字符编码笔记

发表于 2017-03-18 更新于 2022-05-29 分类于 basic 阅读次数： Waline：本文字数： 8.1k 阅读时长 ≈ 7 分钟

有没有在生活中看到 锟斤拷 这几个字，有没有想过这几个字是怎么写出来来或者怎么发生的？

工作中经常会因为字符编码问题而头疼，不同编码间的转化也是是比较头疼的一件事

本文介绍了字符编码的原理，并提供了一个Java工具类用于判断字符编码

(1)　字符编码的原理

(1.1)　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。

(1.2)　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 ()，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。

(1.3)　Unicode

Unicode字符集(简称为UCS),国际标准组织于1984年4月成立ISO/IEC JTC1/SC2/WG2工作组，针对各国文字、符号进行统一性编码。1991年美国跨国公司成立Unicode Consortium，并于1991年10月与WG2达成协议，采用同一编码字集。目前Unicode是采用16位编码体系，其字符集内容与 ISO10646的BMP(Basic Multilingual Plane)相同。Unicode于1992年6月通过DIS(Draf International Standard)，目前版本V2.0于1996公布，内容包含符号6811个，汉字20902个，韩文拼音11172个，造字区6400个，保留 20249个，共计65534个。Unicode编码后的大小是一样的.例如一个英文字母 “a” 和　一个汉字 “好”，编码后都是占用的空间大小是一样的，都是两个字节！

Unicode可以用来表示所有语言的字符，而且是定长双字节(也有四字节的)编码，包括英文字母在内。所以可以说它是不兼容iso8859-1编码的，也不兼容任何编码。不过，相对于iso8859-1编码来说，uniocode编码只是在前面增加了一个0字节，比如字母’a’为”00 61”。

需要说明的是，定长编码便于计算机处理(注意GB2312/GBK不是定长编码)，而unicode又可以用来表示所有字符，所以在很多软件内部是使用unicode编码来处理的，比如java。

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。 http://www.chi2ko.com/tool/CJK.htm

(1.4)　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。

(1.5)　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。

(1.6)　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。

(1.7)　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。

(1.8)　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。

(1.9)　国标

(1.9.1)　GB码

全称是GB2312-80《信息交换用汉字编码字符集基本集》，1980年发布，是中文信息处理的国家标准，在大陆及海外使用简体中文的地区(如新加坡等)是强制使用的唯一中文编码。P-Windows3.2和苹果OS就是以GB2312为基本汉字编码， Windows 95/98则以GBK为基本汉字编码、但兼容支持GB2312。

双字节编码
范围：A1A1~FEFE
A1-A9：符号区，包含682个符号
B0-F7：汉字区，包含6763个汉字

(1.9.2)　GB2312

GB2312(1980年)一共收录了7445个字符，包括6763个汉字和682个其它符号。汉字区的内码范围高字节从B0-F7，低字节从 A1-FE，占用的码位是72*94=6768。其中有5个空位是D7FA-D7FE。GB2312-80中共收录了7545个字符，用两个字节编码一个字符。每个字符最高位为0。GB2312-80编码简称国标码。
　　GB2312支持的汉字太少。1995年的汉字扩展规范GBK1.0收录了21886个符号，它分为汉字区和图形符号区。汉字区包括21003个字符。

(1.9.3)　GB12345-90

1990年制定了繁体字的编码标准GB12345-90《信息交换用汉字编码字符集第一辅助集》，目的在于规范必须使用繁体字的各种场合，以及古籍整理等。该标准共收录6866个汉字(比GB2312多103个字，其它厂商的字库大多不包括这些字)，纯繁体的字大概有2200余个。
双字节编码
范围：A1A1~FEFE
A1-A9：符号区，增加竖排符号
B0-F9：汉字区，包含6866个汉字

(1.9.4)　GBK

GBK编码(Chinese Internal Code Specification)是中国大陆制订的、等同于UCS的新的中文编码扩展国家标准。gbk编码能够用来同时表示繁体字和简体字，而gb2312只能表示简体字，gbk是兼容gb2312编码的。GBK工作小组于1995年10月，同年12月完成GBK规范。该编码标准兼容GB2312，共收录汉字 21003个、符号883个，并提供1894个造字码位，简、繁体字融于一库。Windows95/98简体中文版的字库表层编码就采用的是GBK，通过 GBK与UCS之间一一对应的码表与底层字库联系。
英文名：Chinese Internal Code Specification
中文名：汉字内码扩展规范1.0版
双字节编码，GB2312-80的扩充，在码位上和GB2312-80兼容
范围：8140~FEFE(剔除xx7F)共23940个码位
包含21003个汉字，包含了ISO/IEC 10646-1中的全部中日韩汉字

