Unicode、UTF-8、ASCII、GB2312等编码之间是如何转换的？

1. ASCII码

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（十进制的32，用二进制表示就是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。

 

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。

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，只是一种规范、标准，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在计算机上

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，它规定了字符如何在计算机中存储、传输等

 

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

 

对于0x00-0x7F之间的字符，UTF-8编码与ASCII编码完全相同。

UTF-8编码的最大长度是4个字节。从上表可以看出，4字节模板有21个x，即可以容纳21位二进制数字。Unicode的最大码位0x10FFFF也只有21位。

例1：“汉”字的Unicode编码是0x6C49。0x6C49在0x0800-0xFFFF之间，使用用3字节模板了：1110xxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将0x6C49写成二进制是：0110 1100 0100 1001，用这个比特流依次代替模板中的x，得到：11100110 10110001 10001001，即E6 B1 89。

例2：Unicode编码0x20C30在0x010000-0x10FFFF之间，使用用4字节模板了：11110xxx 10xxxxxx 10xxxxxx 10xxxxxx。将0x20C30写成21位二进制数字（不足21位就在前面补0）：0 0010 0000 1100 0011 0000，用这个比特流依次代替模板中的x，得到：11110000 10100000 10110000 10110000，即F0 A0 B0 B0。

 

6. Unicode字符集

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。

Unicode用数字0-0x10FFFF来映射这些字符，最多可以容纳1114112个字符，或者说有1114112个码位。码位就是可以分配给字符的数字。

UTF-8、UTF-16、UTF-32都是将数字转换到程序数据的编码方案

 

1. 编码方式

Unicode字符集可以简写为UCS（Unicode Character Set）。

早期的Unicode标准有UCS-2、UCS-4的说法。UCS-2用两个字节编码，UCS-4用4个字节编码。

UCS-4根据最高位为0的最高字节分成2^7=128个group。每个group再根据次高字节分为256个平面（plane）。每个平面根据第3个字节分为256行 （row），每行有256个码位（cell）。

group 0的平面0被称作BMP（Basic Multilingual Plane）。将UCS-4的BMP去掉前面的两个零字节就得到了UCS-2。

每个平面有2^16=65536个码位。Unicode计划使用了17个平面，一共有17*65536=1114112个码位。

在Unicode 5.0.0版本中，已定义的码位只有238605个，分布在平面0、平面1、平面2、平面14、平面15、平面16。其中平面15和平面16上只是定义了两个各占65534个码位的专用区（Private Use Area），分别是0xF0000-0xFFFFD和0x100000-0x10FFFD。所谓专用区，就是保留给大家放自定义字符的区域，可以简写为PUA。

平面0也有一个专用区：0xE000-0xF8FF，有6400个码位。平面0的0xD800-0xDFFF，共2048个码位，是一个被称作代理区（Surrogate）的特殊区域。代理区的目的用两个UTF-16字符表示BMP以外的字符。在介绍UTF-16编码时会介绍。

 

如前所述在Unicode 5.0.0版本中，238605-65534*2-6400-2408=99089。余下的99089个已定义码位分布在平面0、平面1、平面2和平面14上，它们对应着Unicode目前定义的99089个字符，其中包括71226个汉字。平面0、平面1、平面2和平面14上分别定义了52080、3419、43253和337个字符。平面2的43253个字符都是汉字。平面0上定义了27973个汉字。

 

2.实现方式

在Unicode中：汉字“字”对应的数字是23383。在Unicode中，我们有很多方式将数字23383表示成程序中的数据，包括：UTF-8、UTF-16、UTF-32。UTF是“UCS Transformation Format”的缩写，可以翻译成Unicode字符集转换格式，即怎样将Unicode定义的数字转换成程序数据。例如，“汉字”对应的数字是0x6c49和0x5b57，而编码的程序数据是：

BYTE data_utf8[] = {0xE6, 0xB1, 0x89, 0xE5, 0xAD, 0x97}; // UTF-8编码

WORD data_utf16[] = {0x6c49, 0x5b57}; // UTF-16编码

DWORD data_utf32[] = {0x6c49, 0x5b57}; // UTF-32编码

这里用BYTE、WORD、DWORD分别表示无符号8位整数，无符号16位整数和无符号32位整数。

UTF-8、UTF-16、UTF-32分别以BYTE、WORD、DWORD作为编码单位。

“汉字”的UTF-8编码需要6个字节。

“汉字”的UTF-16编码需要两个WORD，大小是4个字节。

“汉字”的UTF-32编码需要两个DWORD，大小是8个字节。

根据字节序的不同，UTF-16可以被实现为UTF-16LE或UTF-16BE，UTF-32可以被实现为UTF-32LE或UTF-32BE。