射的字符
    （2）汉字变成未知字符（虽然有些是汉字，但与原字符含义不同）
转换存在对应关系，但字符集A 中的字符编码与字符集B 中的字符编码代表不同含义

4.2发生乱码原因 
    乱码产生是由于几个字符集之间转换不匹配造成，分以下几种情况：
    （注：字符集之间如果不存在子集、超集对应关系时的情况不予考虑，因为这种情况下字符集之间转换必产生乱码）   
    1）服务器端数据库字符集与客户端应用字符集相同，与客户端NLS_LANG参数设置不同
    如果客户端NLS_LANG字符集是其它两种字符集的子集，转换过程将出现乱码。
    解决方法：将三种字符集设置成同一字符集，或NLS_LANG字符集是其它两种字符集的超集
    2）服务器端数据库字符集与客户端NLS_LANG参数设置相同，与客户端应用字符集不同
    如果客户端应用字符集是其它两种字符集的超集时，转换过程将出现乱码，但对于单字节编码存储中文问题，可参看本文第5章节的分析
    3）客户端应用字符集、客户端NLS_LANG参数设置、服务器端数据库字符集互不相同
    此种情况较为复杂，但三种字符集之间只要有不能转换的字符，则必产生乱码

4.3导入/导出过程出现乱码原因
    这个过程存在4个字符集设置，在3.1章节中已分析
   （1）源数据库字符集
   （2）EXP过程中NLS_LANG参数 
   （3）IMP过程中NLS_LANG参数
   （4）目标数据库字符集
    出现乱码原因
    1）当源数据库字符集不等于EXP过程中NLS_LANG参数，且源数据库字符集是EXP过程中NLS_LANG的子集，才能保证导出文件正确，其他情况则导出文件字符乱码
    2）EXP过程中NLS_LANG字符集不等于IMP过程中NLS_LANG字符集，且EXP过程中NLS_LANG字符集是IMP过程中NLS_LANG字符集的子级, 才能保证第一次转换正常，否则第一次转换中出现乱码。
    3）如果第一次转换正常，IMP过程中NLS_LANG字符集是目标数据库字符集的子集或相同，才能保证第二次转换正常，否则则第二次转换中出现乱码

五．单字节编码存储中文问题

    由于历史的原因，早期的oracle没有中文字符集（如oracle6、oracle7、oracle7.1）,但有的用户从那时起就使用数据库了，并用US7ASCII字符集存储了中文，或是有的用户在创建数据库时，不考虑清楚，随意选择一个默认的字符集，如WE8ISO8859P1或US7ASCII，而这两个字符集都没有汉字编码，虽然有些时候选用这种字符集好象也能正常使用，但用这种字符集存储汉字信息从原则上说就是错误的，它会给数据库的使用与维护带来一系列的麻烦。
    正常情况下，要将汉字存入数据库，数据库字符集必须支持中文，而将数据库字符集设置为US7ASCII等单字节字符集是不合适的。US7ASCII字符集只定义了128个符号，并不支持汉字。另外，如果在SQL*PLUS中能够输入中文，操作系统缺省应该是支持中文的，但如果在NLS_LANG中的字符集设置为US7ASCII，显然也是不正确的，它没有反映客户端的实际情况。但在实际应用中汉字显示却是正确的，这主要是因为Oracle检查数据库与客户端的字符集设置是同样的，那么数据在客户与数据库之间的存取过程中将不发生任何转换，但是这实际上导致了数据库标识的字符集与实际存入的内容是不相符的。而在SELECT的过程中，Oracle同样检查发现数据库与客户端的字符集设置是相同的，所以它也将存入的内容原封不动地传送到客户端，而客户端操作系统识别出这是汉字编码所以能够正确显示。
    在这个例子中，数据库与客户端都没有设置成中文字符集，但却能正常显示中文，从应用的角度看好象没问题。然而这里面却存在着极大的隐患，比如在应用length或substr等字符串函数时，就可能得到意外的结果。
    对于早期使用US7ASCII字符集数据库的数据迁移到oracle8i/9i中（使用zhs16gbk），由于原始数据已经按照US7ASCII格式存储，对于这种情况，可以通过使用Oracle8i的导出工具，设置导出字符集为US7ASCII，导出后使用UltraEdit等工具打开dmp文件，修改第二、三字符，修改 0001为0354,这样就可以将US7ASCII字符集的数据正确导入到ZHS16GBK的数据库中。

六．结束语

    为了避免在数据库迁移过程中由于字符集不同导致的数据损失，oracle提供了字符集扫描工具（character set scanner），通过这个工具我们可以测试在数据迁移过程中由于字符集转换可能带来的问题，然后根据测试结果，确定数据迁移过程中最佳字符集解决方案。