(2)　字符编码的工具类

import java.io.BufferedInputStream;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;

/**
 * 字符工具类
 */
public class CharsetUtil {

	/**
	 * 
	 * @param file
	 * @return
	 * @throws IOException
	 */
	public static String getFilecharset(File file) throws IOException {
		return getInputStreamCharset(new FileInputStream(file));
	}

	/**
	 * 
	 * @param inputStream
	 * @return
	 * @throws IOException
	 */
	public static String getInputStreamCharset(InputStream inputStream) throws IOException {
		String charset = "GBK";
		byte[] first3Bytes = new byte[3];
		boolean checked = false;
		BufferedInputStream bis = new BufferedInputStream(inputStream);
		bis.mark(0);
		int read = bis.read(first3Bytes, 0, 3);
		if (read == -1) {
			return charset; // 文件编码为 ANSI，在中国，windows中文版使用GBK编码
		} else if (first3Bytes[0] == (byte) 0xFF && first3Bytes[1] == (byte) 0xFE) {
			charset = "UTF-16LE"; // 文件编码为 Unicode
			checked = true;
		} else if (first3Bytes[0] == (byte) 0xFE && first3Bytes[1] == (byte) 0xFF) {
			charset = "UTF-16BE"; // 文件编码为 Unicode big endian
			checked = true;
		} else if (first3Bytes[0] == (byte) 0xEF && first3Bytes[1] == (byte) 0xBB
				&& first3Bytes[2] == (byte) 0xBF) {
			charset = "UTF-8"; // 文件编码为 UTF-8
			checked = true;
		}
		bis.reset();
		if (!checked) {
			while ((read = bis.read()) != -1) {
				if (read >= 0xF0)
					break;
				if (0x80 <= read && read <= 0xBF) // 单独出现BF以下的，也算是GBK
					break;
				if (0xC0 <= read && read <= 0xDF) {
					read = bis.read();
					if (0x80 <= read && read <= 0xBF) // 双字节 (0xC0 - 0xDF)
						// (0x80
						// - 0xBF),也可能在GB编码内
						continue;
					else
						break;
				} else if (0xE0 <= read && read <= 0xEF) {// 也有可能出错，但是几率较小
					read = bis.read();
					if (0x80 <= read && read <= 0xBF) {
						read = bis.read();
						if (0x80 <= read && read <= 0xBF) {
							charset = "UTF-8";
							break;
						} else
							break;
					} else
						break;
				}
			}
		}
		bis.close();
		return charset;
	}

}

(3)　根据Unicode区分中英文及标点符号等(常用的unicode编码范围)

Unicode编码表中

基本拉丁字符  表示范围是   0020 - 007F 
  其中 0-9 表示范围是  0030 - 0039
  其中 A-Z 表示范围是  0041 - 005A
  其中 a-z 表示范围是  0061 - 007A
  其中 英文标点符号 范围是  0020 - 002F  003A - 0040    005B - 0060    007B - 007F
  
中日韩统一表意文字  表示范围  4E00 - 9FFF
  其中汉字的编码范围是 4E00 - 9FA5  
  
  (0x是十六进制)

// 去掉不是汉字的字符
// 把不是汉字的替换为空
str.replaceAll("[^\u4E00-\u9FFF]", "");

//
str.replaceAll("[^\u0030-\u0039|^\u0041-\u005A|^\u0061-\u007A|^\u2E80-\u2FFF|^\u3040-\u9FFF]", " ")

// 去掉不是数字的字符
// 把不是数字的替换为空 
str.replaceAll("[^\u0030-\u0039]","");


// 以中日韩开头的
str.matches("^[\u2E80-\u2FFF|\u3040-\u9FFF].+")

参考资料

[1] Unicode®字符百科
[2] 关于各种编码格式
[3] java读取文件字符集示例方法_java
[4] 字体编辑用中日韩汉字Unicode编码表
[5] java自动探测文件的字符编码
[6] cpdetector

(1) 字符编码的原理

(1.1) ASCII码

(1.2) 非ASCII编码

(1.3) Unicode

(1.4) Unicode的问题

(1.5) UTF-8

(1.6) Unicode与UTF-8之间的转换

(1.7) Little endian和Big endian

(1.8) 实例

(1.9) 国标

(1.9.1) GB码

(1.9.2) GB2312

(1.9.3) GB12345-90

(1.9.4) GBK

(2) 字符编码的工具类

(3) 根据Unicode区分中英文及标点符号等(常用的unicode编码范围)